Modelos actuales de biorreactores como herramientas en escalado

Ya se han propuesto modelos matemáticos para los diversos tipos de biorreactores que se utilizan en SSF. Tiene sentido aprovechar estos modelos, por imperfectos que sean. En esta etapa, es muy probable que muchos de los parámetros, como los coeficientes de transferencia y las propiedades del lecho del sustrato, se basen simplemente en los valores de la literatura para sistemas similares. Puede ser apropiado mejorar uno o más de los. Idealmente, los biorreactores a escala de laboratorio deben ser operados de tal manera que imitan cualquier limitación que prevalezca a gran escala y las predicciones del modelo cuidadosamente validadas contra el rendimiento de estos biorreactores. Los desacuerdos entre el rendimiento previsto y el real deberían estimular una investigación de la causa, que podría ser la forma matemática de las ecuaciones, pero también podrían ser los valores utilizados para algunos de los parámetros del modelo.

Las simulaciones con los modelos apuntarán a qué biorreactor tiene el mejor potencial para proporcionar un control apropiado de la temperatura del lecho y del contenido de agua a gran escala. Una vez que se ha seleccionado un biorreactor, el modelo apropiado representa entonces una herramienta muy útil para tomar decisiones acerca del diseño (por ejemplo, aspecto geométrico) y condiciones operativas (por ejemplo, caudal de aire). Se debe prestar mucha atención a la cuestión de si las condiciones de operación necesarias para un buen desempeño en las simulaciones son prácticas para lograr a gran escala.

Es aconsejable proceder a una escala intermedia entre la escala de laboratorio y la escala de producción final, aunque esto no siempre se ha hecho. En cualquier caso, una vez que se ha construido una versión a mayor escala del biorreactor seleccionado, es esencial volver a validar el modelo, ya que es posible que la importancia relativa de los diversos fenómenos de transferencia de calor y masa cambie con el aumento de la escala. Los fenómenos que no eran importantes a pequeña escala y que por lo tanto no estaban incluidos en el modelo podrían convertirse de repente en algo importante a gran escala. En este caso, el modelo probablemente no describirá el rendimiento a gran escala con una precisión razonable. Si es necesario, el modelo debe ser mejorado. Los valores de los parámetros también deben determinarse con cuidado. Por ejemplo, puede ser necesario determinar el coeficiente de transferencia de masa cama-aire que se consigue realmente dentro del biorreactor de escala de producción en lugar de basarse en estimaciones basadas en correlaciones dadas.

Uso del modelo en esquemas de control

Una vez que el biorreactor se ha construido con la ayuda del modelo, el modelo, mejorado a la luz de los datos obtenidos a gran escala, sigue siendo útil. Es muy probable que el rendimiento del biorreactor se mejore significativamente mediante la implementación de estrategias de control y el modelo también puede desempeñar un papel útil en el desarrollo del esquema de control. Por ejemplo, el esquema de control propuesto puede inicialmente ser probado y ajustado con el modelo, que es obviamente mucho más barato que hacer esta prueba inicial y sintonización con el propio biorreactor. El modelo puede incorporarse al sistema de control que se utiliza para controlar el biorreactor.

La Anatomía de un Modelo

Por lo tanto, los modelos pueden y deben jugar un papel central en el desarrollo de biorreactores a gran escala de SSF. El resto de este artículo ofrece una visión general de la estructura de los modelos matemáticos y la forma en que se desarrollan. El objetivo no es enseñar a aquellos que no tienen experiencia en modelar cómo construir y resolver modelos, sino más bien para aumentar su capacidad de interactuar con un experto en modelado en el proceso de modelado.

La estructura de un modelo se presenta en términos de un estudio de caso de un modelo simple de un biorreactor de SSF bien mezclado. La figura final muestra el biorreactor, destacando los diversos fenómenos descritos por el modelo.

Varios símbolos aparecen en estas ecuaciones, representando diferentes cantidades. Estas cantidades son de tipos fundamentalmente diferentes, o, en otras palabras, los diversos símbolos representan un rango de variables de estado, variables independientes, variables operativas y parámetros.

Variables de estado. Estos representan propiedades variables del biorreactor, o las diversas fases dentro del biorreactor. Por ejemplo, las variables de estado dentro del modelo de biorreactor de SSF bien mezclado son la temperatura del lecho de sustrato (T) y la cantidad de biomasa en el biorreactor (X). Se les llama variables de estado porque, en conjunto, los valores de todas estas variables en un instante en particular describen el estado del sistema en ese instante. Son variables porque sus valores varían según cambian las variables independientes.