Diseño y operación óptimos de las camas tradicionales en biorreactores.

En artículos anteriores se mostró que las variables de diseño y operación que pueden manipularse para los fermentadores tradicionales de lecho empacado son la temperatura y caudal del aire de entrada, la presencia de una camisa de agua y la temperatura del agua en esta chaqueta, y la altura y ancho de el dispositivo. El modelo se puede utilizar para investigar el efecto de algunas de estas variables de diseño y funcionamiento en el rendimiento del biorreactor. No puede describir el efecto del ancho del fermentado o de una camisa de agua ya que no describe la eliminación de calor por conducción normal a la dirección del flujo de aire.

En las simulaciones presentadas en esta ocasión, en las que solo se considera el efecto de la temperatura sobre el crecimiento, el objetivo es minimizar los gradientes de temperatura para mantener la temperatura promedio lo más cerca posible de la temperatura óptima para el crecimiento y la formación del producto. Los efectos de la altura del lecho, la tasa de aireación y la temperatura del aire están interrelacionados, pero, en las subsecciones que siguen, se realizarán cambios uno por vez para aclarar la contribución de cada variable individual.

Efecto de la temperatura del aire de entrada. La temperatura del aire de entrada puede reducirse por debajo del óptimo para el crecimiento a fin de combatir el aumento de temperatura que ocurre dentro de la cama. Sin embargo, es importante no mantener la temperatura del aire a un valor constante bajo durante la fermentación. Durante las etapas iniciales de la fermentación, la temperatura del aire debe permanecer cerca del óptimo para no retrasar el crecimiento inicial. Por lo tanto, en las simulaciones mostradas en la siguiente imagen, se incluyó un esquema simple de control de temperatura en el modelo:

donde K es un factor que determina por cuánto se reduce la temperatura del aire de entrada (T_in) para un aumento dado de la temperatura del aire de salida (T_out) por encima de la temperatura óptima para el crecimiento (T_opt).

Esta estrategia hace que la temperatura en el lecho varíe alrededor del óptimo para el crecimiento (Gráfica (a)). En el momento de máxima producción de calor, el perfil de temperatura axial es realmente más pronunciado que para la aireación con el aire de entrada en T_opt: la imagen (a) muestra una diferencia de casi 15 ° C entre la entrada y salida de aire, en comparación con 10 ° C en la figura parta (a). Sin embargo, la desviación máxima de la temperatura óptima para el crecimiento (38 ° C) es solo de 7.5 ° C, y la desviación promedio de T_opt es también más pequeña, porque el gradiente axial se extiende a la temperatura óptima. Esto lleva a las predicciones correspondientes de un mejor crecimiento

Efecto de la tasa de flujo de aire de entrada. Duplicando la tasa de flujo de aire (es decir, aumentando la velocidad superficial del aire de 0,05 a 0,1 m s-1) en ausencia de cualquier control de la temperatura del aire, se predice que el rendimiento del aparato mejorará significativamente. Al aumentar el caudal de aire, disminuye el gradiente del perfil de temperatura axial: la temperatura más alta alcanzada disminuye de 48 ° C a 45 ° C y, como resultado, el los perfiles de crecimiento en las diferentes regiones de la cama están más cerca del perfil óptimo.

No se ha realizado ningún trabajo para investigar los límites superiores de las velocidades superficiales que pueden usarse en los biorreactores de lecho fijo, y este modelo no tiene en cuenta las caídas de presión. Obviamente, cuanto mayor sea la tasa de flujo de aire, mayor será el costo operativo, no solo porque se debe suministrar más aire, sino también porque la caída de presión es mayor. Por lo tanto, será necesario encontrar un óptimo económico entre el rendimiento mejorado del lecho empacado y el aumento de los costos operativos. La mejor estrategia podría ser aumentar la tasa de flujo de aire solo durante el período de producción máxima de calor. En este caso, la fluidización de las partículas en el lecho no será un problema, ya que el microorganismo unirá las partículas entre sí antes de que se usen altas velocidades de flujo de aire. Sin embargo, es posible que la caída de presión sea suficientemente alta para que todo el lecho tricotado sea expulsado del biorreactor.

Efecto de la altura del biorreactor y la tasa de crecimiento específico de hongos. Obviamente, con todas las condiciones de operación mantenidas constantes, la altura del biorreactor afectará la temperatura máxima alcanzada, debido a la presencia inevitable de un gradiente de temperatura axial. A su vez, esto afectará el rendimiento del biorreactor. La altura del biorreactor afecta el tiempo para que la concentración media de biomasa (es decir, promediada en todo el lecho) alcance el 90% de la concentración máxima de biomasa. Este tiempo se denota como t₉₀: cuanto mayor sea el valor de t₉₀, menor será el rendimiento de la fermentación. Este criterio se utiliza para comparar biorreactores ya que, para la cinética de crecimiento logístico, en una amplia gama de parámetros microbianos y del sistema, la productividad de la fermentación, en términos de g-biomasa m^-3-biorreactor h^-1, alcanza un máximo cuando el la biomasa alcanza alrededor del 90% de su valor final. De hecho, t⁹⁰ es inversamente proporcional a la productividad. Las simulaciones se realizaron para diferentes tasas de crecimiento específicas.

El valor de t⁹⁰ aumenta aproximadamente de forma lineal con la altura del biorreactor. Esto ocurre porque cuanto mayor es la altura, mayor es la desviación promedio de la temperatura respecto del óptimo para el crecimiento. El valor para la altura cero es el tiempo que le llevaría a la biomasa alcanzar 0.9X_m si todo el biorreactor se mantuvo a la temperatura óptima para el crecimiento durante todo el período.