Densidades en procesos de biorreactores

Densidad de partículas

Puede ser útil conocer la densidad de las partículas de sustrato preparadas ya que, ,este parámetro se puede usar en una estimación de la porosidad del lecho. Sin embargo, la densidad de partículas del sustrato no es necesariamente un parámetro fácil de determinar. Si las partículas preparadas no absorben agua y por lo tanto no se hinchan rápidamente cuando entran en contacto con el exceso de agua, un método puede ser inundar una muestra de partículas con agua dentro de un recipiente, como un cilindro de medición. La densidad de la partícula del sustrato se puede calcular como:

donde _mtotal es la masa del sistema después de la inundación (g), m_container es la masa del contenedor vacío (g), m_w es la masa del agua añadida para inundar el lecho (g), V_total es el volumen total de los inundados lecho (L), _w es la densidad del agua (g L^-1), y m_s es la masa de las partículas del sustrato (g). La ventaja de utilizar este sistema de unidades es que dará el valor numérico correcto de la densidad del sustrato en SI (ya que g L^-1 es equivalente a kg m^-3).

Densidad de empaque de la cama

A menudo es necesario conocer la densidad aparente del lecho, es decir, la densidad de relleno del lecho (_b). Esto relaciona la masa del lecho con el volumen que ocupará la cama. Se puede determinar experimentalmente empacando el sustrato, preparado de manera idéntica a la preparación para la fermentación, para llenar un recipiente de volumen conocido (V, litros) y masa, y volver a pesar. La diferencia entre las masas del contenedor cuando se empaqueta con sustrato y cuando está vacío es la masa empaquetada de la cama (m_p, g). Por supuesto, el proceso de empaquetado también debe ser idéntico al que se usa en la fermentación. La densidad de empaque se calcula entonces como:

donde b tiene las unidades de g L^-1. Una vez más, la ventaja de utilizar este sistema de unidades es que dará el valor numérico correcto de la densidad de empaquetamiento en SI (ya que g L^-1 es equivalente a kg m^-3). Tenga en cuenta que la densidad de empaquetamiento también puede ser calculada si se conocen tanto la porosidad del lecho (m³-huecos m^-3-cama) como la densidad de las partículas del substrato (_s, kg m^-3):

donde _a es la densidad del aire. Típicamente, el segundo término en el lado derecho hará solo una contribución menor, ya que la densidad del aire es típicamente de dos a tres órdenes de magnitud menor que la densidad de las partículas del sustrato. Sin embargo, no es una cuestión simple determinar la porosidad y sería más común usar esta ecuación para dar una estimación de la porosidad. El valor de _b cambiará durante la fermentación, por una variedad de razones:

• la agitación afectará la estructura de la cama;
• el crecimiento de hifas entre partículas afectará la estructura del lecho;
• el proceso de crecimiento típicamente afectará el tamaño y la densidad de las partículas;
• los cambios en el contenido de humedad de la cama afectarán el tamaño y la densidad de las partículas.

Poco trabajo se ha hecho para caracterizar tales cambios durante los procesos de biorreactores SSF. A menudo se supone que el volumen total de la cama no cambia. Esto podría ocurrir si el principal nutriente no es un polímero estructural de la partícula del sustrato, de modo que el tamaño de la partícula cambia poco durante la fermentación, incluso cuando los nutrientes se convierten en CO2. Sin embargo, si cambian tanto el tamaño de partícula como la densidad, la densidad de empaquetamiento cambiará de una manera compleja; estos cambios deben medirse experimentalmente. Algunos expertos estudiaron el efecto del contenido de humedad en un parámetro relacionado con la densidad del lecho, es decir, el volumen empaquetado específico sobre una base seca (V_P, m³ kg-materia seca^-1).

Prepararon una masa conocida de sustrato sólido húmedo (mb, g), lo empacaron de manera idéntica al empaque utilizado para la fermentación, midieron el volumen ocupado por este lecho húmedo (V_m, L), lo secaron y luego midieron el volumen ocupado por el lecho seco (V_d, L). El factor de contracción (S, m³-lecho seco m^-3-lecho-húmedo) se puede calcular directamente como la relación de los dos volúmenes (es decir, V_d / V_m) ya que la cantidad de materia seca en las muestras húmedas y secas es idéntico. La contracción fue insignificante o menor para los soportes sólidos diseñados para ser impregnados con una solución nutritiva, como el cáñamo (S = 1.0), el bagazo (S = 1.0) y la perlita (S = 0.9). En el caso de la avena, la contracción fue bastante significativa (S = 0.55). Por supuesto, en una fermentación real, la cama no podría secarse por completo, pero posteriormente en algunos otros sí mostraron que el valor de V_P de partículas de avena puede caer hasta en un 30% (de aproximadamente 0.0020 a aproximadamente 0.0015 m3 kg-materia seca-1) ya que el contenido de humedad cae desde 1.1 kg-agua kg-seca -material ^-1 a 0.57 kg-agua kg-materia seca^-1, se espera una caída de esta magnitud durante la fermentación en lecho compacto con este sustrato para la producción de esporas del hongo de control biológico Coniothyrium minitans.