La porosidad en los fermentados (fracción vacía)

La forma en que el lecho del sustrato en su conjunto es importante para determinar la efectividad de la aireación. El empaque afectará el tamaño y la continuidad de los espacios entre partículas, y es a través de estos espacios entre partículas que el O₂ se hace accesible para el organismo en la superficie de la partícula. Estos efectos se caracterizan por la porosidad, es decir, la fracción del volumen total del lecho que está compuesto por los espacios vacíos:

donde V_b es el volumen total ocupado por el lecho (m³), Va es el volumen dentro del lecho ocupado por el aire (m³), y Vs es el volumen dentro del lecho ocupado por las partículas del sustrato (m³).

Cuanto más pequeñas sean las partículas, menor será el tamaño de los espacios entre partículas. Sin embargo, tenga en cuenta que la porosidad global no cambia significativamente, especialmente para partículas esféricas, para las cuales la porosidad es independiente del tamaño de partícula. Por supuesto, el tamaño más pequeño de las partículas provoca mayores caídas de presión cuando se fuerza el aire a través de la masa del sustrato. Esto se debe a la mayor superficie total de sólidos que está presente, lo que hace que la película de gas estático que se encuentra en las superficies sólidas ocupe una mayor proporción del volumen vacío.

Las esferas de tamaño uniforme no pueden empaquetarse de manera que excluyan el aire, incluso cuando están bien compactas. Para las esferas sólidas, la porosidad se puede predecir de manera razonablemente fácil dependiendo de la forma en que se empaquetó el sustrato. Sin embargo, las partículas de sustrato podrían deformarse dentro de la cama debido al peso superpuesto de la cama o debido a la agitación, incluso si fueran originalmente esféricas. Con partículas de tamaño irregular, las partículas más pequeñas pueden tender a llenar los espacios entre partículas que de otro modo estarían vacíos. Esto puede suceder cuando el sustrato libera partículas finas durante el movimiento y la manipulación del sustrato seco. Para sólidos de tamaño y forma irregulares no es posible predecir la porosidad con precisión con ecuaciones simples y debe medirse experimentalmente. Las partículas con grandes superficies planas tenderán a estar en contacto con las superficies planas, excluyendo el O₂ y, por lo tanto, limitando en gran medida la cantidad de crecimiento.

La porosidad del lecho suele aparecer como un parámetro clave dentro de los modelos de biorreactores. Sin embargo, no es necesariamente algo fácil de medir, especialmente en procesos SSF. Si se conoce la densidad de la partícula sólida, puede ser posible estimar la porosidad a partir de la densidad de empaquetamiento del lecho.

Un recipiente de volumen conocido se llena con un lecho de sustrato de la misma manera en que se empacaría un fermentador, y esto se vuelve a pesar para dar el peso del lecho (m_b, kg).

Escribir los términos de volumen en la siguiente ecuación como una masa dividida por una densidad y suponiendo que la masa de aire en el lecho (m_a, kg) hace una contribución insignificante, es posible llegar a una ecuación de la porosidad en términos de la densidad total del lecho (_b , kg m^-3) y la densidad de partícula del sustrato (_s, kg m^-3):

Weber cita varios valores de la porosidad para varios sustratos diferentes: 0,31 para avena, 0,48 para cáñamo impregnado con una solución nutritiva, 0,47 para bagazo impregnado y 0,41 para perlita impregnada. Tenga en cuenta que la porosidad del lecho no es constante durante la fermentación, ya que el microorganismo tenderá a llenar los espacios entre partículas. Esto es especialmente cierto en los lechos estáticos durante el crecimiento de un organismo micelial, donde las hifas aéreas se extienden a los espacios vacíos. Aunque esto ha recibido cierta atención, el fenómeno no ha sido suficientemente estudiado para incorporar estos cambios en la porosidad en los modelos de fermentadores. En cualquier caso, los cambios en la porosidad debidos al crecimiento microbiano no serán un problema si el lecho está agitado, ya que el movimiento de las partículas tenderá a aplastar las hifas en la superficie, y desgarrará cualquier hifa que logre atravesar entre las partículas durante periodos de funcionamiento estático. De hecho, en algunos casos la agitación intermitente se usa no para ayudar en la transferencia de calor, sino para restaurar la porosidad del lecho y, por lo tanto, reducir la caída de presión a través del lecho. La porosidad también puede cambiar a medida que el tamaño y la forma general de las partículas cambian debido al consumo de materia seca.