El proyecto Multi-AD 4 AgroSMEs nació del reactor anaeróbico multifase patentado por AEMA. Esta tecnología fue probada experimentalmente en un prototipo a escala piloto de 0.1 m3, dando resultados prometedores en cuanto a eficiencia, impacto medioambiental y costes. Uno de los objetivos del proyecto es el desarrollo de un nuevo diseño basado en el prototipo de AEMA y adecuado para la operación a escala industrial. El proceso de escalado se ha apoyado en modelos de fluidodinámica computacional, una técnica que permite obtener información sobre el funcionamiento de un nuevo diseño antes de su construcción.
La fluidodinámica computacional hace uso de métodos numéricos y algoritmos para resolver problemas relacionados con la mecánica de fluidos, que es la rama de la física que estudia el movimiento de líquidos y gases, y las fuerzas que los causan. ITAINNOVA tiene amplia experiencia en el desarrollo de modelos de fluidodinámica computacional y su aplicación en la industria para sensores virtuales, control basado en modelos, optimización de procesos y diseño de productos.
Los reactores anaerobios para tratamiento de agua residual involucran numerosos procesos bioquímicos entre los que se incluyen la hidrólisis, la acidogénesis, la acetogénesis y la metanogénesis. La materia orgánica contenido en el agua (líquido) se pone en contacto con la biomasa (partículas sólidas) para degradarla y generar biogás (gas). Un mezclado adecuado entre el líquido y las partículas sólidas es esencial para lograr altos rendimientos de reacción. El reactor Multi-AD aprovecha la turbulencia generada por la geometría para proporcionar el mezclado evitando el uso de sistemas mecánicos de agitación.
El proceso de escalado hace necesaria la modificación del diseño de la planta piloto para adaptarlo a los requerimientos característicos de las plantas
industriales. Los principales retos abordados en el proceso de rediseño del reactor fueron las limitaciones estructurales, la seguridad y el objetivo de eficiencia económica. El proceso se llevó a cabo en tres etapas: i) la adquisición de conocimiento sobre el funcionamiento de la planta piloto (especialmente el nivel de mezclado); ii) las propuestas de modificación del diseño que cumplen con los requerimientos de la escala industrial; y iii) la evaluación del nivel de mezcla en el nuevo diseño. Los modelos y simulaciones de fluidodinámica computacional han sido clave para la consecución de cada una de las fases del proceso.
Un modelo completo del reactor Multi-AD incluye el modelo multifásico (partículas sólidas, líquido y gas), el modelo de turbulencia, y la resolución de reacciones bioquímicas junto a las ecuaciones de energía y transporte de especies. Esta complejidad hace que el modelo sea exigente desde un punto de vista computacional y, por tanto, la simulación consume una cantidad significativa de tiempo. Durante el proceso de escalado, varias geometrías deben ser estudiadas. Los modelos de esta complejidad son incompatibles con un procedimiento de diseño rápido.
Para abordar este problema, se ha desarrollado una metodología de escalado en la que se implementan diferentes modelos para adaptar sus características, principalmente precisión y demanda computacional, a la agilidad requerida en cada fase del proceso. El modelo se ha simplificado en tres niveles diferentes en los que se ha modificad tanto la malla, como el número de fases involucradas y los fenómenos estudiados. El modelo más complejo de la planta piloto se ha utilizado para determinar la precisión de las simplificaciones y los parámetros que indican un buen mezclado y un funcionamiento adecuado.
El modelo más simple permite modificaciones rápidas de la geometría y resultados en tiempo real de la simulación. Este modelo se ha utilizado para hacer un screening inicial de múltiples diseños diferentes. Pese a que los resultados no dan valores precisos, sí muestran tendencias que permiten determinar las geometrías más prometedoras. Esta selección de geometrías se
simula y analiza con los modelos menos simplificados para obtener resultados cuantitativos y determinar el diseño más adecuado.
El reactor seleccionado presenta un equilibrio entre el rendimiento, la viabilidad en cuanto a su construcción y los costes derivados. Este diseño está ya instalado en la planta de demostración y será probado experimentalmente dentro del proyecto Multi-AD 4 AgroSMEs durante los próximos meses.