Transferencia de calor

En los reactores biológicos, se requiere la adición o remoción de calor hacia o desde el fluido microbial, por las siguientes razones:

• En el procedimiento de esterilización se suministra calor para calentar la mezcla hasta la temperatura necesaria para la eliminación de todos los microorganismos. La mezcla se mantiene a esa temperatura durante un tiempo denominado período de sostenimiento. Luego se retira calor hasta enfriar la mezcla a la temperatura de fermentación.

• Se debe suministrar calor si el generado por la conversión de un sustrato, resulta insuficiente para mantener el nivel de temperatura.

• Se debe remover calor cuando la conversión de un sustrato genera excesivo calor con respecto a las condiciones óptimas del reactor. Tal es el caso de la mayoría de los procesos fermentativos.

El calor se transfiere entre la mezcla de fermentación hacia o desde un segundo fluido, de diversas formas (ver figura 1), esto es, con sistemas de camisa externos, serpentines internos o externos, flujo a través de un intercambiador de calor, o por evaporación o condensación del agua y otros componentes volátiles del fluido celular.

Las fluctuaciones de temperatura entre la atmósfera y lagos y zonas térmicamente estratificadas, involucran claramente transferencia de calor; las temperaturas que resultan determinan la habitabilidad de nichos para diversas especies.

Figura 1. Distintas formas de intercambio de calor

Suponiendo que las velocidades de transferencia y los cambios en las demás formas de energía son despreciables, la ecuación fundamental de estado estable en la cual se relaciona la velocidad total de generación de calor con la velocidad de remoción a través de alguna superficie de transferencia de calor; es

Velocidad de generación neta = velocidad de remoción =

Donde, DT es la diferencia de temperatura característica entre el bioproceso y el fluido de enfriamiento o calentamiento; A es el área de la superficie de transferencia de calor; y U es el coeficiente global de transferencia de calor.

Como en la transferencia de masa, la mayor resistencia a la transferencia de calor reside en una delgada capa relativamente inmóvil de fluido, cercana a la frontera de transferencia. Por otra parte, la masa global de fluido está bien agitada y por esta razón, permanece aproximadamente isotérmica.

Los coeficientes de transferencia de calor (h) (ver tabla 1), del agua en ebullición y de vapores en condensación (típicamente vapor de agua), hacen que estos fluidos sean convenientes en los procesos de esterilización. Cuando se requieren bajas temperaturas, como es el caso de reactores para el tratamiento anaeróbico de lodos, se emplea una corriente de agua caliente (pero no en ebullición). Los líquidos viscosos presentan resistencias a la transferencia de calor mayores que las del agua; y como en la transferencia de masa, esto se debe a un mayor grado de pérdida de intercambio de calor entre el seno del fluido de intercambio con el fluido de la pared, y también a una conductividad térmica más reducida.

Tabla 1. Coeficientes de transferencia de calor