Biorreactores aireados a presión sin mezclar

Abordaremos el diseño y operación de biorreactores SSF en condiciones en que se utiliza aireación forzada, pero la cama sustrato no se mezcla.

Normalmente, estos biorreactores se denominan como biorreactores de lecho empacado. Este modo de funcionamiento es apropiado para estos procesos SSF en los que no es deseable mezclar la cama sustrato en absoluto durante la fermentación debido a los efectos nocivos sobre, ya sea, el crecimiento microbiano o la estructura física del producto final.

Las características de este modo de operación también se aplican a las fases estáticas de biorreactores aireados que se mezclan una vez cada pocas horas. Baste decir por el momento que durante la fase estática actuarán como biorreactores de lecho empacado, y por lo tanto los principios desarrollados se aplicarán a esta fase estática.

Características básicas, diseño y variables de funcionamiento para biorreactores de lecho empacado

Algunas de las posibles variaciones en el diseño incluyen:

• la columna puede tener una sección transversal que no sea circular.
• la columna puede estar en posición horizontal, o para el caso, en cualquier ángulo. Esto altera las direcciones relativas de las fuerzas debidas a la gravedad y la presión de aire.
• la columna puede ser aireada desde cualquier extremo. Para una columna vertical, el aire puede entrar en el lecho desde la parte superior o la parte inferior. La areación de la parte superior evita la fluidización de partículas a altas velocidades del aire, pero contribuyen a la compactación del lecho ya que el flujo de aire está en la misma dirección que la gravedad.
• la columna puede tener un tubo perforado insertado a lo largo de su eje central, lo que permite un suministro de aire adicional además de la aireación de extremo a extremo. Sin embargo, esto sólo será efectivo para los diámetros de biorreactor muy pequeñas.

la columna puede ser con camisa de agua o las placas de transferencia de calor pueden ser insertadas en la cama.

Tomando el diseño más común, a saber, una columna vertical en la que el lecho se airea desde el fondo y sin ningún tipo de tubos perforados internas, las variables de diseño disponibles para un de lecho empaquetado son:

• la presencia o ausencia de una camisa de refrigeración o placas de transferencia de calor interno
• Si se utilizan placas de enfriamiento internas, su altura y la separación entre ellos. Las variables de operación disponibles son :
• la tasa de aireación;

la temperatura del aire de entrada;

la temperatura de los “alrededores” (que puede ser agua de refrigeración). En un lecho estático, la humedad relativa del aire de entrada no es una variable de funcionamiento útil. El problema es que no es práctico para añadir agua en una cama sin mezclar de una manera tal como para distribuirlo uniformemente entre las partículas de sustrato; por lo tanto la pérdida de agua por evaporación se debe minimizar. Si el aire entra en el lecho donde no se satura con agua, este aire no saturado promovería la evaporación y secaría la cama, eventualmente la disminución de la actividad del agua a valores desfavorables para el crecimiento y formación de producto. Con el fin de minimizar la evaporación en los biorreactores, el aire saturado debe ser suministrado a la entrada de aire, que elimina la manipulación de la humedad del aire de entrada como una variable de funcionamiento disponible. Tenga en cuenta que el uso de aire saturado no impide la evaporación dentro del lecho, pero minimizar la evaporación en comparación con el uso de aire no saturado. Es posible reponer el agua durante los acontecimientos de mezcla intermitentemente de camas mixtas, en cuyo caso el aire insaturado puede utilizarse para airear la cama. A gran escala, el revestimiento de agua de las paredes laterales del biorreactor no es una buena idea para el diseño tradicional, ya que la camisa de agua influirá sólo los exteriores de 20 cm o menos de la cama. Si las superficies de refrigeración se van a utilizar, a continuación las placas de enfriamiento internos utilizados en el biorreactor Zymotic serán más eficaces, siempre y cuando estén espaciados estrechamente de manera razonable. El espaciamiento óptimo de las placas se discutirá en otra ocasión. Otra opción para superficies de enfriamiento está dada por la «Prophyta» y «diseños PlaFractor», dos biorreactores que utilizan una serie de capas delgadas junto con placas de enfriamiento orientadas de manera normal al aire.

La diferencia entre los dos biorreactores es que en el diseño Prophyta el mismo aire pasa a través de cada cama sucesiva mientras que en el diseñao PlaFractor el aire se introduce por separado en cada cama.

fenómenos importantes que están afectados por los valores elegidos para las variables de diseño y de operación son:

los gradientes axiales y radiales de temperatura en la cama. En lechos de relleno es imposible evitar que los gradientes de temperatura que se incrementen dentro de la cama, por lo que el objetivo general es reducir al mínimo el tamaño de los gradientes de temperatura.

la evaporación del agua de la cama. Se deben hacer esfuerzos para minimizar la evaporación con el fin de evitar que la cama o partes de la cama se sequen.

la caída de presión a través del lecho. Esto dependerá de la altura del lecho y el grado en que el organismo llena los espacios entre las partículas, con la caída de presión resultante que afecta al diseño del sistema de aireación y de sus costes de funcionamiento, y tal vez de colocar un límite en la altura de la cama que puediera ser usado.

Las tasas de aireación que son elegidas sobre la base de consideraciones de eliminación de calor serán típicamente lo suficientemente altas para que se garantice el suficiente suministro de O2. Sin embargo, tenga en cuenta que son posibles problemas como la canalización, en el que el transporte de O2 a grandes partes de la cama puede ser limitante.