Los gradientes de temperatura en biorreactores delgados.

Saucedo-Castañeda utilizó un biorreactor de 6 cm de diámetro, que contenía un lecho de 35 cm de alto. Además, la columna se sumerge en un baño de agua de temperatura constante a 35 ° C. Observaron un fuerte gradiente de temperatura en los primeros 5 cm a lo largo del eje de la cama, donde la temperatura se incrementó hasta en un 12 ° C. En contraste, en los primeros 30 cm de la cama, el aumento máximo de temperatura a lo largo del eje fue de aproximadamente 3 ° C. Tenga en cuenta que, en algunos momentos y en algunas regiones, la temperatura en realidad disminuyó con la distancia axial, lo que podría estar relacionado con la refrigeración por evaporación. Sin embargo, Saucedo-Castañeda no midieron los contenidos de agua en la cama, por lo que no es posible confirmar esto. La temperatura axial en los 30 cm superiores de la columna no se mantuvo constante; sino que más bien aumentó con el tiempo durante el período de 15 a 26 h. En contraste con los gradientes de temperatura axiales, los gradientes radiales eran bastante inclinados: en el momento de la producción de calor pico, hubo un 11 ° C de diferencia entre el eje central y la pared fermentadores, lo que representa una distancia de sólo 3 cm. Estos resultados sugieren que en el caso de los fermentadoreses delgados se elimina una cantidad significativa de calor a través de las paredes laterales.

Los gradientes de temperatura en fermentadores de ancho o aislados. Los estudios de Ghild- yal, Gowthaman y Weber permiten una visión de transferencia de calor en fermentadores más amplios. El fermentador de Ghildyal y Gowthaman era de 15 cm de diámetro con una altura de lecho 34,5 cm, mientras que la de Weber fue de 20 cm de diámetro con una altura de lecho de 50 cm. Tenga en cuenta que el fermentador de Weber fue aislado en los lados, con el fin de imitar la situación en gran escala donde la transferencia de calor a través de las paredes hace una contribución insignificante a la eliminación de calor. Obsérvese también que diferentes organismos se utilizaron en los diversos estudios, con bastante diferentes temperaturas óptimas para el crecimiento, por lo que las temperaturas reales involucradas son bastante diferentes. Weber midió la temperatura como una función del tiempo en diversas posiciones axiales. En todas las alturas, había un pico de temperatura, cuyo valor máximo producido alrededor de día 4, con la altura del pico (es decir, la temperatura máxima alcanzada) aumenta con la altura de la cama.

Ghildyal presentó resultados que muestran el efecto de la velocidad de aireación en el perfil axial de temperatura. Tres diferentes experimentos se realizaron, con caudales de aire de 5 L min-1, 15 L min-1, y 25 L min-1. La temperatura se controló en el eje central a media altura en la cama. Se redujo la altura de los picos de temperatura aumenta a medida que la tasa de flujo de aire. Se interpolan los puntos de datos para obtener un gráfico tridimensional de la temperatura máxima obtenida como una función tanto de la altura del lecho y la velocidad del aire. En términos generales, la temperatura parece aumentar linealmente con el aumento de la altura de la cama y también para aumentar linealmente con la disminución de la tasa de flujo de aire, excepto en la altura del lecho más bajo, donde la temperatura pico aumentó primero sólo lentamente como el caudal de aire se redujo , pero luego se disparó abruptamente a caudales de aire bajos.

Los gradientes de oxígeno en camas estáticas

El flujo convectivo de aire también dará lugar a gradientes de concentración axiales de O2 y CO2, aunque no es probable que sean importantes para controlar el rendimiento del biorreactor. Las concentraciones de gas de salida permanecen razonablemente alta, por encima de 18% (v / v), incluso a bajas tasas de flujo de aire. Las temperaturas excesivas es muy probable probable que sean un problema mayor que el suministro de O2 a la superficie de las partículas dentro de los biorreactores de lecho empacado.

Evaporación de agua y gradientes de lechos de relleno en fermentadores

Como se ha señalado, es imposible evitar que la evaporación se produzca en funcionamiento de los lechos de relleno, incluso si el aire suministrado a la cama está saturado. Ghildyal y Gowthaman mostraron que la velocidad a la que se produjo el secado en lecho depende de la posición dentro del biorreactor y la tasa de flujo de aire.

Mirando el efecto de la velocidad del flujo de aire sobre las variaciones temporales en el contenido de agua en cada nivel de la cama, las observaciones más importantes son:

• A 3,3 cm de altura, el contenido de agua de la cama aumentó con el tiempo o se mantuvo constante cuando el caudal de aire era de 20 L min-1 o por debajo, pero disminuyó a 25 L min-1, aunque incluso a 25 L min-1 esta menor región no se seque tan rápido como las regiones superiores del lecho.
• La altura media de la cama (altura 17 cm) tendía a secar en todas las velocidades de flujo de aire.

El contenido de agua de la cama en la posición superior (28 cm altura) aumentó durante la fermentación para un caudal de aire de 5 L min-1, pero disminuyó con el tiempo para las velocidades de flujo de aire de 15 L min-1 y superiores.
La inspección de los mismos resultados, pero mirando a los gradientes de temperatura axiales como una función de la tasa de flujo de aire y cómo los gradientes de temperatura axiales variar con el tiempo, las observaciones clave son:

• en 5 L min-1 la cama estaba más seco a los 17 cm, con las alturas de 3 cm y 280 cm restante cerca e incluso superarando el contenido de agua original de 51% (w / w). Esta observación son válidas para 16, 24 y 40 h.

• en 15 L min-1 la cama se mantuvo húmeda a 3 cm de altura, de hecho, por 40 h fue significativamente más húmeda que el valor original, pero se secó a alturas de 17 cm y 28 cm, con estas dos alturas superiores siendo razonablemente cercanas del contenido de agua, con valores alrededor de 25-40% (w / w)
• at 20 L min-1 the pattern was similar to that obtained for 15 L min-1 except that the water content at the 3-cm bed height remained close to the original value throughout.
• en 15 L min-1 la cama se mantuvo húmedo a 3 cm de altura, de hecho, por 40 h fue significativamente más húmedo que el valor original, pero se csecó a alturas de 17 cm y 28 cm, con estas dos alturas superiores estando razonablemente cerca del contenido de agua, con valores alrededor de 25-40% (w / w)
• en 25 L min-1 todas las regiones del lecho se secó. Por 16 h, el contenido de agua se redujo a alrededor del 40% (w / w) en todas las alturas de la cama. A las 24 y 40 h la altura de 3 cm aún tenía un contenido de agua alrededor de 40% w / w, pero en ambos las alturas de lecho superior del contenido de agua se había reducido a alrededor de 22 a 26% (w / w).

Estos resultados sugieren que el secado de los patrones puede ser bastante complejo. Weber supervisó las humedades relativas de gases residuales durante las fermentaciones con lecho empacado con dos hongos diferentes. En el momento de la tasa de generación de calor pico, la humedad relativa del gas de escape se redujo a valores de alrededor de 90%. Esto implicaría que, o bien la transferencia de agua de la partícula en el aire es limitante o, simplemente, que la cama se está secando. Sería necesario controlar la actividad de agua del contenido del lecho con el fin de distinguir entre estas dos posibilidades.