Un modelo de un biorreactor aireado mezclado intermitentemente

La verdadera operación de lecho empacado solo se puede usar en aquellos casos en que el lecho no se seque a niveles que causan limitaciones de agua en el crecimiento, porque el agua solo se puede distribuir de manera uniforme dentro de un lecho de sólidos mientras se agitan los mismos. Si el organismo tolera cierta mezcla, entonces se puede usar el modo de operación de mezcla intermitente, en el cual el biorreactor funciona como un lecho lleno durante la mayor parte del período de fermentación y experimenta eventos de mezcla infrecuentes, durante los cuales se puede agregar agua a la cama. De hecho, una vez que se selecciona el modo de operación de mezcla intermitente, el uso de aire seco para promover el enfriamiento evaporativo está potencialmente disponible como una estrategia operativa. A continuación presentamos un modelo que puede usarse para investigar el funcionamiento de tales biorreactores.

Sinopsis del modelo de fermentador

Los dos tipos de operación, es decir, la operación estática y el evento de mezcla, se modelan por separado. Durante la operación estática, el sistema se trata como un biorreactor de lecho empacado. Se supone que el biorreactor es lo suficientemente amplio como para que la transferencia de calor a las paredes laterales sea una contribución insignificante y, por lo tanto, solo se describa la transferencia de calor y masa en la dirección axial. Se hacen balances de temperatura y agua; en ambos casos se escriben balances separados para las fases aéreas y sólidas. Tenga en cuenta que los términos de las ecuaciones de balance son por metro cúbico de biorreactor, y los contenidos de biomasa y agua se expresan sobre la base del total de sólidos secos por metro cúbico (S), que es igual a la suma de la biomasa seca y el sustrato seco.

El balance en la masa total de sólidos secos (es decir, la suma de biomasa seca y sustrato residual seco, es necesario ya que no todo el sustrato consumido se convierte en biomasa; Una proporción se pierde en forma de CO₂. Esta es la ecuación,  aunque sin el plazo de mantenimiento.

En lugar de suponer que los sólidos y el aire están en equilibrio térmico y de humedad, el modelo utiliza las ecuaciones de equilibrio, que tienen ecuaciones de fuerza impulsora para la transferencia de calor y masa, para calcular los cambios en los sólidos secos y el agua líquida, lo que permite el cálculo del contenido de agua de la fase sólida. Tenga en cuenta que el contenido de agua de la fase sólida a su vez afecta la velocidad de evaporación a la fase gaseosa. Dado el contenido de agua y la temperatura del sólido, el modelo calcula la actividad del agua del sólido. La actividad del agua del sólido, junto con su temperatura, afecta el crecimiento.

El modelo calcula y combina las tasas de crecimiento fraccional de la misma manera que se hizo en las ecuaciones.

• En el balance de agua de la fase gaseosa gráfica abajo a la izquierda):
• El lado izquierdo representa la variación temporal en la cantidad de vapor de agua en la fase de aire en una posición dada;
• El primer término en el lado derecho representa el flujo convectivo de vapor de agua con la fase gaseosa;
• El segundo término en el lado derecho representa el intercambio de agua entre las fases sólida y gas. En el balance energético de la fase gaseosa (gráfica, arriba a la izquierda):
• El lado izquierdo representa la variación temporal en la energía sensible del aire seco y el vapor de agua en el aire en una posición dada;
• El primer término en el lado derecho representa el flujo convectivo de energía en el aire húmedo que fluye (es decir, la mezcla de vapor de agua y aire seco);
• El segundo término en el lado derecho representa el intercambio de calor sensible entre la fase sólida y la fase gaseosa. En el balance de agua en fase sólida (gráfica, centro derecha):
• El lado izquierdo representa la variación temporal en el contenido de agua de la fase de sólidos en una posición dada;
• El primer término en el lado derecho representa la producción metabólica de agua;
• El segundo término en el lado derecho representa el intercambio de agua entre las fases sólida y gas. En el balance de energía en fase sólida (gráfica, arriba a la derecha):
• El lado izquierdo representa la variación temporal de la energía sensible dentro de los sólidos secos y el agua líquida en una posición dada;
• El primer término en el lado derecho representa un intercambio de energía sensible con la fase de gas;
• El segundo término en el lado derecho representa la eliminación de energía del sólido como el calor latente de la evaporación;
• El tercer término en el lado derecho representa la liberación de calor metabólico residual en el proceso de crecimiento.

El periodo de mezcla se modela de manera sencilla. Un evento de mezcla de 15 minutos de duración comienza cada vez que la actividad de agua del aire de salida (es decir, el porcentaje de humedad relativa dividido por el 100%) cae por debajo de un valor predeterminado (a_wg*). Esta mezcla inhibe completamente el crecimiento durante el evento de mezcla, pero el crecimiento se restablece tan pronto como se reanuda la operación estática. Durante el evento de mezcla, la temperatura del lecho se devuelve a la temperatura óptima para el crecimiento y la actividad del agua se devuelve a su valor de tiempo cero. El programa calcula la cantidad de agua que se debe agregar para alcanzar esta actividad de agua. Se utiliza un contenido de biomasa promedio ponderado por volumen como punto de partida para una nueva ronda de operaciones en modo de lecho empacado. Se calcula sobre la base de la cantidad de biomasa y sólidos secos en las distintas regiones del biorreactor en el momento en que se activa el evento de mezcla.