Medición de gradientes en biorreactores
Para investigar la aparición y medición de gradientes de glucosa, Larsson et al. Realizó un muestreo en tres partes (zona superior/media/inferior) de un cultivo de 30 m3.
El desafío en la medición de gradientes definidos con muestreo y análisis fuera de línea radica en la rápida inactivación de la actividad metabólica de la célula. Muchos enfoques originalmente inventados y aplicados para obtener una alta frecuencia de muestreo después de un pulso de glucosa con el fin de realizar estudios de biología de sistemas pueden transferirse para seguir la formación y medición de gradientes a gran escala.
Recientemente, se estableció un dispositivo multiposición y multisensor para la observación y medición de gradientes para su aplicación en procesos de fermentación anaeróbica. Estos consistían en sondas de sensores disponibles en el mercado para aplicaciones esterilizables.
Los sensores estaban equipados con amplificadores ya directamente en el sensor, lo que permitía la transmisión de datos a largas distancias. Los sensores estaban montados en una caja de acero resistente al agua que estaba conectada a un cordón que permitía un movimiento flexible en la fase líquida.
Mientras que tres sensores (por ejemplo, pH, redox y oxígeno disuelto (en relación con la temperatura)) se combinaron en una sola caja de un diámetro de 76 mm, las soluciones del Instituto Kurt-Schwabe (Meinsberg, Alemania) permitieron la combinación de seis parámetros con microsensores bioquímicos.
Estos sensores se conectaron a una lanza de acero para la medición de gradientes en reactores de biogás. Para la aplicación en tanques de elaboración de cerveza a escala industrial, las cabezas de los sensores se guiaron a través de una línea de pesca.
Nienow et al. realizó un estudio en tanques cerveceros de nivel mínimo de llenado superior a 1600 h l-1. Se tomaron ocho sondas de biomasa a diferentes alturas de un fermentador de cerveza, guiadas a través de un brazo articulado y un cabrestante.
Esta aplicación es factible cuando no se instalan partes móviles como agitadores. En la fermentación de cerveza se aplicó velocimetría Doppler ultrasónica (UDV) a una escala de 270 l para determinar los campos de velocidad con 128 puntos de medición. Se tomaron medidas en el fluido turbio con las células de levadura existentes como partículas trazadoras en él. En general, los avances recientes en sensores ópticos permitirán el reconocimiento de patrones de flujo de partículas más fácilmente en el futuro.
Se han realizado muchos enfoques para estudiar y predecir la distribución espacial del oxígeno disuelto en reactores de tanque agitado. Por lo tanto, la estimación correcta del tamaño de la burbuja y, por lo tanto, del área superficial, es de fundamental importancia.
Se han analizado varios enfoques que se basan en una compartimentación de la fase líquida para una mejor comprensión de la mezcla en los biorreactores de tanque agitado a gran escala.
Los primeros estudios describieron la simulación del rendimiento del agitador y la transferencia de masa en biorreactores multiturbina de escala industrial. La aplicación de este enfoque proporciona un método para determinar los perfiles de oxígeno disuelto axial en condiciones de velocidades de transferencia de masa conocidas en función de la agitación y la aireación.
El biorreactor está dividido en varias celdas de mezcla, lo que permite considerar la transferencia de masa en cada turbina individualmente.
La estructura del enfoque de modelado puede servir como base para probar las correlaciones de una sola turbina y adaptarlas a sistemas de varias turbinas. El software CFD se usó para simular campos de flujo relacionados con las condiciones del lote alimentado resolviendo las ecuaciones de Navier-Stokes de un modelo de compartimiento usando el modelo de turbulencia.
Las partículas trazadoras se liberaron desde una zona de referencia dentro de los campos de flujo simulados, y se calculó el tiempo que necesitaron estas partículas trazadoras para regresar a la zona de referencia. Se presentó otro método para estimar el tiempo de mezclado en reactores industriales agitados por turbinas Rushton en condiciones aireadas y se denominó modelo analógico de tiempo de mezclado. Se basa en la hipótesis de la analogía del tiempo de mezclado a la misma velocidad de agitación de la turbina en fases gas-líquido.
Además, se demostró que la geometría interna del reactor, el número de impulsores, la distancia entre los impulsores y el grado de homogeneidad son menos sensibles al resultado del modelo. Se estimaron los gradientes de concentración en uno de los reactores estudiados (12 m3 de volumen) tanto en la inyección superior como en la inferior, ambos situados en fase líquida.
Rhanganatan y Sivaraman aplicaron CFD multifásico junto con un método de balance de población para estudiar la hidrodinámica y la transferencia de masa en un reactor de tanque de acero agitado de turbina dual gas-líquido. Solo la ubicación en la que se inyectan los pulsos influye en los parámetros del modelo. Se estimaron los gradientes de concentración en uno de los reactores estudiados (12 m3 de volumen) tanto en la inyección superior como en la inferior, ambos situados en fase líquida.
Rhanganatan y Sivaraman aplicaron CFD multifásico junto con un método de balance de población para estudiar la hidrodinámica y la transferencia de masa en un reactor de tanque agitado de turbina dual gas-líquido. Se utiliza un método de estado estacionario de marco de referencia múltiple (MFR) para modelar las regiones del impulsor y del tanque.
El equilibrio de la población de burbujas se considera utilizando ecuaciones de flujo polidisperso homogéneo y no homogéneo para tener en cuenta la distribución del tamaño de la burbuja debido a la ruptura y coalescencia de las burbujas. Los hallazgos descritos anteriormente fueron emparejados.
Alves et al. encontró que para las turbinas Rushton, el tamaño de la burbuja aumenta desde la punta del agitador a lo largo de la corriente de descarga. Los tamaños de las burbujas en las soluciones de electrolitos son más pequeños y más sensibles a la entrada de energía que en el agua.
La adición de tensioactivos da como resultado una mayor disminución del tamaño de la burbuja y debe tenerse en cuenta para la predicción basada en modelos de la transferencia de masa de gas.