Regímenes de flujo de gas en los cabezales de los tambores giratorios
La necesidad de conocer los patrones de flujo del espacio de cabeza para calcular el intercambio del espacio de la cama con el espacio de cabeza se puede ver usando el intercambio de calor convectivo como ejemplo, aunque el argumento también se aplica al intercambio de O2 y agua. La evacuación convectiva de calor a los gases de espacio de cabeza (Rconv, W) se describe como sigue:
Donde h es el coeficiente de transferencia de calor (W m-2 ° C-1), A es el área de contacto entre el lecho y el espacio de cabeza, Tbed es la temperatura del lecho y T-head es la temperatura del gas del espacio de cabeza. Se supone que la cama está bien mezclada. Si el espacio de cabeza está bien mezclado, entonces la fuerza motriz para la transferencia de calor es constante, y la velocidad de transferencia de calor es la misma en cada posición en la superficie del lecho. Por otra parte, si el flujo a través del espacio de cabeza sigue el régimen de flujo de enchufe, entonces la fuerza motriz para la transferencia de calor disminuye a medida que el gas se calienta a medida que fluye a través del tambor. En este caso, la velocidad de intercambio de calor entre el lecho y el espacio de cabeza es mayor cerca del extremo de entrada del tambor que cerca del extremo de salida.
Se han realizado algunos estudios sobre los patrones de flujo del espacio de cabeza. Stuart (1996) usó un tambor de 19 cm de diámetro interno por 85 cm de longitud que se aireó inicialmente con aire y luego se introdujo un pulso de 5 minutos de N2 puro. La concentración de O2 de salida se monitorizó con un analizador de O2 paramagnético y se comparó la forma de la curva de respuesta con curvas que se esperaban para varios regímenes de flujo teórico. Estudió los efectos de dos tasas de flujo (2,7 y 5,0 L min-1) tres cargas de sustrato (0, 1 y 2 kg de sustrato de salvado de trigo) y 4 velocidades de rotación (0, 5, 10 y 50 rpm).
En algunos casos, las curvas eran consistentes con un régimen de flujo que consistía en varias regiones bien agitadas en serie. En otros casos eran consistentes con el flujo de enchufe con axial. La velocidad de rotación no afectó al tipo de régimen de flujo del espacio de cabeza. Los tambores sin sustrato dieron patrones a ambos caudales de gas que eran consistentes con la presencia de 1 a 2 regiones bien mezcladas en serie dentro del espacio de cabeza. Sin embargo, en presencia de sustrato había una diferencia entre los patrones de flujo en los dos caudales de gas diferentes. En ambas cargas de sustrato, las curvas de respuesta obtenidas con el caudal de gas de 2,7 L min-1 eran consistentes con la presencia de 1 a 3 regiones bien mezcladas en serie dentro del espacio de cabeza, mientras que las curvas de respuesta obtenidas con el caudal de gas de 2,7 L min-1 fueron consistentes con el flujo de enchufe con dispersión axial.
Hardin usó CO como trazador para estudiar patrones de flujo en un tambor de 200 litros. Los patrones eran consistentes con los que se esperaría para una región de flujo de enchufe central rodeada por una región muerta. La zona muerta incluye una parte de los gases del espacio de cabeza y todo el gas en los espacios entre partículas del lecho. La zona muerta está bien mezclada en la dirección radial, pero no hay transporte axial.
La presencia o ausencia de deflectores y la velocidad superficial tuvo los mayores efectos sobre la fracción del tambor ocupada por la región muerta y la velocidad de transferencia entre las regiones de flujo de enchufe y muertas. Con un aumento de la velocidad superficial del aire (definido como el caudal de aire volumétrico dividido por el área de la sección transversal del tambor vacío) hubo menos mezcla entre las regiones de flujo de enchufe y muertas y la región muerta ocupó una mayor proporción del volumen de gas en el tambor. En comparación con la ausencia de elevadores, la presencia de elevadores llevó a un mayor grado de intercambio entre el flujo de enchufe y las regiones muertas y significó que la región muerta representaba una proporción menor del tambor.
Desafortunadamente, no es posible hacer generalizaciones a partir de estos estudios. Los patrones de flujo dentro del espacio de cabeza de los biorreactores de tambor giratorio estarán grandemente influenciados por el diseño y posicionamiento de la entrada y salida de aire. Sin embargo, una cosa es clara: si se utiliza aireación de extremo a extremo, no es razonable suponer que el espacio de cabeza esté bien mezclado.