Actividad de agua de los sólidos en fermentadores

La actividad del agua de los sólidos es un parámetro clave en los modelos de biorreactores por dos razones. En primer lugar, el crecimiento microbiano depende de la actividad del agua de los y, en segundo lugar, la fuerza impulsora de la evaporación es la diferencia entre la actividad del agua de la fase sólida y la actividad del agua que tendría si estaban en equilibrio con la fase gaseosa. Dentro de un fermentador hay muchos procesos que afectan el contenido de agua del sustrato y estos cambios afectarán la actividad del agua.

Las isotermas típicas para los tipos de materiales sólidos utilizados como sustratos en los procesos de SSF se muestran en la siguiente imagen.

Para cada sustrato particular, será necesario determinar la isoterma de manera experimental. Un método experimental simple para hacer esto implica colocar muestras del sustrato preparado sin inocular en varios recipientes sellados herméticamente, teniendo cada contenedor un volumen de solución salina saturada. Los contenedores se colocan en una incubadora con temperatura controlada. Se permite que cada muestra se equilibre con su solución de sal. Una vez equilibrado, se determinan los pesos frescos de las muestras, luego se secan y se determinan sus pesos secos. Esto permite la construcción de una isoterma, un gráfico del contenido de agua de la muestra en equilibrio frente a la actividad del agua de la solución salina con la que se equilibró. Una ecuación empírica puede ajustarse a la isoterma. Por ejemplo, en un experimento se ajustó la siguiente ecuación para dar la isoterma del trigo tratado en autoclave a 35 ° C en función de su contenido de humedad (W, kg-agua kg-sólidos secos^-1):

Asimismo, Calcada (1998) ajustó la siguiente ecuación para dar la actividad de agua del maíz en función del contenido de humedad (W, kg-agua kg-sólidos secos^-1) y la temperatura:

Tenga en cuenta que esta ecuación se puede reorganizar para que sea explícita en el contenido de agua de sólidos y se puede usar para calcular el contenido de agua necesario para obtener una actividad de agua deseada del maíz a una temperatura dada:

El crecimiento microbiano en el sustrato podría potencialmente cambiar la isoterma significativamente. Es decir, para el mismo contenido de agua, el sustrato no inoculado y el sustrato fermentado podrían tener actividades de agua bastante diferentes. Sin embargo, este punto ha recibido relativamente poca atención. En el desarrollo de modelos de biorreactores se ha supuesto que los sólidos en fermentación tienen la misma isoterma que el sustrato no inoculado. Sin embargo, ya se ha desarrollado un modelo matemático en el cual el agua en la partícula se segregaba en agua intracelular y extracelular, y tal enfoque podría incorporarse en modelos de biorreactores.

Densidad del aire en los biorreactores

Será necesario conocer la densidad del aire para convertir masas y volúmenes de aire. Por ejemplo, en un modelo de fermentador, la tasa de aireación puede ingresarse en el modelo en términos de la tasa de flujo volumétrico (m³-aire s^-1) mientras que la capacidad de calor utilizada puede contener unidades de masa (es decir, J kg-aire^{– 1} ° C^-1). En este caso, para calcular la cantidad de energía almacenada dentro de un volumen dado de aire para un aumento de temperatura dado, es necesario primero multiplicar el volumen de aire por su densidad para calcular la masa de aire, antes de multiplicar la masa de aire por la capacidad de calor y el aumento de la temperatura. La densidad del aire es una función de la temperatura y la presión. A bajas presiones, se puede suponer un comportamiento de gas ideal:

donde P es la presión (Pa), n es el número de moles (mol), V es el volumen (m³), TK es la temperatura (K) y R es la constante de gas universal (8.314 J mol^-1 K^{– 1}). El número de moles se puede reemplazar por la masa del gas (m_g, kg) dividido por su peso molecular (M_g, kg mol^-1). Esto lleva a un término en el cual la masa de gas se divide por el volumen, y esta combinación puede reemplazarse por la densidad del gas (p^g, kg m^-3):

La densidad del gas puede entonces aislarse en el lado izquierdo de la ecuación:

donde el símbolo T representa la temperatura en ° C. Como el gas es aire húmedo y, por lo tanto, tiene varios componentes, es necesario usar un peso molecular medio ponderado en moles para Mg. Para una humedad dada (H, kg-vapor kg-aire seco^-1), es posible mostrar que:

donde el valor de 0.0288 representa el peso molecular promedio del aire seco (en kg mol^-1, tratándolo como 79% molar de N₂ y 21% mol de O₂) y el valor 0.018 representa el peso molecular del agua (en kg mol^-1) . Por lo tanto, es posible escribir

En ocasiones, las propiedades se relacionan con la masa de aire seco y la masa de agua por separado. Si la densidad del aire seco (a, kg-aire seco m^-3) se define como la masa de aire seco que se mantiene dentro de un volumen unitario de una muestra de gas húmedo, puede calcularse como: