Modo de funcionamiento continuo versus modo por lotes
Reducción de la inversión ascendente y descendente
En el modo de funcionamiento por lotes, una cantidad de alimentación igual a la capacidad del biorreactor debe estar lista para la carga al comienzo de cada ciclo. Los cambios químicos no pueden evitarse cuando los sustratos sólidos húmedos se almacenan durante largos períodos de tiempo, y siempre existe el peligro de que crezcan contaminantes, por lo que no es posible preparar y cocinar el sustrato gradualmente. Tampoco es factible inocular el substrato gradualmente si el biorreactor ha de ser operado en modo discontinuo.
Por lo tanto, el equipo ascendente para la preparación del sustrato y la inoculación debe ser lo suficientemente grande para poder preparar todo el lote de sustrato requerido dentro de unas pocas horas antes del comienzo de cada ciclo. Por el contrario, en el modo de funcionamiento continuo, pueden utilizarse equipos más pequeños para procesar, cada hora, las cantidades de sustrato más pequeñas que se alimentan en el fermentador. De esta manera, el funcionamiento continuo puede reducir la inversión en equipos de procesamiento ascendente. El grado de reducción se hace mayor a medida que aumenta el tiempo de ciclo. Por ejemplo, supongamos que un biorreactor con una capacidad de 1000 kg se utiliza en modo discontinuo en un proceso SSF que tiene un tiempo de fermentación de 50 horas. Si se requiere preparar el sustrato no antes de las 10 h antes del inicio de cada fermentación, entonces la capacidad del equipo aguas arriba debe ser de 100 kg h-1. Por otro lado, si se usara el mismo biorreactor en modo continuo, entonces la capacidad requerida del equipo de procesamiento ascendente sería de 20 kg h-1. Además, si el tiempo de fermentación era de 100 h, la capacidad de equipo ascendente requerida para el modo por lotes no cambiaría, mientras que la de modo continuo se reduciría a 10 kg h-1.
De la misma manera, el funcionamiento continuo reducirá los costos del equipo descendente. El funcionamiento continuo del biorreactor requerirá un procesamiento continuo descendente ya que los sólidos fermentados son químicamente y biológicamente activos y si se almacenan durante largos períodos antes de que se envíe un lote grande para procesamiento posterior, entonces la fermentación puede continuar, dando lugar a cambios no deseados. Por ejemplo, los productos labeos pueden degradarse si no se recuperan del medio sólido poco después de la fermentación. En consecuencia, los sólidos fermentados que salen del fermentador deben ser procesados lo más pronto posible al producto final o estabilizados mediante medios tales como secado o congelación. En un sistema continuo en el que los sólidos fermentados salen gradualmente del biorreactor, equipos relativamente pequeños podrían transformarlos en el producto final o en un producto estabilizado. Esto contrasta con el funcionamiento por lotes, en el que una gran cantidad de sólidos fermentados se descarga del fermentador durante un período de tiempo muy corto, requiriendo equipo con una gran capacidad para minimizar el tiempo de almacenamiento.
El reemplazo de un único fermentador de gran tamaño por lotes con varios más pequeños que tienen tiempos de inicio escalonados reduciría la capacidad requerida y el costo de los equipos ascendentes y descendentes. Sin embargo, esto estaría acompañado por un aumento en la inversión requerida en la sección de biorreactores del proceso.
Uniformidad del producto a partir de biorreactores discontinuos y continuos
La operación continua permite un producto más uniforme que el funcionamiento por lotes, especialmente en los casos en los que el lecho sólido se mezcla sólo intermitentemente. Esto se puede observar comparando un fermentador mezclado intermitentemente, vigorosamente aireado operado en modo discontinuo con el mismo tipo de sistema operado en modo continuo. Obsérvese que en ambos fermentadores el flujo de aire es perpendicular al flujo de sólidos. Este diseño ha sido probado con éxito en dispositivos discontinuos a escala piloto. Obsérvese que la mezcla intermitente es necesaria para romper los agregados de partículas sólidas y también para permitir la reposición del agua evaporada.
En los biorreactores discontinuos de este tipo, la mezcla se realiza a menudo por un mezclador en movimiento, aunque en algunos biorreactores cilíndricos de koji el sistema de mezcla es estacionario y el lecho se mueve pasando por la rotación de la placa base. En ambos casos, la mezcla simultánea de todo el lecho es difícil de conseguir. En algunos sistemas, las partes del lecho situadas a la izquierda del mezclador se mezclan poco después del comienzo del mezclado, mientras que las partes situadas a la derecha del mezclador se mezclan solamente después de un tiempo de retardo que depende de la longitud del lecho y la velocidad con la que el mezclador viaja hacia adelante y hacia atrás a lo largo de la cama. Para los biorreactores a gran escala, el tiempo de retardo puede llegar a ser considerable, especialmente en los casos en los que el mezclador se desplaza lentamente para permitir una distribución homogénea del agua añadida. Tales tiempos de retraso podrían tener efectos adversos sobre la uniformidad del producto. El uso de varios mezcladores podría reducir los retrasos de tiempo en el modo por lotes, pero implicará un sistema de mezcla más costoso. Por otra parte, en el sistema continuo, el mezclador permanece en su sitio a medida que el sustrato se mueve más allá de él y todos los sólidos de fermentación se mezclan o se humedecen al mismo intervalo de tiempo después de su entrada en el biorreactor, dando lugar a un producto más uniforme.