Valores de parámetros y variables biorrecatores
Los coeficientes para la transferencia de calor desde (1) el gas y la fase sólida a la pared del biorreactor y (2) la pared del biorreactor al agua en la camisa de agua se eligieron como 30 W m-2 ° C-1 con el fin de proporcionar un coeficiente global para la transferencia de calor desde el lecho al agua en la camisa de agua (calculado sobre la base de la ley de resistencias en serie) del orden de magnitud de 15 W m-2 ° C-1, un valor calculado a partir de los datos proporcionados por los estudios de Nagel.
Tenga en cuenta que el área de la pared lateral (A, m2) y el volumen del lecho (Vcama, m3) se calculan sobre principios geométricos para un cilindro vertical de sección transversal circular.
La parte de balance de masa del modelo calcula el contenido de agua de los sólidos (W, kg-H2O kg-sólidos secos-1), mientras que en la parte cinética de crecimiento del modelo, la constante de velocidad de crecimiento específica se expresa en función de la actividad de agua de la fase sólida y no su contenido de agua. La isoterma determinada para maíz por “Calcada en 1998” se usa para convertir el contenido de agua en la actividad de agua correspondiente.
Esta isoterma también se usa en el cálculo del término de evaporación. La fuerza motriz para la evaporación es la diferencia entre el contenido de agua de los sólidos (W, kg-H2O kg-sólidos secos-1), dada por la ecuación:
y el contenido de agua que tendrían los sólidos si estuvieran en equilibrio con el gas en la fase de espacio de cabeza (Wsat). Para calcular Wsat, se utiliza nuevamente, pero con la actividad y temperatura del agua en fase gaseosa, se obtiene:
Los coeficientes para la transferencia de calor y la transferencia de masa de agua entre las fases sólida y gaseosa fueron los determinados para el maíz. Obsérvese que, dado que estos coeficientes de transferencia se determinaron para un lecho compacto, y considerando que la transferencia de sólidos / gases es potencialmente más eficiente en un lecho mixto, el modelo permite la manipulación de estos coeficientes de transferencia, mediante la variable de entrada «pliegue», que se usa para multiplicar los valores calculados en: (20.8) y (20.9). Se incorpora un esquema de control simple para controlar la temperatura del agua en la camisa de agua.
donde J es la ganancia proporcional. En otras palabras, el programa calcula la diferencia de temperatura entre los sólidos y la temperatura del punto de ajuste. A continuación, establece la temperatura del agua de refrigeración para que la diferencia entre la temperatura del agua de refrigeración y la temperatura de punto de ajuste sea J-veces mayor, pero en la dirección opuesta, de modo que el agua de refrigeración calienta la cama si la temperatura del lecho es inferior al establecido apunte y enfríe la cama si la temperatura de la cama está por encima del punto establecido.
Las perspectivas que el modelo da a la operación de biorreactores bien mezclados.
Conocimientos sobre el funcionamiento a escala de laboratorio.
La simulación de caso base es para un pequeño biorreactor de 3.5 L de volumen, en el que el agua en la camisa de agua se mantiene constante a la temperatura óptima para el crecimiento. Este biorreactor es de un tamaño comparable al biorreactor de tambor oscilante. Comienza con aproximadamente 800 g de sustrato seco.
El crecimiento es subóptimo ya que, incluso a esta pequeña escala, se alcanzarán altas temperaturas de sólidos si no se realizan esfuerzos especiales para enfriar la cama. Tenga en cuenta que, dado que el aire alimentado al lecho está casi saturado, los sólidos no se secan durante la fermentación. La importancia relativa de la temperatura y la actividad del agua en el control de la tasa de crecimiento se ve más fácilmente al trazar las tasas de crecimiento fraccional específico, FT y WT. En el momento de máxima generación de calor, el valor de FT cae a valores alrededor de 0.5.
El crecimiento es bueno para un biorreactor operado en las mismas condiciones pero con control de la temperatura en la camisa de enfriamiento con un valor de J de 2 porque la temperatura de los sólidos se controla dentro de límites razonables, es decir, la temperatura de los sólidos se mantiene dentro de las condiciones para las cuales FT es superior a 0,9.
Como algunos experimentos en los que se humidificó el aire de entrada, pero no se logró saturarlo, la actividad de entrada de agua en el aire se establece en 0.9. La simulación no pretende describir los resultados de dicho experimento directamente, pero es interesante comparar los resultados.
El crecimiento es pobre para una fermentación realizada sin ningún control de la temperatura del agua de enfriamiento porque se alcanzan temperaturas tan altas como 47.5 ° C en la cama. Tenga en cuenta que el uso de aire seco hace que la cama se seque lo suficiente como para provocar la adición de agua, que ocurre a las 36 h. Esto alivia la limitación hídrica del crecimiento, que se vuelve bastante severo en este momento.
El crecimiento es mucho mejor porque esta estrategia logra controlar la temperatura de los sólidos, que no supera los 35,7 ° C. Algunos expertos también investigaron el enfriamiento de paredes, y se realizó una simulación con un valor de J de 30. Esto lleva a temperaturas del agua tan bajas como -0.5 ° C (que requieren la adición de anticongelante al agua de refrigeración), ya temperaturas de la pared tan bajas como 16.9 ° C. Esas bajas temperaturas del agua de refrigeración no son imposibles de obtener en el laboratorio, pero pueden ser demasiado costosas a gran escala. Tenga en cuenta que estas predicciones coinciden en términos generales con otras investigaciones, donde se tuvo que controlar la temperatura de la pared a valores tan bajos como 18 ° C para mantener la temperatura del lecho en torno a los 35 ° C.