Sustrato, aire y parámetros termodinámicos biorreactores SSF
Anteriormente hemos presentado expresiones matemáticas para describir los diversos procesos de transferencia de macroescala y masa que son importantes en los biorreactores SSF. Estas expresiones contienen varios parámetros. Para resolver modelos matemáticos de biorreactores SSF, es necesario proporcionar valores para estos parámetros. Estaremos brindando recomendaciones sobre cómo se pueden estimar estos parámetros, por medios experimentales u otros. Sin embargo, no proporcionamos instrucciones detalladas sobre cómo llevar a cabo tales determinaciones. También abordaremos otros parámetros que se vuelven importantes en el diseño y el proceso de optimización del biorreactor.
Propiedades del sustrato
Las propiedades del sustrato pueden ser bastante importantes para afectar la forma en que funciona un biorreactor SSF. Algunas de estas propiedades deben determinarse para incluirse en los modelos de biorreactores. Otros pueden no aparecer en los modelos, pero pueden influir en el rendimiento del biorreactor y, por lo tanto, es necesario tenerlos en cuenta durante el proceso de desarrollo del biorreactor. Hasta ahora, ha habido relativamente poco esfuerzo para caracterizar estas propiedades cuantitativamente para los sistemas SSF, por lo tanto, nuestro enfoque será cualitativo.
Las propiedades del sustrato relacionadas con la estructura intrapartícula no están incluidas aquí. Podrían ser importantes para influir en la resistencia a la difusión de enzimas y nutrientes y a la penetración de las hifas. Sin embargo, hasta ahora los modelos de biorreactores tienden a ignorar los fenómenos dentro de las partículas.
Tamaño de partícula y forma
El tamaño y la forma de las partículas de sustrato preparadas influyen en la accesibilidad de los nutrientes al organismo. Cuanto mayor es el tamaño de la dimensión más pequeña de la partícula, mayor es la profundidad promedio de los nutrientes dentro de la partícula. Puede ser difícil para el organismo utilizar los nutrientes localizados en el interior de la partícula, especialmente los polímeros. Esto afectará tanto la velocidad como la cantidad final de crecimiento que ocurre durante la fermentación. Podría estar determinado por el área superficial disponible para el crecimiento, que a su vez está determinada por el tamaño y la forma de las partículas. En otras palabras, si la biomasa cubre las superficies de todas las partículas a la densidad máxima de empaquetamiento de biomasa (biomasa por cm2), no se producirá un crecimiento adicional, incluso si todavía hay nutrientes dentro de la partícula del sustrato. Sin embargo, tenga en cuenta que en los modelos de biorreactores SSF, el tamaño de partícula no aparece dentro de la ecuación cinética, que generalmente es simplemente una descripción empírica de las curvas de crecimiento observadas. Los experimentos deben realizarse en el laboratorio con diferentes tamaños de partículas para determinar el tamaño de partícula óptimo desde el punto de vista de la cinética de crecimiento.
El tamaño de partícula también influirá en el empaque dentro de la cama y, por lo tanto, en la aireación de la cama. Comparando dos capas de diferentes tamaños de partículas pero la misma porosidad (fracción vacía), será más difícil forzar el aire a través del lecho de partículas más pequeñas (el fenómeno de la caída de presión). Sin embargo, por otro lado, el aire puede tender a seguir rutas preferenciales en un lecho de partículas más grandes (el fenómeno de canalización). Por lo tanto, los estudios para determinar el tamaño de partícula óptimo para el proceso también deberían realizarse en el biorreactor a escala de producción, si es posible.
El diámetro de partícula puede aparecer dentro de varias correlaciones que se utilizan en el modelado, por ejemplo, en las correlaciones de los coeficientes de transferencia de calor y masa que aparecen en el modelo. Por lo tanto, puede ser necesario determinar el diámetro de partícula experimentalmente. Esto puede no ser simple para partículas de forma irregular. Para partículas no esféricas pero regulares, es posible usar el radio equivalente, definido como el volumen de la partícula dividido por su área de superficie.
La determinación del tamaño de partícula será más complicada si no todas las partículas son idénticas. La homogeneidad del tamaño y la forma de las partículas dependerá de la fuente de las partículas y de la manera en que se prepararon. Por ejemplo, se puede esperar que los granos sean más homogéneos que los sustratos como la paja picada o los tubérculos raspados. Para sustratos heterogéneos, será necesario determinar la distribución del tamaño de partícula. Para las partículas con una forma que es razonablemente cercana a la esférica, esto se puede hacer pasando una muestra a través de una serie de tamices graduados. Por supuesto, los tamices también se pueden usar para seleccionar un rango particular de tamaños de partículas para usar en la fermentación.