Comprensión de los fenómenos de mezcla y transporte en biorreactores

El rendimiento de biorreactores de tambor giratorio y de tambor agitado dependerá en gran medida de la eficacia del intercambio de agua y energía entre la cama y los gases del espacio superior.

La eficacia de este intercambio se verá afectado por los patrones de flujo dentro del lecho y el espacio superior. Es poco probable que los biorreactores de rotación o agitación de tambor sean bien mezclados, si no se presta atención específica en la etapa de diseño para la promoción de la mezcla. Más bien, los patrones de flujo de aire y sólidos son propensos a ser complejos. Los patrones de flujo dentro de la cama y el espacio de cabeza de los biorreactores sólo recientemente han comenzado a ser explorados. Hasta la fecha, la atención se ha centrado principalmente en biorreactores de rotación del tambor.

Los regímenes de flujo de sólidos en tambores rotativos

El flujo de sólidos, tanto en la dirección radial y axial debe ser considerado. El régimen de flujo radial dentro del lecho sólido es importante porque afecta a la transferencia de calor y masa entre la cama y el espacio de cabeza y la homogeneidad dentro del lecho. La transferencia de calor, el agua, y O2 serán más eficaces cuando todas las partículas del sustrato dentro del lecho son llevados periódicamente a la superficie.

Sin embargo, esto no es necesariamente fácil de lograr.

En aplicaciones de los fermentadores que no son SSF de tambores giratorios sin deflectores, los diversos regímenes de flujos de sólidos radiales que se producen se han caracterizado. El régimen de flujo depende de varios factores, incluyendo la velocidad de rotación y el porcentaje de llenado del tambor. Es conveniente relacionar los regímenes de flujo a las fracciones de la velocidad de rotación crítica (NC), que se define como la velocidad a la que se llevan a cabo las partículas contra el interior de la pared del tambor por la acción centrífuga.

Esta es una función del diámetro del tambor y de un tambor horizontal viene dado por la siguiente ecuación:

donde NC está en rpm y D es el diámetro del tambor en metros. Por tanto un tambor estático (0 rpm) y un tambor que gira a la velocidad crítica, no hay ninguna acción de mezcla dentro del lecho. Para los regímenes de flujo y desplome de deslizamiento, que se producen cuando la velocidad de rotación es de menos de 10% de la velocidad de rotación crítica, la cama se mueve esencialmente en su conjunto, lo que significa que la cantidad de la mezcla dentro de la cama en sí es insignificante.

Como la velocidad de rotación aumenta a través tasas de rotación moderadas (de 10% a 60% de la velocidad de rotación crítica) de la cama se somete primero al primer flujo de rotación, caracterizado por una superficie plana, y luego un flujo en cascada, caracterizado por una superficie curva. No hay partículas en el aire. En estos dos regímenes de flujo existe un flujo de partículas dentro de la cama en sí, aunque puede haber zonas muertas. Para tasas de rotación mayores de 60% de la velocidad de rotación crítica, el flujo cambia a un flujo de catarata, en los que las partículas son lanzadas al aire.

La mayoría de los biorreactores de tambor giratorio se hacen funcionar en condiciones que dan flujo de desplome, lo que significa que por lo general es una buena idea de adjuntar deflectores a la superficie interna del tambor, con el fin de mejorar la mezcla. Sin embargo, también es posible operar tambores sin deflector a altas velocidades de rotación. Por ejemplo, el biorreactor de rotación de tambor a gran escala informado por Ziffer tiene un diámetro de 1,22 m, lo que da una velocidad de giro crítica de 38,3 rpm. Durante el período de la tasa de crecimiento máximo el tambor se hizo girar a 24 rpm, lo que representa 63% de la velocidad de rotación crítica, de tal manera que la cama debe haber estado en el límite entre los regímenes de flujo en cascada y efecto catarata.