Fundamentos de Calor y Masa de transferencia en estado sólido de biorreactores

Los fenómenos a macroescala de calor y transferencia de masa juegan un papel importante en la determinación del rendimiento de los biorreactores de la SSF. Por lo tanto, para que un modelo matemático pueda describir el rendimiento de un biorreactor razonablemente, debe describir estos fenómenos. Trataremos de proporciona una visión cualitativa de los diferentes procesos de transferencia de calor y masa a macroescala que se producen en biorreactores fermentadores SSF.

Tenga en cuenta que, en un biorreactor SSF en particular, algunos de los mecanismos de transferencia de calor y masa presentados pueden no estar presentes, y la importancia relativa de los diversos mecanismos que están presentes pueden ser diferentes de un biorreactor a otro. Este artículo se centra en el período de generación de calor alto, cuando es necesario para eliminar la energía de la cama, aunque al principio de la fermentación, puede ser necesario para transferir energía a la cama para mantener la temperatura lo suficientemente alta como para iniciar el crecimiento.

Un balance global sobre los biorreactores fermentadores

El biorreactor puede ser tratado como un todo mediante la elaboración de un límite del sistema alrededor del exterior del dispositivo y sólo teniendo en cuenta los intercambios de masa y energía entre el aparato y su entorno. La corriente de aire lleva masa (N2, CO2, O2, y vapor de agua) y la energía de entrada y salida del biorreactor, con la cantidad de energía transportada en función de su humedad y temperatura. La tendencia es que el aire para salir más caliente y que transporte más agua que cuando entró, y tanto a temperatura más alta y mayor humedad contribuye a la eliminación de calor total del biorreactor.

La composición del aire puede ser diferente en la entrada y salida de aire. El aire de salida es probable que tenga más CO2, menos O2, y más agua que el aire de entrada.

Por lo tanto, en términos de transferencia de masa, el efecto del flujo de aire es no sólo para proporcionar O2 y eliminar el CO2, sino también para secar el biorreactor. Tenga en cuenta que es casi imposible evitar este efecto de secado si el aire se calienta a medida que pasa a través del biorreactor.

La energía puede ser intercambiada por transferencia de calor por convección entre la pared biorreactor y sus alrededores, lo que podría ser aire o podría ser agua de refrigeración en una camisa de agua. La convección de calor desde el exterior de la pared biorreactor se producirá por convección libre si la pared exterior del biorreactor está en contacto con el aire circundante y no hay flujo forzado de este aire más allá del biorreactor.

Si el biorreactor está encamisado y el agua se bombea a través de la camisa, o si se sopla aire allá de la superficie del biorreactor, entonces el calor se elimina por convección forzada. La importancia de la contribución de esta transferencia de calor a la extracción de calor global depende de la escala del biorreactor. En el laboratorio, los pequeños biorreactores tienen grandes relaciones superficie-volumen, y esta eliminación de calor puede hacer una gran contribución. A gran escala, la relación de área superficial a volumen será menor; por lo tanto, la contribución de este mecanismo para la eliminación de calor en general puede ser muy pequeña o incluso despreciable. El cambio en la energía del biorreactor en sí mismo se manifestará como un cambio de temperatura («energía sensible») o un cambio en la fase de agua entre los estados líquido y vapor dentro del lecho («energía latente»).

Cada tipo de biorreactor tiene tres subsistemas, la pared de biorreactor, la cama sustrato, y los gases del espacio de cabeza. La propia cama sustrato se puede tratar como dos fases separadas, las fases sólida y de aire, o puede ser tratado como una sola fase pseudohomogenea con las propiedades promedio de las fases sólida y de aire.

La disposición de los subsistemas y su importancia relativa varía con los tipos de biorreactores fermentadores. Gran variedad de fenómenos de transferencia de calor y de almacenamiento de energía se producen dentro y entre estos subsistemas.

La temperatura media de cada subsistema puede aumentar o disminuir, lo que representa un cambio en la cantidad de energía almacenada en el subsistema. Otros fenómenos importantes que ocurren dentro de cada uno de los subsistemas los plantearemos en otra oportunidad.