Biorreactores mezclados por el movimiento del cuerpo

Es posible obtener algo de mezcla dentro del lecho de sustrato a través del movimiento de todo el cuerpo del biorreactor. Un biorreactor de tambor oscilante de 1,3 L de volumen de retención fue utilizado por Barstow, Ryoo y Sargantanis en estudios de estrategias de control de biorreactores. El biorreactor estaba constituido por tres tambores concéntricos, uno interno, otro medio y otro exterior. El tambor interno y el tambor intermedio estaban perforados, y el lecho de sustrato se sostenía, envasado flojamente, entre estos dos tambores. Se introdujo aire dentro del tambor interior. Pasó a través de las perforaciones en el lecho, a través del lecho y a través de las perforaciones en el tambor central hasta el espacio entre el tambor intermedio y el tambor exterior, donde se movió a la salida de aire. El agua puede ser goteada a través de las perforaciones en el tambor interno, moviéndose por gravedad a través de la cama. Los dos tambores exteriores giran en relación con el tambor interior, lo que provoca una acción de mezcla dentro del lecho. El nombre «tambor oscilante» surge porque la rotación se produce con tres cuartos de vuelta en una secuencia de las agujas del reloj, en el sentido contrario a las agujas del reloj, a una velocidad de 1 revolución cada 5 minutos. A la escala de 1,3 l, se logra un buen control, controlándose la temperatura del lecho del sustrato dentro de 1 ° C del punto de consigna de 37 ° C. Sin embargo, es cuestionable si este biorreactor será eficaz a gran escala. Ciertamente, la acción de mezcla generada por el movimiento relativo de los tambores interno y medio será ineficiente a gran escala.

Schutyser utilizó un biorreactor de tambor de 28 litros (30 cm de diámetro interno y 40 cm de longitud) en el que la línea de aire entró en el eje central pero luego pasó a través del lecho en un tubo en forma de U que tenía varios agujeros pequeños en el Horizontal que pasaba por el centro de la cama. La acción de mezcla fue proporcionada por la rotación del tambor. Utilizaron mezcla discontinua. Sin embargo, desde el punto de vista de la buena aireación, la mezcla continua sería mejor.

Perspectivas sobre los fenómenos de mezcla y transporte en los biorreactores

Hay relativamente poco trabajo disponible que permita comprender los fenómenos de mezclado y transporte en biorreactores mezclados continuamente con aire fuerte. Se ha trabajado más en biorreactores mezclados intermitentemente y con aire fuerte. Esto no es del todo sorprendente: aunque algunos microorganismos pueden tolerar la mezcla continua, la mayoría se comporta mejor cuando la mezcla es intermitente.

El enfriamiento de la pared puede ser efectivo en la remoción de calor a pequeña escala, pero no será suficiente para mantener la temperatura del lecho al valor deseado a medida que se incrementa la escala, si el biorreactor se escala a base de similitud geométrica.

El enfriamiento de la pared puede ser efectivo en la remoción de calor a pequeña escala, pero no será suficiente para mantener la temperatura del lecho al valor deseado a medida que se incrementa la escala, si el biorreactor se escala a base de similitud geométrica. Este es el resultado de un estudio de caso realizado por Nagel. Si la relación longitud-diámetro se mantiene constante, entonces disminuye el área superficial de la pared por unidad de volumen de lecho. Por lo tanto, a medida que se aumenta la escala, eventualmente se alcanza un «volumen crítico del biorreactor», por encima del cual el enfriamiento de la pared por sí solo no puede controlar la temperatura del lecho. Este volumen crítico corresponde al volumen del biorreactor en el que la curva intersecta la línea horizontal. Por supuesto, el volumen crítico del biorreactor dependerá de la velocidad de crecimiento máxima del organismo, la diferencia de temperatura entre el lecho y el agua de refrigeración y la relación de longitud a diámetro del biorreactor.

Una estrategia para la eliminación de calor a volúmenes por encima del volumen crítico de biorreactor podría ser incluir superficies internas de transferencia de calor. Esto posiblemente podría hacerse mediante la incorporación de deflectores, o mediante la circulación de agua de refrigeración a través de las paletas de mezcla. Sin embargo, se alcanzará rápidamente una situación en la que un aumento adicional en las superficies internas de transferencia de calor interferirá con la capacidad de mezclar el lecho. La otra estrategia es promover la evaporación utilizando aire seco. En este caso, será esencial hacer adiciones periódicas de agua para evitar que el crecimiento se vea limitado por el bajo contenido de agua. Obsérvese que la disminución repentina en la tasa de absorción de O2 se debió a la disminución en la actividad del agua de la cama.