Ideas experimentales en Operación de biorreactores de lecho empacado
Los biorreactores SSF son raramente solo operados a gran escala como lechos de relleno a lo largo de todo el período de cultivo, aunque de forma intermitente diseños de agitado relacionados se han utilizado con bastante éxito La operación de lecho empaquetado estático se ha utilizado en gran escala en la producción de koji, aunque los detalles de la operación y el rendimiento de los biorreactores implicados no están disponibles. Sólo descripciones muy breves y generales están disponibles. Un diseño simple tiene una capacidad para 1000 kg de koji, y no tiene dispositivos especiales para el manejo de sustrato, Además, no está diseñado para un funcionamiento totalmente aséptica.
Escala piloto para camas de sustrato
Roussos y otros investigadores desarrollaron un biorreactor a escala piloto de lecho empaquetado con placas de transferencia de calor interno, llamado el biorreactor «Zymotic». La carcasa exterior era de acrílico, y era de 65 cm de alto, 50 cm de ancho y 40 cm de profundidad de adelante hacia atrás. Esto dio un volumen total de 130 L, con una capacidad de trabajo de 100 L. La velocidad de aireación se varió desde 0,1 hasta 0,2 L h-1 g-seco-sustrato-1.
Las placas de transferencia de calor de acero inoxidable eran de 60 cm de alto, 38 cm de ancho (ajustados dentro de la parte delantera de 40 cm para respaldar la profundidad de la carcasa exterior), y 0,46 cm de espesor. Habían 10 de estos, y ocupaban un volumen de 9,44 L del recipiente del biorreactor. Cada placa intercambiador de calor contenía tubos colocados en serie por los que hacía circular agua. El biorreactor fue diseñado para ser flexible para que el número de placas de transferencia de calor insertados y la separación entre ellos se pudiera cambiar como se deseara. Este biorreactor fue vaciado mediante la elevación de todo el biorreactor y dejando que la cama de sustrato caiga de la parte inferior, aunque a gran escala esto podría no ser factible.
Las cargas de sustrato de 4 a 12 kg de materia seca de sustrato (15 a 55 kg de sustrato en base húmeda) se pusieron a prueba, pero no se proporcionaron datos de comportamiento detallados, sólo los niveles de enzimas finales. Se requirió calentamiento del agua en circulación durante las primeras 10 h de fermentación, después de lo cual fue necesario el enfriamiento. Los termistores colocados en diferentes lugares se utilizaron para controlar la temperatura del agua de refrigeración. La uniformidad del crecimiento y la ausencia de gradientes de temperatura se alegó cuando la brecha entre las placas no era mayor de 5 cm, pero los resultados experimentales que muestran que esto no se presentaron. El contenido de agua también se mantuvo cerca del valor original, aumentando sólo en un 5%.
Camas de sustrato a escala de laboratorio
Una gama de biorreactores poco más grande, típicamente de hasta 30 cm de altura y de 5 a 15 cm de diámetro, se han utilizado para investigar cómo los fenómenos de transporte a microescala pueden influir en el rendimiento del biorreactor.
La limitación del crecimiento por fenómenos de transporte es posible incluso en esta pequeña escala, como se demuestra en los apartados siguientes.
Gradientes de temperatura axiales y radiales en camas estáticas
El patrón de flujo de gas dentro del lecho de un biorreactor de lecho empaquetado que no sufre de problemas de canalización es probablemente más cercano al flujo de pistón con dispersión axial. Sin embargo, los estudios no se han realizado para confirmar esto ni para cuantificar el grado de dispersión axial. Este flujo de pistón de la fase de gas tiene implicaciones para el funcionamiento de los lechos empaquetados. En primer lugar, el extremo de entrada tiende a la temperatura del aire de entrada pero, debido a la falta de la mezcla y el flujo de aire unidireccional, la temperatura del aire aumenta a medida que fluye a lo largo de la cama hacia el extremo de salida. Uno de los principales retos en el diseño y operación a gran escala y camas de sustrato será evitar gradientes axiales excesivos de temperatura. El aumento de la temperatura del aire a medida que fluye a través del lecho aumenta la capacidad de transporte de agua del aire y por lo tanto se producirá la evaporación. Tenga en cuenta que la evaporación se producirá incluso si se utiliza aire a presión a la entrada de aire.
En general, la conducción a lo largo del eje en la dirección del flujo de aire será insignificante en comparación con la eliminación de calor por convección y evaporación. La contribución de la conducción normal a la dirección del flujo de aire dependerá de la diseño de lecho empaquetado. En lechos de relleno tradicionales que tienen diámetros del orden de unos pocos centímetros y en el diseño Zymotis, se puede hacer una contribución significativa, y puede ser gradientes de temperatura normales significativos al flujo de aire. En contraste, en lechos de relleno a gran escala, que típicamente pueden tener diámetros del orden de 1 m o más, es probable que sea pequeña la cantidad de energía eliminada de la cama por transferencia a través de las paredes laterales, incluso si la cama es con camisa de agua. Varios estudios se han hecho que muestran cómo la aparición de gradientes de temperatura axiales y radiales dependen del diseño y la operación del bioreactor y lo mostraremos en próximos posts.