El Desafío de operación a escala ascendente para biorreactores

Después de haber visto los diversos tipos de bioreactore fermentadores utilizados en SSF y los fenómenos de transporte que se producen dentro de ellos, vamos a la cuestión de cómo las limitaciones en la eficiencia de los fenómenos de transporte dentro del biorreactor hacen que sea casi imposible de operar biorreactores a gran escala de tal manera que las condiciones dentro de la cama sustrato se mantienen durante todo el proceso a los valores óptimos para el crecimiento y formación del producto.

¿Es realmente difícil diseñar un biorreactor SSF a gran escala operando de manera eficiente? En el caso de SLF, hay ejemplos de operación con éxito de biorreactores de cientos de miles de litros. ¿Por qué no podemos hacer lo mismo para los procesos en biorreactores SSF? ¿O si podemos? La respuesta es que los retos en la operación de un biorreactor de varios cientos de miles de litros son típicamente más difíciles de superar en la SSF que en el SLF, y no es asunto fácil desarrollar biorreactores eficientes SSF a gran escala. Esta dificultad, a menudo referida como «el problema de la escala ascendente», se plantea a continuación.

Los desafíos que enfrentan a gran escala en SFL y SSF

El principal desafío en la ampliación de los procesos de fermentación aeróbica sumergida en líquido es la transferencia de O2 en el líquido a una velocidad suficiente para obtener altas densidades celulares.

Las estrategias de expansión que abordan esta transferencia, que se caracteriza por el parámetro kLa, han estado durante mucho tiempo disponibles en el área de procesos SFL. Aunque los cálculos de transferencia de calor deben ser hechos, con el fin de proporcionar la suficiente capacidad de enfriamiento, la eliminación de calor no es normalmente una tarea demasiado difícil. Si la superficie exterior del biorreactor no proporciona un área de superficie suficientemente grande para dar la tasa necesaria de eliminación de calor al agua de refrigeración en una camisa de agua, a continuación, un serpentín de enfriamiento puede ser incorporado en el diseño sin causar mucha complicación en la construcción u operación.

Por otro lado, en el caso de SSF, la eliminación de calor es típicamente la principal preocupación. Es más difícil eliminar el calor metabólico residual de un lecho de sólidos en el que la fase inter-partícula está ocupado por aire de lo que es para eliminar este calor a partir de una fase acuosa continua. Hay dos razones para esto:

las propiedades térmicas de una fase acuosa continua, a saber, la conductividad térmica y la capacidad de calor del agua líquida, son superiores a las de un lecho de sólidos húmedos con aire entre las partículas;

Mezclar promueve en gran medida la eliminación de calor al hacer que el medio entre en contacto con las superficies de enfriamiento dentro del biorreactor. Sin embargo, por lo general la mezcla debe ser mínima en biorreactores SSF, por varias razones: En primer lugar, se requiere de insumos más altos de energía para mezclar el lecho de partículas sólidas dentro de un biorreactor de SSF que para mezclar el medio líquido en un biorreactor SLF. En segundo lugar, la presencia de superficies de calor interno de transferencia como placas o bobinas dentro del biorreactor interferirán mucho más con la mezcla de un lecho sólido de lo que será con la mezcla de un medio líquido. Por último, un medio líquido puede ser mezclado bastante bien sin causar fuerzas de corte excesivas, mientras que en un lecho de sólidos en un proceso SSF que implica un hongo, incluso la acción de mezclado mínima causará daño físico significativo para el micelio crece en la superficie de la partículas.

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 La dificultad de eliminación de calor de biorreactores SSF a gran escala tiene dos consecuencias para el diseño del biorreactor:
• La evaporación puede ocurrir como resultado de que la temperatura se eleve en la cama, y en algunos casos, puede de hecho ser causado deliberadamente, dado que es uno de los mecanismos más eficaces de eliminación de calor. Sin embargo, la evaporación continua puede secar la cama para las actividades de agua lo suficientemente bajo como para restringir el crecimiento. Por lo tanto el mantenimiento de la actividad de agua de la cama se convierte en una consideración que orienta el diseño y funcionamiento.
• Dado que en muchos bioreactores SSF la fase de aire desempeña un papel central en la eliminación de calor y que los tipos de aireación necesarios con el fin de eliminar el calor a una velocidad razonable son más que suficientes para asegurar un suministro de O2 razonable a la superficie de las partículas, el suministro de O2 es típicamente una consideración menor (excepto en camas estáticas sin aireación forzada).
• La siguiente discusión sobre el problema de ampliación, por tanto, se centra en la eliminación de calor como el criterio clave de la ampliación y el mantenimiento de la actividad del agua como una consideración relacionada.