Una visión dinámica de los procesos que ocurren

Con el fin de describir los sistemas SSF (Fermentadores-Biorreactores de Estado Sólido) como sistemas dinámicos, es útil utilizar dos escalas de tiempo diferentes. Una escala de tiempo de segundos a minutos es útil para describir la dinámica de los diversos procesos biológicos y de transporte. Por otro lado, una escala de tiempo de horas a días es útil para describir los cambios brutos en el sistema a lo largo de toda la fermentación.

Una visión dinámica con una escala de tiempo de segundos a minutos

En este punto de vista descongelamos la instantánea de la fermentación que describimos en otros posts y enfocados con los fenómenos que ocurren en la escala de tiempo de segundos a minutos. De nuevo es conveniente considerar la macroescala y la microescala por separado.

Los procesos de transporte dominantes en la macroescala dependerán del biorreactor y la forma en que se opera. En esta escala, la cama típicamente será tratada como una sola fase pseudo-homogénea, es decir, como una única fase que tiene las propiedades medias de las fases sólida y de aire que lo componen. Se darán diversos fenómenos de calor y de transferencia de masa que se producen dentro y entre las diversas fases que fueron identificados para un biorreactor bien mezclado, aireado con fuerza.

Por lo general es importante describir estos fenómenos de transporte matemáticamente en las ecuaciones de peso y balance de la energía.

Se presentan procesos de transporte a microescala que se producen en un proceso SSF típico en el que un hongo crece aeróbicamente usando un polímero como su fuente de carbono y energía principal. En esta escala, la partícula y el aire entre las partículas son tratadas como diferentes subsistemas. Muchos de los procesos de transporte que se muestran no son en gran parte afectados por el biorreactor y la forma en que se hace funcionar, es decir, que son intrínsecos a los sistemas fermentadores biorreactores SSF debido a la presencia de la fase sólida. En la etapa de preparación del sustrato, podría ser posible para mejorar la eficiencia de los procesos de inter-partículas. Por ejemplo, la cocción puede debilitar o romper las paredes celulares, lo que reduce la barrera a la penetración y difusión, y también puede hidratar polímeros, haciéndolos más accesibles a las enzimas. Además, el uso de partícula tamaño pequeño, reducirá la distancia sobre la cual debe producirse la difusión. Sin embargo, estas manipulaciones no pueden eliminar completamente la importancia de la difusión intra-partículas en los procesos dento de los biorreactores.

Estos procesos incluyen los procesos de transferencia de masa, tales como:

• la difusión de O2, CO2 y vapor de agua dentro de las regiones estáticas de la fase de gas y su movimiento de convección en las regiones de flujo de aire, con la extensión de las regiones estáticas y que fluyen en función de si la cama es la fuerza aireado o no. Tenga en cuenta que, incluso si el aire es soplado con fuerza a través del lecho, las capas estáticas de aire se forman alrededor de las superficies sólidas, tales como superficies de las partículas o hifas;
• la difusión de O2, CO2, agua, nutrientes, los protones, los productos, y las enzimas dentro de la fase de biopelículas y la partícula de sustrato;
• el intercambio de O2, CO2 y vapor de agua entre las diferentes fases. Tenga en cuenta que la evaporación se trata típicamente como un cambio de fase dentro de la cama en la escala macro, mientras que con vistas a microescala se trata como una transferencia entre los subsistemas.
• también, dentro de la partícula tendrá lugar la reacción de las enzimas con sus sustratos. Esto es especialmente importante en el contexto de SSF, donde la fuente de carbono y energía principal es muy a menudo una macromolécula.

Habrá diversos fenómenos biológicos:

• translocación de nutrientes dentro de hifas;
• crecimiento o, inclusión procesos tales como la extensión de las hifas o la expansión de un biofilm. En cualquiera de los casos la biomasa ocupa volumen que previamente estaba ocupado por el gas o el sustrato;
• las respuestas fisiológicas al medio ambiente. Las respuestas al estrés pueden ser especialmente importantes en SSF, debido a la combinación de agua bajo, bajo O2 dentro de la partícula, y las altas temperaturas de la cama;
• mecanismos de respuesta genéticos, tales como la inducción y la represión;
• muerte celular. En comparación con nuestra comprensión de estos procesos en los procesos de SLF, se sabe relativamente poco acerca de la SSF. Esto es debido al hecho de que la fisiología celular es más difícil de estudiar en SSF que en el SLF. En particular, la técnica de cultivo continuo bien mezclado, que es una herramienta poderosa en el estudio de la fisiología microbiana en SLF, no se puede aplicar a SSF.