Biorreactores – Modificación de los cambios de tamaño de partículas
La reducción del tamaño de partícula puede ocurrir como resultado del proceso de crecimiento. Por ejemplo, si el microorganismo degrada un polímero que es responsable de la estructura de la partícula, entonces el tamaño de partícula disminuirá. Puede ser de interés describir la reducción del tamaño de partícula dentro del modelo de biorreactor. Por ejemplo, la reducción en el tamaño de partícula podría usarse para estimar la disminución en el volumen total del lecho.
Hasta la fecha, el modelado de la reducción del tamaño de partícula no se ha hecho en asociación con modelos de biorreactores, aunque no hay razón por la que no se pueda hacer.
Una Ecuación Empírica para la Reducción del Tamaño de Partículas
Nandakumar derivó una ecuación para la longitud de los fragmentos de partículas de sustrato residual. La ecuación se derivó sobre la base de la suposición de que el consumo de la partícula de sustrato en la interfase sustrato / biomasa estaba limitado por la difusión de O2 a través de la película de biomasa, que se suponía que crecía de tal manera que se mantuviera el tamaño de partícula total constante. Es improbable que sus suposiciones sean verdaderas en la práctica y por lo tanto la ecuación debe ser considerada como empírica. Otras ecuaciones empíricas también podrían ajustarse bien a los datos experimentales. La ecuación fue:
donde L es la longitud inicial de la partícula, lc es la longitud de la partícula residual en el tiempo t, y T es el tiempo para la degradación completa de las partículas.
Basados en su modelo, mostraron cómo T podría expresarse en términos de constantes fundamentales, sin embargo, en la práctica determinaron T por regresión de la ecuación mostrada arriba frente a los datos experimentales para el tamaño de partícula residual en función del tiempo. Esta regresión puede hacerse tratando t como la variable dependiente y la longitud de partícula fraccionada (= lc / L) como variable independiente, en cuyo caso la ecuación es:
Para medir el tamaño de partícula residual experimentalmente, es necesario primero eliminar la capa de biomasa. Nandakumar simplemente tamizó su sustrato húmedo fermentado. El organismo de proceso era una bacteria, y afirmaban que se eliminaba fácilmente durante el tamizado en húmedo. Tales estudios serían más difíciles con un hongo, que se uniría más estrechamente a la partícula residual del sustrato.
Cómo Modelar Cambios de Tamaño de Partículas en Modelos de Bioreactor?
Como se ha indicado anteriormente, puede ser interesante modelar los cambios de tamaño de partícula en modelos de biorreactores para predecir cambios en el volumen total de lecho. Esto requiere una comprensión de varios factores:
degradación de la partícula de sustrato residual;
expansión del biofilm, y cómo esto se ve afectado por la reducción en el tamaño de la partícula substrato residual;
las interacciones entre las partículas causadas por la biomasa y la gravedad y cómo esto afecta la estructura de la cama. La degradación de las partículas aún no se ha tenido en cuenta en los modelos de biorreactores en SSF. Se necesita más comprensión del fenómeno y de cómo afecta la estructura de la cama antes de que pueda ser incorporada en un modelo de una manera significativa. Un modelo útil no sólo podrá predecir los cambios en el volumen del lecho, sino también en la porosidad del lecho. La porosidad de la cama es importante para los biorreactores que se ventilan con fuerza, ya que es uno de los factores que determinan la caída de presión a través de la cama. Tales modelos pueden o no intentar modelar el desarrollo de la estructura de la biomasa por encima de la superficie de la partícula. El trabajo de Rajagopalan da una idea de cómo se podría hacer esto, al menos para una partícula substrato residual de tamaño constante. Ellos modelaron la expansión de un biofilm de densidad constante, para una sola partícula. Aplicar tal modelo a la situación en un biorreactor sería más complejo ya que la distribución espacial de las partículas impediría que la biomasa se expandiera libremente. Tal modelo podría predecir el llenado de espacios vacíos, y por lo tanto sería útil para predecir cambios en la porosidad del lecho.