Optimizar biorreactores de lecho.
Optimizar el funcionamiento de las camas empaquetadas tradicionales.
En ejemplos anteriores se involucraron solo cambios una a una de las variables. Obviamente, es posible cambiar más de una variable simultáneamente. En términos generales, para mejorar el rendimiento de un lecho empacado tradicional, es necesario disminuir la altura de el lecho dentro del biorreactor, aumenta la velocidad superficial y usa un sistema de control para reducir la temperatura del aire de entrada en respuesta a los aumentos de temperatura en el aire de salida. Tenga en cuenta que, para minimizar los costos operativos, sería preferible no tener que refrigerar el aire de entrada.
Las implicaciones de los cambios en la altura del lecho pueden necesitar ser consideradas en la etapa de diseño del biorreactor o en un intento de optimizar el rendimiento de un biorreactor que ya se ha construido. En la etapa de diseño, disminuir la altura mientras se mantiene la constante de velocidad superficial significa que el biorreactor necesitará ser más ancho para contener la misma cantidad de sustrato, ocupando más espacio en el piso. Una vez que se construye un biorreactor, la disminución de la altura significa que el volumen no utilizado dentro del biorreactor aumentará y, por lo tanto, la productividad volumétrica del biorreactor disminuirá si el cálculo se basa en el volumen total del biorreactor y no en el volumen del lecho. Por lo tanto, siempre que el sistema de aireación tenga la capacidad, sería preferible aumentar la velocidad superficial que disminuir la altura del lecho, aunque pueden presentarse problemas con caídas de presión altas.
Un modelo similar al utilizado en las simulaciones anteriores fue utilizado para investigar si invertir la dirección del flujo de aire ayudaría a superar el problema de sobrecalentamiento en la parte superior de la cama. La gráfica muestra que el modelo predice que, de hecho, tal estrategia evitará que la temperatura en los extremos de los lechos alcance valores deletéreos elevados. Desafortunadamente, no es una estrategia útil ya que el enfriamiento de las secciones medias de la cama es muy ineficiente, lo que les permite alcanzar temperaturas muy altas.
Datos sobre la ampliación de las camas tradicionales acondicionadas
Si está considerando utilizar un biorreactor de lecho empacado tradicional debido a la incapacidad de su microorganismo para tolerar la agitación, entonces, sobre la base de los resultados de la sección anterior, es posible brindar asesoramiento sobre el programa de investigación y desarrollo para ampliarlo.
Después de la investigación cinética preliminar en las columnas de Raimbault, los experimentos deben realizarse en un lecho compacto a escala piloto. Una escala razonable sería del orden de 15 cm de diámetro y hasta 1 m de altura. Las paredes de la columna deben aislarse bien, para imitar la situación en el biorreactor a gran escala, en el que la eliminación de calor radial será relativamente menor. La altura de 1 m permitirá que se realicen estudios a alturas de la cama que en realidad podrían usarse en fermentadores a gran escala. Como tal, este biorreactor piloto representará una sección vertical del biorreactor de escala complete. Esto permite estudiar los fenómenos que dependen de la altura del lecho, como los perfiles axiales de temperatura y las caídas de presión, y la formación de biomasa y producto como funciones de altura, y cómo estos se ven afectados por la temperatura y la velocidad del aire de entrada.
La ventaja de este enfoque es que puede identificar limitaciones en el rendimiento que no son predichas por el modelo matemático. Por ejemplo, la caída de presión puede ser excesiva en su sistema particular. Es mejor identificar tales problemas y modificar el biorreactor para superarlos, en un biorreactor a escala piloto que construir un biorreactor a gran escala solo para descubrir que no funciona correctamente. En el proceso de ampliación, habrá un límite en la altura de la cama, en el sentido de que las camas muy altas conducirán a un rendimiento inaceptablemente bajo debido a los gradientes de temperatura axial u otras consideraciones. Una vez que se alcanza este límite, la capacidad del biorreactor solo se puede aumentar haciendo que la cama sea más ancha. Esta «altura crítica» no es una constante, ya que depende de la tasa de crecimiento del organismo y las condiciones de funcionamiento, especialmente la velocidad superficial del aire. Se puede calcular una estimación de la «altura crítica» de un lecho empacado tradicional para la cinética de crecimiento logístico como:
Tout es la temperatura máxima permitida en la cama, mientras que f es una estimación de dHsat / dT.