Fermantadores continuos de fermentación de estado sólido
Los posts anteriores se han presentado temas acerca de los biorreactores de fermentación de estado sólido (SSF) que funcionan por lotes. Aunque la operación por lotes es el tipo de operación más común en los procesos SSF a la fecha, también es posible diseñar y operar biorreactores continuos SSF. Sin embargo, existen desafíos en el funcionamiento de biorreactores continuos de SSF que no se enfrentan en procesos clásicos de fermentación líquida sumergida continua (SLF) y, por consiguiente, los biorreactores de SSF de flujo continuo (CSSFB) son escasos actualmente en la industria. Mejores procedimientos de diseño y sensores prometen un futuro mejor para estos biorreactores.
En este y futuros post trataremos del diseño y operación de biorreactores continuos de SSF y discute las ventajas potenciales que la operación continua puede aportar a los procesos de SSF y también las diversas consideraciones que deben ser abordadas para llegar a un proceso continuo de alto rendimiento.
Características básicas de biorreactores continuos SSF
Equipo
En general, los reactores químicos continuos se pueden clasificar en uno de tres grupos: reactores de tanque agitado, reactores de flujo tubular y diseños que están entre estos dos tipos (es decir, que combinan algunas características de los reactores de flujo agitado y tubular). Esto también es cierto para CSSFBs.
Se recomienda a los lectores interesados en explorar aún más los diseños que consulten referencias que tratan del equipo utilizado para mezclar sólidos y para la alimentación de sólidos (Bell et al., 2003), muchos de los cuales podrían adaptarse para actuar como CSSFBs.
Vamos a estar discutiendo tres posibles diseños de CSSFB: el biorreactor-fermentador de tanque agitado continuo (CSTB), el biorreactor-fermentador de tambor rotativo continuo (CRDB) y el biorreactor-fermentado continuo de flujo tubular (CTFB). Los principios de funcionamiento de los transportadores de tornillo sin fin y de los transportadores de cinta son los mismos que los de los CTFB, por lo se utilizarán estos biorreactores transportadores como ejemplos de este grupo.
Biorreactores continuos de tanque agitado (CSTB) para SSF
Los biorreactores de tanque agitado continuo están diseñados para mezclar completamente el contenido del biorreactor. En el caso ideal, se dice que la mezcla es perfecta, lo que significa que todas las propiedades son idénticas en todas partes dentro del recipiente en un momento dado.
En el caso de los procesos SSF, no es práctico mezclar perfectamente debido a dos limitaciones impuestas por la naturaleza sólida del sistema. En primer lugar, los sólidos húmedos tienen una capacidad limitada para fluir y esto hace difícil la mezcla. En segundo lugar, los sólidos húmedos tienden a mostrar un grado significativo de segregación de flujo. El término segregación de flujo se refiere a la tendencia de las partículas que han estado en el recipiente durante diferentes períodos de tiempo a permanecer segregadas en diferentes grupos. Como resultado, cualquier CSTB que se utiliza para un proceso SSF continuo se comportará hasta cierto punto como un fermentador mezclado intermitentemente. A pesar de estos problemas, el perfecto comportamiento de mezcla sigue siendo un modelo ideal que sirve de paradigma para el análisis y diseño de estos sistemas.
Observe que hay una limitación adicional en la mezcla perfecta. En CSTBs perfectamente mezclados para SLF, la mezcla es perfecta incluso a nivel molecular. Sin embargo, en SSF, el lecho de sólidos no puede mezclarse a nivel molecular a menos que las partículas de sustrato sólido sean destruidas por completo. Si las partículas sólidas permanecen intactas, entonces la mezcla perfecta sólo puede ocurrir a escala «supra-partícula», sin mezclar en la escala intra-partícula.
Además, la transferencia de líquido o biomasa entre partículas será típicamente muy limitada. Como resultado, en SSF, incluso para un CSTB perfectamente mezclado, cada partícula actúa esencialmente como un «micro-biorreactor discontinuo».