Fenómenos que ocurren dentro del sustrato base

Varios fenómenos de masa y relacionados con la energía se producen dentro del lecho de sustrato. Los fenómenos mencionados aquí son para una cama estática de sustrato tratado como una sola fase pseudo-homogénea. La situación en la que el aire y fases sólidas en el lecho lo trataremos en otra occasion

La producción de calor metabólico. La cama es el sitio de crecimiento microbiano, y por lo tanto el sitio de producción de calor metabólico.

Conducción. Esto ocurre en respuesta a gradientes de temperatura, con la energía que fluye desde las regiones más cálidas a las regiones más frías. Dependiendo del biorreactor, los gradientes de temperatura importantes pueden existir en ninguna, una, dos, o tres dimensiones. Esta conducción se produce a un ritmo diferente a través de las fases sólida y de aire, así que por lo general es útil considerar la cama como si se tratara de una sola fase con las propiedades medias del aire y el sólido (un promedio ponderado de masas). La conducción es por lo general de menor importancia si la cama se airea o es mezclada enérgicamente.

Difusión. Los componentes de la fase de gas (O2, CO2 y vapor de agua) se difundirán dentro de los espacios entre las partículas en respuesta a gradientes de concentración. Típicamente, la contribución de la difusión a la transferencia de masa a través de la cama de sustrato sólo es importante en biorreactores de tipo bandeja bioreactores.

La transferencia de calor por convección. Esto ocurre si la cama se airea con fuerza. Como el aire se mueve a través del lecho, la energía se transfiere a ella desde la fase sólida, incrementando la temperatura y por lo tanto la energía del aire. Puesto que el aire se mueve a través del lecho, se lleva la energía desde el sitio de producción, y esto representa un flujo mayor de energía a través de la cama. Tenga en cuenta que la transferencia de calor por convección en una cama sin mezcla conduce al establecimiento de gradientes de temperatura axiales.

Evaporación. El agua se evapora del sólido en la fase de aire, la eliminación de la energía de la fase sólida en forma de la entalpía de vaporización.

El grado de evaporación depende de la saturación del aire, pero incluso si se utiliza aire saturado para airear un biorreactor, si aumenta la temperatura del aire mientras que el aire se encuentra dentro de la cama, la capacidad de transporte de agua del aire aumenta.

Cuando la cama es tratada como una sola fase pseudo-homogénea, la evaporación representa un cambio de fase dentro del subsistema y no transfiere entre los subsistemas.

Transferencia de masa por convección. A medida que el aire fluye a través de un lecho aireado con fuerza lleva vapor de agua, O2, CO2 y con él, que representa los flujos a granel de estos componentes. La importancia de las corrientes de convección naturales en contribuir al calor y la transferencia de masa dentro de camas que no se airean con fuerza no se ha investigado.

Fenómenos que ocurren dentro del espacio de cabeza

Normalmente los gases del espacio de cabeza están fluyendo, ya que, incluso en los biorreactores en los que la cama en sí no se airea con fuerza, el aire se hace circular normalmente a través del biorreactor de tal manera que se mueve transversalmente a través de la superficie del lecho. En biorreactores aireados con fuerza el flujo es normal a la superficie de la cama, es decir, el aire que sale de la cama se mueve perpendicularmente lejos de la superficie de la cama (aunque en este tipo de biorreactor, una vez que el aire ha salido de la cama, se presta poca atención a ella ). En cualquier caso, este flujo mayor lleva no sólo energía con él, sino también O2, CO2 y vapor de agua. Con este movimiento en masa del aire, la conducción y difusión típicamente hará contribuciones insignificantes al calor y transferencia de masa dentro de la fase de espacio de cabeza.

Fenómenos que ocurren dentro de la pared del bioreactor

El calor se transfiere a través de la pared del fermentador por conducción si hay un gradiente de temperatura a través de ella.

Tenga en cuenta que, dependiendo del gradiente de temperatura, la conducción no necesariamente se produce directamente desde el interior hacia el exterior. Por ejemplo la conducción se puede producir a partir de una región más caliente de la pared del fermentadoren contacto con el lecho de sustrato a una región más fría de la pared del biorreactor en contacto con los gases del espacio de cabeza. La distribución de temperaturas en las paredes de biorreactores fermentadores SSF y su influencia en la conducción ha recibido casi ninguna atención

La transferencia entre los subsistemas cuando la cama de sustrato se trata como una fase única Pseudo-Homogénea

La transferencia de calor se puede producir entre cualquiera de las tres fases, la cama sustrato, los gases del espacio de cabeza, y en la pared biorreactor. En todos los tipos de biorreactores, el calor puede ser transferido por conducción desde la cama sustrato a la pared. Además, habrá transferencia de calor por convección entre los gases de espacio de cabeza y la pared del biorreactor, la dirección de esta transferencia de calor dependerá de las temperaturas relativas de estas fases. La transferencia de calor y masa entre la cama y el espacio de cabeza dependerá de cómo se airea el biorreactor:

En biorreactores fermentadores que se airean con fuerza, el flujo de convección del aire que sale de la cama y entra en el espacio de cabeza lleva la energía y la masa (vapor de agua, O2, y CO2) a través del límite subsistema. En este caso la mayoría del vapor de agua que sale del lecho ya estaba en la fase de vapor.

En biorreactores donde el aire solamente se hace circular más allá de la superficie del biorreactor fermentador, la transferencia de calor y masa se produce por conducción y difusión a través de una capa de gas estática en la superficie de la cama, a la del aire en circulación más allá de la cama.

En este caso la mayor parte del CO2 y O2 se intercambiarán entre los espacios entre las partículas y el espacio de cabeza, mientras que una cantidad significativa de agua puede evaporarse de las partículas de sustrato expuestas.

La transferencia entre los subsistemas cuando la cama del sustrato se trata como dos fases separadas

En algunos casos la cama de sustrato no es tratada como una sola fase pseudo-homogénea, sino más bien como dos fases separadas. De hecho, esto es necesario en aquellos casos en los que no es razonable suponer que las partículas de sustrato y del aire entre las partículas están en equilibrio térmico y de humedad. La transferencia de oxígeno entre la fase sólida y gas entre las partículas ha recibido alguna atención. Hasta hace poco, kLa se utilizó como el parámetro de transferencia, en analogía con SLF. Sin embargo, los dos sistemas son diferentes. En SLF, la principal barrera al transporte de O2 reside en una película líquida delgada alrededor de cada burbuja, y no hay biomasa, por lo tanto no hay consumo de O2 dentro de esta película. Más bien, la biomasa se encuentra dentro de una fase abultada bien mezclada. En SSF, la etapa limitante es la difusión dentro de la biopelícula estática en la superficie del sustrato, y la difusión y el consumo simultáneo se produce en este biofilm.

Por lo tanto kLa no es el parámetro adecuado para caracterizar la transferencia de O2 en la SSF. En lugar de ello la conductivida del biofilm d, KFA, se debe utilizar. Se debe tener en cuenta la difusividad de O2 dentro de la biopelícula y el espesor de la parte aeróbica del biofilm, y por lo tanto es muy probable que cambie durante la fermentación. La conductividad de biofilm (KFA) podría ser capaz de ser utilizada para comparar la influencia de diversos parámetros de funcionamiento en la transferencia de masa de O2 en un sistema dado, pero no se puede usar para comparar el rendimiento de los diferentes sistemas de microbio / sustrato. Esto contrasta con el auto, en el que la arcilla se puede utilizar para comparar la eficacia de la transferencia de O2 en sistemas muy diferentes. La cuestión de la transferencia de O2 se complica aún más por el hecho de que las hifas aéreas, es decir, las hifas expuestas directamente al aire dentro de la fase gas de inter-partículas, puede en algunos casos hacer una contribución significativa a la transferencia global de O2.

La partícula de sustrato, la biopelícula, y la capa de gas estática contribuirán a la resistencia global a la transferencia de calor y agua.

En el caso de transferencia de agua, tenga en cuenta que el agua cambia de fase, ya que deja el sólido, tomando la energía de evaporación desde el sólido. Esto representa un proceso y transferencia de masa combinada de calor. El calor y la transferencia de masa de aire de partículas al aire inter- partículas ha recibido poca atención en SSF, aunque la literatura sobre el secado de alimentos es relevante. En las actividades altas de agua que se encuentran típicamente en SSF, habrá típicamente una película de agua líquida en la superficie y, por evaporación de esta agua, la barrera importante es la película de gas estática que rodea la partícula.