Uso de modelos para diseñar y optimizar un biorreactor SSF
El proceso de diseño debe llevarse a cabo para biorreactores SSF a escala de producción, comenzando con los estudios a escala de laboratorio necesarios y terminando con la optimización final a gran escala. Destaca el hecho de que es idealmente un proceso en el que el trabajo experimental y de modelado se lleva a cabo simultáneamente, con el modelo matemático siendo refinado constantemente a la luz de la evidencia experimental. El post actual ofrece una visión general de este proceso de diseño de biorreactores. Se supone que, después de optimizar la formación del producto por un organismo particular sobre un sustrato sólido particular a escala de laboratorio, se ha decidido desarrollar un proceso a gran escala.
Estudios iniciales en el laboratorio
Se necesitan estudios tempranos en el laboratorio para entender cómo el organismo crece y cómo esto depende de las condiciones ambientales que experimenta. Sobre la base de estos estudios, se propondrá un modelo cinético de crecimiento. Sin embargo, se deben hacer varias preguntas antes de planificar los estudios experimentales. Por ejemplo, ¿qué tipo de modelo se utilizará para modelar la cinética de crecimiento? ¿Con qué profundidad se modelará el proceso de crecimiento? ¿Se describirá simplemente el crecimiento de la biomasa como un valor global, como la g-biomasa g-seco-sólidos-1 o g-biomasa m-3? ¿O se describirá la distribución espacial de la biomasa a nivel de partículas, por ejemplo, describiendo la concentración de biomasa en función de la altura y profundidad por encima y por debajo de la superficie de la partícula? Al responder a estas preguntas, es importante considerar que cualquier decisión que incremente la complejidad del modelo puede traer dificultades posteriores no sólo para resolverlo, sino también para medir todos los parámetros del modelo necesarios. Estas dificultades deben ser comparadas con una evaluación de las ventajas potenciales de un poder predictivo mejorado que puede obtenerse al describir los fenómenos con mayor detalle. El nivel apropiado de detalle para modelar la cinética de crecimiento dentro de los biorreactores SSF se discutirá en otro momento con mayor profundidad. Sólo después de que se hayan tomado estas decisiones se planifica el programa experimental. Los experimentos se planifican de tal manera que permitan el desarrollo de expresiones matemáticas relacionando la tasa de crecimiento a las diversas variables ambientales. La forma en que estos experimentos podrían hacerse y los tipos de expresiones matemáticas que podrían ser utilizados se se describirán de igual manera posteriormente.
Idealmente, varios tipos de biorreactores deben ser probados experimentalmente a escala de laboratorio y, de hecho, preferiblemente a escala piloto, aunque pocos laboratorios cuentan con recursos suficientes para construir prototipos a escala de laboratorio de todos los posibles tipos de biorreactores. Por lo menos, deben hacerse experimentos en los que algunos cultivos se dejan estáticas y otras se someten a diversos regímenes de agitación de diferente frecuencia, duración e intensidad. Los resultados serán muy útiles para guiar la selección de biorreactores y determinar el régimen de agitación que se utilizará en la fermentación.