Reología de las mezclas fermentativas
Las mezclas de fermentación están constituidas por agua, electrolitos, sólidos en suspensión (partículas, flóculos y materiales filamentosos) y materiales disueltos. Estas sustancias determinan el comportamiento reológico y la tensión superficial de la mezcla, e influyen sobre la transferencia de momentum, calor y masa en los biorreactores.
Inconvenientemente la mayor parte de la información disponible sobre consumo de potencia por agitación, transferencia de calor y transferencia de masa, se fundamenta en datos obtenidos con agua. El agua y las soluciones de electrolitos manifiestan un comportamiento reológico sencillo descrito por la ley de Newton, Bird et al., (1960). La mayoría de los medios de fermentación con bacterias y levaduras también manifiestan un comportamiento Newtoniano. Los medios donde participan células miceliales o donde se forman compuestos poliméricos, se comportan generalmente como fluidos no Newtonianos.
La determinación del comportamiento reológico de un fluido, requiere la construcción de un reograma a partir del ajuste de los datos experimentales que se obtienen con un viscosímetro, dentro de un amplio intervalo de valores de la viscosidad. Metz et al. (1979), describen algunos métodos de obtención de las propiedades reológicas de los cultivos miceliales. Charles (1978), clasifica las mezclas de fermentación en tres categorías: cultivos miceliales, cultivos con polisacáridos extracelulares, y cultivos de bacterias y levaduras.
La figura 1 es una representación cualitativa de los reogramas típicos de algunas mezclas de fermentación. Los resultados experimentales reportados por diferentes investigadores, corresponden generalmente a datos que se obtienen en diversos tipos de viscosímetros, factor que influye sobre los resultados y dificulta la confrontación de los valores, aun tratándose de la misma mezcla.
Figura 1.
Roels et al. (1974), presentan una lista de los modelos matemáticos empíricos empleados por diferentes autores para describir la relación entre la viscosidad aparente, mAP, y el gradiente de velocidad. La magnitud de los parámetros de los diferentes modelos depende de la concentración, de la morfología celular, de las condiciones de crecimiento y de si es filamentoso o del tipo pelotilla.
Los sustratos de bajo peso molecular, como el almidón de maíz disuelto en agua, o una elevada concentración de sólidos no disueltos, afectan la reología del caldo aun a bajas concentraciones celulares. La viscosidad es probablemente el factor que afecta en mayor grado el coeficiente de transferencia de calor. La disminución de éste coeficiente es dramática a partir de viscosidades del orden de 0,5 kg/(m s), cuando la velocidad de aireación es alta.
Xueming et al. (1991), estudiaron el efecto de la viscosidad en mezclas de fermentación de polisacáridos (goma xantana), sobre el coeficiente de transferencia de calor. En el caso de mezclas con una concentración de 27 gramos de goma por litro, agitadas con turbinas Rushton, el valor del coeficiente puede llegar a ser tan sólo el 6% del valor en agua.
