Estimación de los coeficientes de transferencia para biorreactores SSF

Ya anteriormente hemos presentado ecuaciones para varios procesos de transferencia de calor y masa. Estos contienen diversos coeficientes de transferencia de calor y masa para los cuales es importante tener valores razonables si el modelo debe hacer predicciones aceptablemente precisas sobre el rendimiento del biorreactor. Se ha prestado relativamente poca atención a la determinación experimental de los coeficientes de transferencia en los biorreactores SSF, por lo que varios de los trabajos presentados aquí representan datos tomados de sistemas que no son SSF.

Tenga en cuenta que varios de los estudios informados aquí han determinado los coeficientes de transferencia sobre la base de «por segundo», mientras que otros capítulos han considerado las tasas sobre la base de «por hora». Esto no presenta dificultades, ya que es simple convertir un valor «por segundo» en un valor «por hora», multiplicando por el factor de conversión «3600 s h^-1«.

Conductividades térmicas de las camas de sustrato

La conductividad térmica aparece en ecuaciones que describen la conducción dentro del lecho como lo mostramos en nuestro artículo, leer más.

Se ha prestado poca atención a la determinación experimental directa de las conductividades térmicas de los lechos sólidos, y muchos trabajadores simplemente usan los valores tabulados para los alimentos. En algunos casos se describe un sistema simple que puede usarse para determinar la difusividad térmica del lecho (_b, m²h^-1) , a partir de la cual la conductividad térmica del lecho (k_b, J h^-1m^{– 1}° C^-1) se puede calcular con la siguiente ecuación:

donde C_Pbes la capacidad calorífica de la cama (J kg-bed^-1° C^-1) y _bes la densidad del lecho (kg m^-3-bed). Durante una fermentación de 10 días de puré de sorgo, la difusividad térmica del lecho varió entre 3.810^-4m²h^-1y 4.010^-4m²h^-1, lo que indica que la difusividad térmica en sí misma no cambia significativamente como resultado del crecimiento microbiano .

Sin embargo, será sensible a cualquier cambio en la densidad de empaquetamiento del lecho y el contenido de humedad del lecho, se determinó la conductividad térmica del salvado de arroz desgrasado en un rango de densidades de empaquetamiento y contenido de humedad, y obtuvo la siguiente ecuación :

donde kb está en J s^-1m^-1° C^-1, _bes la densidad de empaquetamiento del lecho (kg m^-3), y M es el porcentaje del contenido de humedad (base húmeda). Bajo las diversas condiciones probadas, el valor de k_bvarió entre 0.1166 y 2.6551 J s^-1m^-1° C^-1.

Coeficientes de transferencia de calor que involucran al muro

Si la pared del biorreactor no se reconoce explícitamente como una fase separada en el modelo, la transferencia de calor al entorno se describirá como una transferencia directa desde la superficie exterior al lecho al entorno. En este caso, las diversas resistencias, es decir, para transferirlas del lecho a la pared, transferirlas a través de la pared y transferirlas desde la pared al entorno, se agruparán juntas en un coeficiente global de transferencia de calorh_ov. En los casos en que la pared del biorreactor se reconoce como un sistema separado, pueden ser necesarios coeficientes de transferencia de calor separados para los términos que describen la transferencia de calor desde el lecho a la pared, desde el aire del cabezal a la pared y desde la pared al entorno.

Coeficientes de transferencia de calor de cama a pared

La eficiencia de la transferencia de calor desde la cama a la pared del biorreactor dependerá de si la cama está agitada o estática. Además, en un lecho agitado, es probable que el coeficiente de transferencia de calor dependa del tipo de agitación. Para los biorreactores de tambor rotativo, se utilizaron datos de la literatura para aplicaciones no SSF de biorreactores de tambor giratorio para estimar el coeficiente de transferencia de calor de la pared a la pared (h_bw, J s^-1m^-2° C^-1) como:

para el diámetro del tambor (D) en metros. La principal fuente de resistencia en la transferencia desde el lecho a la pared reside en el propio lecho, por lo que el coeficiente de transferencia de calor del lecho (h_b, J s^-1m^-2° C^-1) se puede utilizar como una aproximación del coeficiente de transferencia de calor de la cama a la pared. El valor de h_bdependerá de si la cama está mezclada o no, con hb aumentando a medida que aumenta la intensidad de la mezcla. Estimaron h_b como:

donde kb es la conductividad térmica del lecho (W m^-1° C^-1), _bes la densidad del lecho (kg m^-3), C_Pbes la capacidad calorífica del lecho (J kg-lecho ° C^-1) y t_ces el tiempo de contacto entre las partículas sólidas y la pared (s), que es inversamente proporcional a la velocidad de rotación del agitador. En un lecho estático, se determinó experimentalmente un valor de h_bde 40 J s^-1m^-2° C^-1 para avena húmeda.

Sin embargo, a menudo no es una cuestión simple determinar h_by, en lugar de hacerlo, el coeficiente global de transferencia de calor para la transferencia de la cama al exterior a menudo se determina experimentalmente.