Patrones al mayor de flujo de gas y caídas de presión

Relativamente se ha prestado poca atención a los patrones de flujo de gas en fermentadores biorreactores SSF. Pero daremos los principios generales. Básicamente, hay dos extremos para patrones de flujo de gas: en un extremo, la fase de gas se mezcla bien y en el otro se somete a flujo de piston. En el caso de flujo de pistón, está la cuestión de la dispersión axial: si un enchufe delgado de moléculas de gas de colores se introduce en el bioreactor ¿qué podría salir en el otro extremo? Una delgada conexión del mismo grosor? Ciertamente, la difusión hace el enchufe más amplio y difuso, y otros fenómenos, como el flujo a través de vías más complicadas, puede aumentar la cantidad de dispersión. En este caso, el flujo se conoce como «flujo de pistón con dispersión axial». En biorreactores reales los patrones de flujo pueden ser más complicados, con la posibilidad de espacios muertos, turbulencia y flujo de retorno.

El fenómeno de la caída de presión se presenta debido a la viscosidad del aire. El aire tiende a pegarse a las superficies en la cama, tales como la superficie de la partícula, la superficie de cualquier biopelícula que crece en la superficie de las partículas y las superficies de cualquier hifas en crecimiento en los espacios entre las partículas. Esto retarda el flujo de aire, debido a la pérdida de energía por fricción viscosa entre las diversas capas de aire. El aire aún debe fluir a través de la columna a una velocidad constante, por lo que esta resistencia al flujo no disminuya la energía cinética del aire, sino más bien disminuye la presión del aire. En otras palabras, la presión del aire cae mientras un gas fluye a través de una columna o lecho. Con el fin de abandonar de la salida, el aire que sale del biorreactor debe ser ligeramente superior a la presión barométrica (si el biorreactor está abierto al aire) o incluso a una presión más alta (si el gas de salida pasa a través de un filtro antes de entrar en el entorno). Cuanto mayor sea la resistencia al flujo, mayor es el gradiente de presión a través del lecho y mayores son los costes de bombeo de aire a través de la cama. Por supuesto, al pasar de una columna vacía a una columna rellena con un lecho de partículas, el área de superficies sólidas aumenta drásticamente. Aumenta aún más cuando un hongo en la superficie de la partícula sólida comienza a llenar los huecos con hifas aéreas.

Si por alguna razón la resistencia no es uniforme, entonces el aire puede seguir caminos preferenciales: una mayoría del aire puede fluir a través de regiones de baja resistencia, mientras que el aire apenas fluya a través de las regiones de alta resistencia, lo que significa que en estas áreas de suministro O2 se limita a la difusión y la eliminación de calor está limitada a la conducción, la misma situación que se produce en las bandejas.

Debido a estos fenómenos, se esperaría que el flujo laminar en una columna sin relleno, al menos a las velocidades de flujo de aire que se utilizan típicamente en lechos de relleno, con cada capa de aire que fluye a una velocidad diferente.

Habría un perfil de velocidad parabólico, con la tasa de flujo al ser más rápido en el centro de la columna y más lento cerca de la pared. De hecho, la velocidad es cero justo en la pared, ya que un límite estático de las moléculas de gas se absorbe a la pared. La situación es muy diferente cuando la columna está llena de partículas de sustrato. El aire debe pasar a través de vías difíciles, casi con la misma resistencia a través de toda la columna, que tiende a igualar el perfil de velocidad a través del biorreactor, de tal manera que el régimen de flujo se aproxima a flujo de pistón.

Los patrones de mezcla en agitados en camas de Sólidos

Los patrones de mezcla que se producen dentro camas de partículas de sólidos húmedos dentro de biorreactores SSF han recibido relativamente poca atención.