Trabajo de modelado sobre fermentadores de tambor giratorio sin mezcla axial.

Algunos científicos desarrollaron un modelo para describir el funcionamiento de biorreactores de tambor giratorio que tienen grandes relaciones de longitud a diámetro, por ejemplo, similares a los fermentados de tambor giratorio de 11 m de longitud por 1 m de diámetro, y que tienen aireación de extremo a extremo. En dichos fermentadores, la mezcla axial puede hacer una contribución relativamente pequeña, y en el modelo no hubo mezcla axial en el sustrato ni en la fase de aire.

En este modelo, la pared del fermentador no se reconoce como un subsistema separado. No se realiza un balance de agua porque se supone que el agua se agrega periódicamente a la cama para mantener una actividad de agua lo suficientemente alta como para no limitar el crecimiento. Las ecuaciones del modelo son ecuaciones diferenciales parciales, ya que tanto el tiempo como la distancia axial son variables independientes. Las ecuaciones diferenciales parciales se convierten en ecuaciones diferenciales ordinarias mediante la colocación ortogonal.

Se pueden esperar perfiles de temperatura axial significativos, tanto en el lecho del sustrato como en el espacio de cabeza, incluso a pequeña escala. Aunque no se han realizado estudios detallados, las diferencias de temperatura del aire entre la entrada de aire y la salida de aire pueden ser de hasta 4 ° C, en una longitud de biorreactor de 0,85 m. El modelo predice gradientes axiales de temperatura de esta magnitud.

Cuando se opera en modo por lotes, los biorreactores de tambor giratorio y agitado deben diseñarse para promover la homogeneidad axial. La mezcla axial se puede promover teniendo un eje inclinado y elevadores en ángulo que empujan el sustrato a lo largo del tambor. Sin embargo, también se puede lograr hasta cierto punto asegurando que los gases del espacio de la cabeza estén bien mezclados, ya que la convección y evaporación de los gases del espacio de cabeza serán vías principales para la eliminación de calor a gran escala, y una temperatura uniforme dentro del espacio de cabeza tenderá a promover tasas uniformes de eliminación de calor y, por lo tanto, una temperatura uniforme a lo largo del lecho del sustrato. Sin embargo, no es práctico insertar un ventilador dentro del espacio libre. La otra opción es introducir y eliminar aire a lo largo de toda la longitud axial.

Debido a la importancia del enfriamiento por evaporación a gran escala, será necesario agregar agua al sustrato durante la fermentación. Esto requerirá tuberías internas con boquillas de pulverización.

Las predicciones del modelo sugieren que los coeficientes de transferencia de masa y calor entre el sustrato y el espacio de cabeza son importantes.  Esta es un área que ha recibido relativamente poca atención. Según las predicciones del modelo, es probable que el «principal contribuyente a la eliminación de calor» cambie de manera significativa a medida que aumenta la escala. La conducción a través de la pared del biorreactor, que hace una gran contribución a la eliminación del calor en pequeñas escalas, es insuficiente para eliminar el calor a grandes escalas. Esto, por supuesto, se debe al hecho de que la relación entre el área superficial del tambor y el volumen del lecho del sustrato disminuye con la escala (si se mantiene la similitud geométrica).

Para tratar de maximizar la transferencia de calor a través de la pared del tambor a gran escala, puede considerar (1) incluir una camisa de agua, aunque esto complica en gran medida el diseño y aumenta los requisitos de potencia para la rotación; o (2) aumentar la relación L a D para minimizar la reducción de la relación del área de contacto de la pared de la cama con el volumen del lecho que ocurre con el aumento de la escala cuando se mantiene la similitud geométrica. Por supuesto, habrá límites prácticos en cuanto a la longitud y el espesor del reactor.