Bioreactores mezclados intermitentemente a escala de laboratorio

De hecho, hay muy pocos informes sobre el uso de mezclas intermitentes en fermentadores con aireación completa a escala piloto. El lecho de 7,6 cm de diámetro de Silva y Yang podía ser operado en modo continuo o intermitentemente. El chorro intermitente dio mejores resultados, presumiblemente debido al menor daño de cizallamiento causado al organismo en comparación con el chorro continuo.

Perspectivas sobre los fenómenos de mezcla y transporte en los biorreactores del grupo IVb

Los equipos mezclados intermitentemente son típicamente estáticos para la mayor parte de la fermentación y por lo tanto los principios de transferencia de calor y masa en ellos tienen muchas similitudes con los de los dispositivos de lecho empaquetado, o sea, gradientes de temperatura axiales y posiblemente radiales, la magnitud de que dependerá de la combinación de altura del lecho, velocidad superficial del aire y crecimiento microbiano. Las variables de funcionamiento que mezclan intermitentemente tienen además de los de lecho empacado incluyen la humedad del aire de entrada, la estrategia para iniciar eventos de mezcla (que afecta su frecuencia) y la duración e intensidad de los eventos de mezcla.

Poco trabajo se ha hecho para caracterizar cuantitativamente el daño que causa la mezcla intermitente al microorganismo y la velocidad de recuperación, o no, del microorganismo después de la mezcla. Schutyser informó una disminución de aproximadamente de 10% en la tasa de consumo de O2 inmediatamente después de mezclar los eventos en su biorreactor intermitentemente agitado, aunque en realidad no mostraron los resultados.

Schutyser también investigó el momento del primer evento de agitación, concluyendo, al menos en el caso de hongos que producen cantidades significativas de hifas aéreas, que un evento de mezclado temprano debería programarse para prevenir la formación de agregados unidos de partículas de sustrato. Si se permite que estos agregados se formen, entonces serán difíciles de romper en sucesos de mezcla posteriores y el suministro de O2 a las superficies de partículas dentro de los agregados se restringirá grandemente.

Se demostró que para el crecimiento de Aspergillus oryzae en trigo, este evento de mezcla «hifa-disrruptiva» será necesario antes de que sea necesario hacer la primera adición de agua, incluso si la evaporación es el único mecanismo de refrigeración.

Ha habido poco esfuerzo para caracterizar experimentalmente los fenómenos de transferencia de calor y masa asociados con el modo de funcionamiento intermitente de mezcla, aunque el estudio de modelado de Ashley sugiere que este modo de operación puede conducir potencialmente a que se alcancen temperaturas superiores a las que serían obtenidas en funcionamiento completamente estático (es decir, en lecho relleno). Inmediatamente antes de un evento de mezclado, el perfil de temperatura en el biorreactor es idéntico al que se esperaría para el funcionamiento en lecho empaquetado. En esta situación, la velocidad de eliminación de calor es uniforme a las diferentes alturas dentro del lecho.

Inmediatamente después de un evento de mezclado, debido a la ausencia de un gradiente de temperatura axial, el efecto de enfriamiento se concentra en la parte inferior del aparato. Como resultado hay una transferencia de calor significativa al aire, calentándola hasta tal grado que es ineficaz en enfriar la parte superior del lecho. Esto permite que la parte superior del sistema se caliente, ya que en esta región el calor metabólico no se elimina tan rápido como se produce. El efecto de enfriamiento recorre el fermentador como un «frente de onda». Bajo las condiciones simuladas, se tarda alrededor de 20 minutos para que el efecto de enfriamiento llegue a la parte superior del equipo fermentador, tiempo durante el cual la temperatura ha aumentado a un valor superior a 2ºC más alto que el valor para la operación de lecho empaquetado. Una vez que este enfriamiento «frente a la onda» llega, la temperatura regresa al valor para el funcionamiento en lecho empacado.

Las caídas de presión típicamente no serán un problema crucial en los desarrollos mezclados intermitentemente, forzosamente, ya que la mezcla intermitente tenderá a interrumpir las hifas entre partículas que se desarrollan durante los periodos estáticos y aplastan las hifas aéreas sobre la superficie de las partículas del sustrato. Después de un evento de mezcla, la caída de presión a través del lecho será típicamente significativamente menor que la caída de presión antes del evento de mezclado. En algunos casos, el evento de mezcla se ha disparado exactamente por esta razón, es decir, para reducir la magnitud de la caída de presión a través del lecho.

Parece que los fermentadores mezclados intermitentemente y con aire fuerte tienen cierto potencial, a juzgar por el hecho de que varios procesos que involucran biorreactores que operan en este modo se han demostrado a una escala razonablemente grande. Parecen ofrecer algunos beneficios en el control de las condiciones dentro de la cama, mientras que minimizar los efectos perjudiciales que la mezcla continua puede tener, al menos para los procesos fúngicos.

Con base en lo que se sabe hasta la fecha, parecería que la mejor estrategia no es tratar de usar la mezcla de la cama directamente como una estrategia de control de la temperatura. Para fermentaciones fúngicas, tal estrategia conduciría a eventos de mezcla intolerablemente frecuentes. Por el contrario, los eventos de mezcla deben ser utilizados para:

Evitar la adición indebida de las partículas del sustrato, las caídas de presión indebidamente altas y la aparición de grietas y canales en el lecho;

Reponer el agua en la cama para evitar que las actividades de bajo nivel de agua en la cama sean uno de los factores que limitan el crecimiento. Por lo tanto, los intentos de controlar la temperatura en tales sistemas de biorreacción deberían centrarse en la manipulación de la temperatura, la humedad y el caudal del aire de entrada. Éstos no han sido explorados en gran medida, pero con el tiempo presentaremos un modelo matemático de un fermentador intermitentemente mezclado, vigorosamente aireado que se puede utilizar para explorar la cuestión de la mejor manera de operarlos con el fin de controlar la temperatura.