Ampliación de biorreactores de tambor giratorio mezclado

Las exploraciones con el modelo brindan información sobre cómo operar biorreactores de tambor rotativo bien mezclado, tanto a escala de laboratorio como a gran escala. El modelo se puede utilizar para mostrar que las velocidades de flujo de aire de alrededor de 0,01 vvm y que se utilizaron en la simulación de casos base, fueron insuficientes. Para un buen rendimiento, deberían haberse utilizado caudales de alrededor de 1 vvm. La primer gráfica que mostramos (a) muestra una simulación realizada utilizando los valores de caso base (con n = 10) pero con una tasa de aireación de 1 vvm. Tenga en cuenta que a esta velocidad de flujo más alta, el sustrato se seca durante la fermentación. Por lo tanto, la fermentación se inicia con una actividad de entrada de agua de aire alta de 0,99, y la actividad del agua de entrada de aire solo se reduce a 0,15 cuando la temperatura del lecho excede los 38 ° C. Tenga en cuenta también que la adición de agua se desencadena debido al secado del lecho del sustrato, con agua añadida a las 29 hy a las 35 h.

Para esta simulación, la temperatura máxima pronosticada del lecho es de 42.4 ° C a las 27 h). En este momento, la tasa global de generación de calor metabólico es de 62.8 W. Las tasas de eliminación de calor son 4.5 W por convección al espacio de cabeza, 27.0 W por conducción a la pared del biorreactor y 31.1 W por evaporación. Segunda gráfica (a). Por lo tanto, el aumento en el flujo de aire a 1 vvm permite que la evaporación contribuya con alrededor del 50% de la eliminación de calor, mientras que a 0.01 vvm contribuyó solo con un 2%.

Para que la temperatura de la cama no exceda los 40 ° C, se necesitan tasas de aireación superiores a 1 vvm. En la primer gráfica (b) y en la segunda (b) muestran los resultados predichos para una fermentación realizada bajo las mismas condiciones pero con una tasa de aireación de 10 vvm. Debido a la efectividad del enfriamiento, la temperatura del aire de entrada se establece en 35 ° C. En este caso, la temperatura máxima pronosticada es de 39.0 ° C a las 29 h.

El modelo también se puede usar para explorar la ampliación de biorreactores de tambor giratorio. Las simulaciones se realizan con n = 10 para simular la operación mixta. La temperatura del aire de entrada se mantiene a 30 ° C. En las simulaciones descritas aquí, el objetivo es evitar que la temperatura del lecho exceda los 40 ° C. Los lectores pueden usar el programa acompañante para explorar las predicciones con mayor profundidad.

Varios biorreactores de tamaño cada vez mayor se comparan. Por cada aumento en la escala, el diámetro y la longitud se duplican.  Tenga en cuenta que el tambor giratorio de «gran escala» tiene una capacidad de lecho igual al tambor giratorio de gran escala utilizado en la producción de koji, que tiene una capacidad para 1500 kg de sustrato cocido.

Predicciones del modelo sobre las temperaturas dentro del biorreactor durante la ampliación a una tasa de aireación constante en términos de vvm. Los gráficos de la izquierda son para escalas cada vez más grandes, cada aireación a 1 vvm. Los gráficos de la derecha son para escalas cada vez mayores, cada aireación a 10 vvm. En todos los casos n = 10. Clave: () temperatura de la cama; () temperatura del espacio de cabeza; () temperatura de la pared del biorreactor

La importancia del enfriamiento por evaporación en biorreactores de tambor giratorio a gran escala. Las predicciones sobre las contribuciones a la eliminación de calor se realizan para ampliarlas a una tasa de aireación constante en términos de vvm, como se explica en la primer gráfica. Clave: () tasa de producción de calor metabólico residual; () tasa de eliminación de calor a la pared del biorreactor () tasa de eliminación de calor por evaporación; (+) tasa de eliminación de calor mediante transferencia de energía sensible a los gases del espacio de cabeza.

Los perfiles de temperatura trazados en la primera gráfica muestran que a medida que aumenta la escala a una tasa de aireación constante de 1 vvm, la temperatura máxima alcanzada en el lecho aumenta, alcanzando un máximo cercano a los 50 ° C en el biorreactor más grande. Por otro lado, a medida que aumenta la escala con una tasa de aireación constante de 10 vvm, la temperatura máxima de la cama se mantiene por debajo de 40 ° C. Está claro que se requerirán altas tasas de aireación, del orden de magnitud de 10 vvm, para un control de temperatura adecuado en biorreactores de tambor giratorio a gran escala. Un análisis de las contribuciones al enfriamiento en la segunda gráfica muestra que la eliminación de calor en la pared del tambor elimina una proporción significativa del calor metabólico en el biorreactor de 25 L, pero se vuelve cada vez menos significativa a medida que aumenta la escala. A gran escala, la mayoría del calor metabólico se elimina por evaporación.