Biorreactores – Consumo de Substrato y Nutrientes

Anteriormente se presentó una ecuación para el consumo del sustrato seco residual total, siendo necesario calcularlo para convertir las concentraciones absolutas de biomasa en valores relativos, la ecuación es:

A pesar de que no es apropiado intentar modelar la difusión intrapartícula de nutrientes en modelos de biorreactores, puede ser de interés calcular la cantidad residual de un nutriente específico. En este caso la ecuación básica es:

donde r_N es la tasa global de consumo de nutrientes (kg-nutriente h^-1), que se restará en el lugar apropiado dentro de una ecuación de equilibrio. Y_XN es el rendimiento de biomasa de ese nutriente (kg-biomasa seca kg-nutriente^-1) y m_N es el coeficiente de mantenimiento para ese nutriente (kg-nutriente kg-biomasa seca^-1 h^-1). Dado que los sustratos sólidos son típicamente mezclas complejas de diversos nutrientes que contienen carbono, no es necesariamente una cuestión simple determinar los coeficientes de rendimiento y mantenimiento experimentalmente. En el caso del substrato seco residual total puede ser posible obtener estimaciones de Y_XS y m_S. Los valores reportados en la literatura para los parámetros relacionados con el sustrato seco residual total (Y_XS y m_S) y nutrientes específicos (Y_XN y m_N) se muestran en la siguiente tabla:

Consumo de oxígeno y producción de dióxido de carbon

El consumo de O₂ y la evolución del CO₂ son de particular interés, ya que representan la forma más conveniente de monitorización en línea del crecimiento en un biorreactor. Además, en sistemas aeróbicos, la tasa de generación de calor suele ser directamente proporcional a la tasa de consumo de O₂. Por lo tanto, es de gran interés modelar el consumo de O₂ o la producción de CO₂ dentro del modelo de biorreactor. La expresión para el consumo de O₂ dentro de una ecuación del balance de O₂ será:

donde la r_O, también llamada tasa de absorción de oxígeno (OUR), es la tasa global de consumo de O₂ (mol-O₂ h^-1), Y_XO es el rendimiento de biomasa de O₂ (kg-biomasa seca mol-O₂^-1) y m_o es el coeficiente de mantenimiento para O₂ (mol-O₂ kg-biomasa seca^-1 h^-1).

La expresión para la evolución del CO2 dentro de una ecuación del balance de CO2 será:

donde r_C, también denominada tasa de evolución del dióxido de carbono (CER), es la tasa global de producción de CO₂ (mol-CO₂ h^-1), Y_CX es el rendimiento de CO₂ de la biomasa (mol-CO₂ kg- biomasa seca^-1) , y m_c es el coeficiente de mantenimiento para CO₂ (mol-CO₂ kg-biomasa seca^-1 h^-1). Los valores típicos de los parámetros del metabolismo del gas que se han informado en la literatura.

Las secciones siguientes describen un procedimiento mediante el cual pueden determinarse experimentalmente durante los estudios iniciales de cinética de crecimiento. Es necesario realizar estos experimentos en un sistema en el que se pueda medir el consumo de O₂ y la biomasa, como el «cultivo de filtro de membrana». El procedimiento se basa en el caso en el que se mide la tasa de absorción de O₂, pero exactamente los mismos pasos se pueden tomar si las mediciones se realizan con la tasa de evolución de CO₂.

El primer desafío es medir la tasa de absorción de O2 (OUR, mol-O₂ h^-1) experimentalmente. Hay varias posibilidades. El método más fiable es desarrollar un cultivo dentro de un espacio de cabeza cerrado que se airea continuamente con un caudal de aire conocido y para medir las concentraciones de O₂ de entrada y salida (C_in y C_out, respectivamente). El OUR puede entonces ser calculado como:

Las variables del lado derecho de la ecuación previa puede tener varias unidades diferentes, siempre y cuando las unidades utilizadas se combinen para dar las unidades correctas para el OUR. Por ejemplo, F, el caudal de aire seco, podría medirse originalmente en L h^-1, que tendrá que convertirse en mol-aire seco h^-1, teniendo en cuenta la temperatura y la presión del aire. C_in y C_out se medirán típicamente como porcentajes de volumen, en el aire que se ha secado para evitar que el agua interfiera con la medición (lo cual es importante si se utiliza un analizador O₂ paramagnético). A las bajas presiones utilizadas en los procesos de biorreactores SSF, el aire se comportará como un gas ideal, y por lo tanto el% (v / v) también es igual al% mol de O₂ en el gas. Entonces es fácil expresar C_in y C_out en términos de mol-O₂ mol-aire^-1 seco (es decir, dividiendo el% (v / v) por 100).

Otra posibilidad es retirar una muestra de un cultivo de una fermentación y colocarla en un espacio libre cerrado con un electrodo de O₂ del tipo que es capaz de medir las concentraciones de O₂ en una fase gaseosa. También es posible llevar a cabo el cultivo en una cámara sellada y extraer y analizar las muestras por cromatografía de gases, aunque en este caso el nivel de O₂ en la cámara disminuirá significativamente durante el ciclo de crecimiento y esto podría influir en el crecimiento.