Modelo del biorreactor de cama empaquetada Zymotis
El modelo descrito aquí se basa en el desarrollado para el biorreactor Zymotis de Roussos , Mitchell y von Meien. La versión utilizada aquí ha sido modificada por la inclusión de un balance de agua.
El modelo
El modelo del lecho empacado de Zymotis debe tener en cuenta la transferencia de calor en dos direcciones en el lecho del sustrato: (1) la dirección que es co-lineal con el flujo de aire, lo que provoca la eliminación del calor por convección y evaporación; y (2) la conducción horizontal a las placas de enfriamiento, que es normal a la dirección del flujo de aire. Por lo general, los gradientes de adelante hacia atrás serán insignificantes.
En este modelo, se utilizan las mismas ecuaciones cinéticas de crecimiento como se describe en las ecuaciones:
Se supone que las fases sólidas y gaseosas permanecen en equilibrio térmico y de humedad entre sí. En otras palabras, la fase gaseosa permanece saturada a la temperatura del lecho. El término diferencial dHsat/ dT en el balance de energía viene dado por la ecuación:
La separación entre las placas (L) varió, el coeficiente de transferencia de calor global para la transferencia de calor desde el borde del lecho de sustrato a través de la pared de la placa al agua de refrigeración (h) se tomó como 95 W m-2oC-1, un valor que es típico de los intercambiadores de calor y, finalmente, la temperatura del agua de enfriamiento (Tw) se fijó a 38 ° C en varias simulaciones y se varió de acuerdo con un esquema de control en otros.
Información sobre el diseño y funcionamiento óptimos de las camas empacadas de Zymotis.
El modelo se puede utilizar para explorar el efecto de las condiciones operativas en el rendimiento del biorreactor. No se mostrarán simulaciones de los efectos de la velocidad del aire superficial, la temperatura del aire de entrada o la altura del biorreactor. Los principios generales son los mismos que para la cama empacada tradicional discutida anteriormente, aunque los efectos no son exactamente los mismos, debido a la eliminación adicional de calor por las placas de transferencia de calor. Por lo tanto, estos parámetros se discuten en general, sin que se realicen nuevas simulaciones.
Después de esto, se exploran los efectos del nuevo diseño y las variables de operación introducidas por las placas de transferencia de calor internas, a saber, el espaciado entre las placas y la temperatura del agua de refrigeración.
Principios y tendencias generales.
Las predicciones del modelo en la gráfica (a) muestra claramente los gradientes de temperatura verticalmente a través del lecho (es decir, paralelo a la dirección del flujo de aire) y horizontalmente (es decir, normal a la dirección del flujo de aire). En la figura (b) compara las temperaturas del eje central para el biorreactor Zymotis y un lecho empacado tradicional que es lo suficientemente ancho para que la eliminación de calor a través de las paredes laterales sea despreciable. La comparación se realiza para el mismo microorganismo, es decir, en ambos casos, optse establece en 0.236 h-1y para las mismas condiciones de operación. A lo largo del eje central del fermentador, debido a la mayor tasa de eliminación de calor en el biorreactor Zymotis, la temperatura no alcanza valores tan altos en la mitad superior del biorreactor, aunque el rendimiento es razonablemente similar en la mitad inferior. Sin embargo, tenga en cuenta que para el biorreactor Zymotis, la curva representa solo la temperatura del eje central, mientras que para el lecho empaquetado tradicional representa la temperatura en todas las posiciones radiales para esa altura. En el lecho empacado de Zymotis, el resto del lecho es más frío que el eje central a la altura correspondiente, y por lo tanto el crecimiento es correspondientemente mejor.
Con respecto a las dimensiones del biorreactor, el valor práctico máximo para la profundidad de adelante hacia atrás dependerá del tamaño de las placas de transferencia de calor que se puedan construir. Dado que se pueden agregar más placas para extender el ancho del biorreactor, teóricamente no hay limitación en el ancho. Una ventaja del biorreactor Zymotis es que, con el aplanamiento del perfil de temperatura, teóricamente son posibles mayores alturas que para biorreactores tradicionales, al menos en función de las consideraciones de temperatura, aunque la caída de presión puede ser problemática a grandes alturas.
En las regiones superiores del lecho, gran parte del calor metabólico residual se elimina por conducción a las placas de transferencia de calor, como lo demuestra el aplanamiento del perfil de temperatura; en estas regiones solo una proporción relativamente menor se elimina por convección axial y evaporación. Tenga en cuenta que los perfiles predichos son similares a los perfiles de temperatura experimentales que Saucedo – Castaneda, medido en un biorreactor de lecho empacado con camisa de agua de 6 cm de diámetro. La posición en la que el perfil de temperatura axial se aplana en el biorreactor Zymotis depende de la velocidad de producción de calor y de los diversos parámetros operativos, incluida la velocidad superficial del aire. De hecho, debido a la aceleración y desaceleración en la tasa de crecimiento durante las diversas fases de una fermentación, y los cambios correspondientes en la tasa de producción de calor metabólico residual, la extensión de la «zona plana» fluctuará durante la fermentación.