El diseño óptimo y el funcionamiento de los agitadores en los biorreactores

Otros biorreactores mecánicamente agitados se han construido de tal manera que el aire sólo entra en puntos específicos, y no sobre una amplia sección transversal del lecho. En este caso, la eficiencia de la aireación del lecho depende del grado de mezcla conseguido por el sistema de agitación, porque es la acción de mezclar la que lleva las partículas del sustrato a la zona de aireación. Tales biorreactores no serıan particularmente apropiados para el funcionamiento en el modo intermitentemente mezclado.

Nagel utilizó un fermentador que consistía en un tambor horizontal de 35 L, con paletas montadas sobre un eje central. La cama se aireó forzando el aire de alta presión a través de agujeros en los extremos de las paletas. Fueron capaces de controlar la temperatura a 35 ° C en este fermentador continuamente mezclado durante el crecimiento de Aspergillus oryzae en 8 kg de granos de trigo cocidos. En un experimento, mostraron que el control de temperatura podría lograrse mediante la eliminación de calor a través de la pared a una bobina de enfriamiento envuelta alrededor del exterior del tambor, con temperaturas de agua de refrigeración que debían ser tan bajas como 18 ° C durante el tiempo de producción máxima de calor. En otro experimento promovieron el enfriamiento evaporativo usando altas tasas de flujo de aire seco. Para un control adecuado de la temperatura en el momento de la máxima producción de calor, el caudal de aire necesario era de aproximadamente 75 L min-1 o dos volúmenes por volumen por minuto (vvm, m3-aire m-3 -total-biorreactor-volumen min-1). A pesar de este éxito a pequeña escala, no está claro cómo se comportaría un biorreactor a gran escala, siendo la cuestión más importante la eficiencia de la aireación del lecho.

Ellis adaptó un mezclador de láminas Z con un volumen interno de 28 l como un biorreactor SSF. Sin embargo, sólo estudiaron el comportamiento de mezcla, en ausencia de crecimiento microbiano. El grado de mezcla alcanzado no dependía de la velocidad de rotación, sino más bien del número de revoluciones. No está claro qué tan eficaz será la distribución del aire en un biorreactor de este tipo, con el aire que se introduce a través de cuatro agujeros relativamente pequeños en el fondo de la cama.

Berovi y Ostroveršnik (1997) diseñaron un biorreactor de lecho agitado en el que se llenó un tambor cilíndrico horizontal a dos tercios de profundidad con sustrato y se introdujo aire a través de un eje central perforado incrustado en el lecho de sustrato y sobre el cual se montaron cuchillas mezcladores. Si se desea, el reactor podría girarse 90 ◦ a una posición vertical para ayudar en las operaciones de carga o descarga e incluso podría funcionar en esta orientación.

Este biorreactor se utilizó para la optimización de la inoculación, esterilización, mezcla, aireación y control de temperatura y humedad durante la producción de enzimas pectinolíticas por Aspergillus niger y posteriormente para la producción de polisacáridos fúngicos.

Los biorreactores de Nagel et al. (2001a), Berovi y Ostroveršnik (1997), y Ellis et al. (1994) tenían camisas de agua. Sin embargo, si tales diseños fueran utilizados a mayor escala con proporciones geométricamente similares, la efectividad de la cubierta de agua disminuiría debido a la disminución de la relación de la superficie de transferencia de calor al volumen del lecho de sustrato.

Estos diversos diseños de biorreactores sugieren la posibilidad de un diseño adicional, que podría denominarse como «tambor perforado agitado». Se trata de un tambor con agitación, similar al de Nagel, pero en lugar de soplar aire a través de los extremos de las paletas, puede ser soplado a través de la base del tambor, a la manera del biorreactor de lámina Z de Ellis. Para mejorar la aireación, se puede introducir aire a través de una amplia sección transversal del lecho. Obsérvese que, idealmente, tal biorreactor debe mezclarse continuamente y no mezclarse intermitentemente porque las diferentes alturas de lecho en diferentes posiciones significan que durante el funcionamiento estático habrá un flujo preferencial de aire a través de la parte más delgada del lecho.

El diseño y el funcionamiento del agitador son cruciales para biorreactores con agitadores mecánicos, ya que determinan la eficacia de la mezcla. Sin embargo, no es fácil establecer principios generales. El diseño óptimo y el funcionamiento de los agitadores se verán afectados por las propiedades del lecho de sustrato, que pueden variar ampliamente entre diferentes sustratos. Parece que muchos agitadores han sido diseñados según un enfoque de mejor estimación, ya que no hay estudios que relacionen la comparación de varios tipos de mezcladores diferentes para seleccionar el mejor diseño. El trabajo de Schutyser muestra que el uso de modelos de partículas discretas que predicen el movimiento de partículas en biorreactores agitados es una poderosa herramienta no sólo para seleccionar un diseño de agitador particular entre las diversas posibilidades sino también para optimizar el diseño y operación del agitador seleccionado .