¿Vale la pena describir la distribución espacial de la biomasa en la microescala?

Modelar la distribución espacial de la biomasa podría potencialmente traer beneficios. Por ejemplo, un modelo que describió cómo el microorganismo creció en los espacios entre partículas podría ser utilizado para predecir cómo la caída de presión a través de la cama cambiaría durante la fermentación. Sin embargo, cualquier intento de describir la distribución espacial de la biomasa en la microescala aumentará enormemente la complejidad del modelo. Incluso para la situación relativamente simple que implica el crecimiento de biofilms sería necesario describir la disposición tridimensional de las partículas. De hecho, muchos procesos SSF involucran hongos, y no es fácil describir su crecimiento en tres dimensiones. Una forma de hacerlo sería describir la extensión y ramificación de hifas individuales, sin embargo, sería necesario conocer las distribuciones estadísticas de las frecuencias de ramificación y ángulos de rama y un gran número de hifas individuales tendrían que ser descritos. Además, en un lecho agitado, el efecto que la agitación tendría sobre la distribución espacial de la biomasa no se entiende suficientemente para poder describirla matemáticamente.

Como resultado de estas complejidades y nuestra actual mala comprensión cuantitativa de ellas, típicamente la concentración de biomasa se trata simplemente en modelos de biorreactores como un promedio global sobre la partícula, expresándose con unidades de «g de biomasa seca por g de sólidos secos».

Características típicas de los sub-modelos cinéticos

Como resultado de las consideraciones anteriores, los sub-modelos cinéticos de biorreactores SSF a menudo (aunque no siempre) son ecuaciones empíricas simples y no describen la distribución espacial de la biomasa. Además, debido a las dificultades de medir la biomasa y los estados metabólicos dentro de los sistemas SSF, muchos sub-modelos cinéticos dentro de los modelos de fermentadores SSF son «no estructurados» y «no segregados». Los modelos no estructurados no describen eventos intracelulares, mientras que los modelos no segmentados no dividen la biomasa en diferentes subpoblaciones.

¿Qué nivel de detalle se debe utilizar para describir los procesos de transporte?

Varias características comunes a muchos procesos SSF tienen implicaciones para la parte de equilibrio / transporte de los modelos de sistemas SSF:

La gran mayoría de los procesos SSF son procesos por lotes. Por lo tanto, casi todos los modelos que se han desarrollado para describir equipos SSF son modelos dinámicos. Esto significa que las ecuaciones se escriben como ecuaciones diferenciales y por lo tanto necesitan ser resueltas por la integración numérica. Los modelos de pseudo-estado estable, en los que el término diferencial es igualado a cero y que por lo tanto puede ser resuelto algebraicamente, sólo se usan rara vez.

La presencia de humedad y gradientes térmicos dentro del lecho en muchos fermentadores significa que en la mayoría de los casos es necesario escribir las ecuaciones del modelo con términos diferenciales que incluyen espacio y tiempo, es decir, como ecuaciones diferenciales parciales. Estas ecuaciones diferenciales parciales hacen que el modelo sea más difícil de resolver, pero son inevitables si se pretende que el modelo describa la heterogeneidad del lecho.

Incluso cuando se mezclan biorreactores, la mezcla típicamente no será perfecta. Es posible modelar la mezcla de un lecho de partículas sólidas utilizando «modelos de partículas discretas», que describen el movimiento de partículas individuales como resultado de las fuerzas que actúan sobre ellas y rastrean la posición de una población de miles de partículas. Sin embargo, puede tomar días para que el modelo resuelva incluso con un número de partículas mucho más pequeño que un dispositivo realmente contiene. Incluso si se puede suponer un patrón de circulación general, no es una cuestión simple caracterizar el patrón de flujo y expresar la eficacia de la mezcla en función de las condiciones operativas. Por lo tanto, en aquellos fermentadores en los que se mezcla el lecho, es usual suponer que el lecho está bien mezclado. Como resultado de estos factores de complicación, especialmente la aparición de ecuaciones diferenciales parciales en modelos de camas heterogéneas, a menudo se toman ciertas decisiones para desarrollar modelos que pueden ser resueltos por una computadora en cuestión de segundos a minutos, es decir, resolviendo modelos. En el próximo post hablaremos de las decisiones antes mencionadas.