Información de biorreactores de Schutyser
Schutyser realizó estudios de mezclado en biorreactores de tambor giratorio que dan una mayor comprensión de los patrones de mezcla radial que se producen y cómo se ven afectados por deflectores. Utilizó un modelo bidimensional de partículas discretas, en el cual las posiciones predichas de un gran número de partículas individuales se calculan por el modelo, con el cambio en la posición de cada partícula individual durante un paso de tiempo dependiendo de la suma de las fuerzas que actúan sobre ella como resultado de colisiones con otras partículas o con superficies sólidas tales como la pared del biorreactor. Apoyó su trabajo de modelado con validaciónes experimentales en tambores rotatorios que contenían granos de trigo cocinados.
Se caracterizó el tambor porque estaba bien mezclado cuando la entropía de mezcla era mayor que 0,9 y se comparó la efectividad de la mezcla proporcionada por un modo particular de diseño y funcionamiento del tambor con base al número de rotaciones del tambor necesarias para alcanzar una entropía de mezcla de 0,9. Se investigaron los efectos de la velocidad de rotación del tambor (0,5, 2 y 5 rpm), el diámetro del tambor (0,15, 0,3 y 1 m) y la fracción del tambor que ocupada el lecho (0,2, 0,33 y 0,4). En los diversos experimentos y simulaciones, entre 1,5 y 10 rotaciones fueron necesarias para alcanzar el estado bien mezclado. El número de rotaciones requeridas era esencialmente independiente de la velocidad de rotación del tambor, aunque, por supuesto, para velocidades más rápidas, el número de rotaciones requerido se completó en un tiempo más corto.
El efecto del diámetro del tambor y el llenado fraccionado del tambor se relacionaron con sus efectos sobre la relación de la superficie expuesta del lecho al volumen del lecho (RB, m-1), con el número de rotaciones requeridas para lograr el buen mezclado, El estado mixto cayó inicialmente rápidamente a medida que aumentaba esta relación, alcanzando una meseta de 1,5 rotaciones cuando esta relación tenía un valor de 20.
Obsérvese que la relación entre el área superficial expuesta y el volumen del lecho se puede calcular como:
Donde D es el diámetro del tambor (m) y es el ángulo en radianes subtendido en el centro por la superficie del lecho para un relleno fraccional particular (m3-lecho m-3-total-biorreactor-volumen). Tenga en cuenta que se puede determinar a partir de la siguiente relación:
Desafortunadamente no es posible aislar en el lado izquierdo de esta ecuación. Sin embargo, es posible usar esta ecuación para trazar y ajustar una ecuación polinomial. Hacer esto para valores de 0 a 0.5 da la siguiente ecuación explícita en términos de:
Para tambores sin deflectores, para un relleno fraccional particular, las ecuaciones se pueden utilizar para calcular RB, que a su vez puede compararse para evaluar la efectividad de la mezcla radial que se puede esperar.
Schutyser y sus compañeros realizaron simulaciones para investigar el grado en que los deflectores afectan la mezcla.
Ellos compararon deflectores de 5 cm y 10 cm de ancho dentro de un tambor de 30 cm de diámetro, ajustando cuatro deflectores rectos alrededor de la circunferencia interna. Los deflectores más pequeños tuvieron poco efecto al aumentar la mezcla en el régimen de rotación, aunque a bajas tasas de rotación ayudaron a prevenir el flujo de caída. Los deflectores más grandes mejoraron la efectividad de la mezcla.
Schutyser amplió el enfoque de modelado de partículas discretas a tres dimensiones y lo utilizó para analizar la mezcla radial y axial en tres diferentes diseños de tambor: un tambor sin deflectores, un tambor con cuatro deflectores rectos (cada uno con una anchura del 66% del tambor Radio) y deflectores curvos. Los deflectores rectos incrementan el mezclado axial en comparación con el de un tambor sin bisagra, aunque no están diseñados específicamente para empujar el sustrato a lo largo del eje del tambor. Schutyser atribuyó este efecto a las velocidades de partículas más altas que se producen en la superficie del lecho. El mejor diseño para una buena mezcla axial y radial es un tambor con deflectores curvados, en el que el sustrato se mezcla bien axialmente después de tres a cuatro rotaciones. En el mismo tambor sin deflectores, puede requerir del orden de 50 a 100 rotaciones para que el lecho sea bien mezclado en la dirección axial. Se señaló que con los deflectores curvos es interesante inclinar el eje central del tambor.
Puede inclinarse hasta el ángulo dinámico de reposo del sólido, que en su caso era de 35 °, aunque sugirió que 20 ° podría ser más apropiado.