Fenómenos desfasados en biorreactores

En los biorreactores agitados, el movimiento de agitación de la mesa de agitación conduce a una rotación del líquido a granel dentro del recipiente agitado. En condiciones de agitación adecuadas, el líquido a granel presenta una forma característica y sigue el movimiento circular de la mesa de agitación. El líquido a granel está orientado en la dirección de la fuerza centrífuga F_cy gira alrededor del radio interior r_ia lo largo de la pared del reactor con una velocidad angular 𝜔. Estas condiciones de funcionamiento distintas designan la llamada condición de operación en fase. En ese caso, la forma del líquido está bien definida, y el área de contacto de la pared A_W y el área interfacial de gas / líquido A_S se pueden calcular con precisión. Además, se forma una película líquida en la pared y el fondo del reactor, que no está cubierta por el líquido a granel. Esta película líquida contribuye en gran medida a la transferencia de masa de gas / líquido en biorreactores agitados. La forma del líquido depende de la geometría del recipiente, los parámetros de agitación dados y solo un poco de las propiedades fisicoquímicas del líquido.

En condiciones de agitación inadecuadas, el líquido no presenta una forma bien definida ni sigue el movimiento de rotación del agitador. De hecho, una gran parte del líquido se adhiere al fondo del recipiente y no muestra ningún movimiento relativo al matraz. Como resultado, la potencia de entrada, así como la transferencia de masa y la mezcla se reducen considerablemente y el rendimiento y la reproducibilidad generales del reactor disminuyen. Esta condición de operación se identifica como condición de operación fuera de fase. La viscosidad elevada promueve condiciones fuera de fase. Como consecuencia, la selección de microorganismos en condiciones fuera de fase posiblemente resultará en la selección de mutantes morfológicos y condiciones de cultivo de baja viscosidad debido a la presión de selección aplicada. En estas condiciones, es poco probable que se identifiquen las cepas con un rendimiento óptimo. Por lo tanto, deben evitarse las condiciones fuera de fase para el cribado y otros experimentos de cultivo. La probabilidad de trabajar en condiciones fuera de fase aumenta si se utilizan biorreactores sacudidos desconcertados. Para determinar las condiciones fuera de fase en matraces de agitación desbalanceados, Büchs et al. desarrolló una ecuación basada en el número de fase no dimensional Ph:

a)   

Con el número de la película Reynolds Re_f:

b)   

La primera ecuación solo es válida para un número de Froude axial Fr_amayor que 0.4:

c)   

Cabe mencionar que el fenómeno fuera de fase solo ocurre con una viscosidad elevada, por ejemplo, con el crecimiento filamentoso de microorganismos o la producción de biopolímeros si las condiciones típicas de agitación para matraces (d₀= 25–50 mm, V_L<1 l) se aplican. Las ecuaciones se derivan de la adaptación del comportamiento del fluido en un tambor giratorio parcialmente lleno para agitar los matraces. Teniendo en cuenta este fondo mecánico, la aparición de condiciones fuera de fase en otros sistemas de biorreactores con agitación, por ejemplo, placas de microtitulación, se puede estimar aproximadamente con las ecuaciones anteriores.

Mezcla en microbiorreactores

Los tiempos de mezcla en los biorreactores dependen directamente de la entrada de potencia específica introducida en el biorreactor. En consecuencia, el número de fase Ph dado en la ec. (a) influye directamente en el tiempo de mezcla en biorreactores sacudidos. Además de la geometría del recipiente agitado y el volumen de llenado V_L, las propiedades del líquido, como la densidad del líquido 𝜌la viscosidad 𝜂, influyen en el número de fase. La viscosidad del líquido 𝜂es de especial interés para los tiempos de mezcla porque puede cambiar durante el cultivo de, por ejemplo, un hongo filamentoso, si todos los demás parámetros del proceso se mantienen constantes. Para determinar los tiempos de mezcla experimentalmente, se pueden aplicar diferentes métodos. Los métodos simples de fácil ejecución y técnicos son la medición de la temperatura, la conductividad y el pH, así como los métodos colorimétricos. Los métodos técnicos más desafiantes representan la medición del índice de refracción, la fluorescencia y la radioactividad. Tan et al. determinnó tiempos de mezcla de ácido sulfúrico 2 My 10 M(viscosidades de 1 mPa sy 5 mPa s, respectivamente) en agua desionizada en experimentos en matraz de agitación con frecuencia de agitación, tamaño variable del matraz y diámetro de agitación (n = 100) –350 rpm, VR = 100–500ml, d0 = 25–50mm, 10% de volumen de llenado relativo). Los autores reportan valores entre 1 y 10 s. Barrett et al. determinaron los tiempos de mezcla en placas de microtitulación de 24 pocillos. Para los números de Reynolds Re> 1830, se informan los tiempos de mezcla medios de 1.7 s para 800 μl y 1000 μl de volumen de llenado. Zhang et al. utilizaron análisis de CFD para investigar la mezcla en placas de microtitulación. Muestran que la intensidad de la mezcla, es decir, la fuerza de la mezcla de una o más fases, es mayor en las placas de microtitulación de 96 pocillos en comparación con las placas de 24 pocillos debido a la aparición de un componente axial de la velocidad del fluido durante la agitación.