El diseño de bioreactores es sumamente importante si deseamos implementar en nuestro laboratorio o planta industrial unidades que incluyan procesos biológicos, tal como sucede en bioreactores para la obtención, mediante cultivo, de células animales para la producción de proteínas altamente sofisticadas o en la obtención de otros productos de alto valor añadido a partir de microorganismos, como es el caso de la obtención de insulina con la inserción del gen que codifica esta proteína en E. coli.
Será interesante ver como se pueden obtener estos productos de alto valor añadido a partir de efluentes industriales considerados tradicionalmente como residuos, pero que con los tratamientos adecuados, se pueden revalorizar materialmente y favorecer así la implementación de ciclos quasi cerrados de materiales a fin de evitar que éstos sean valorizados energéticamente o simplemente almacenados en vertederos tras ser neutralizados químicamente. Esta cuestión es abordada con más profundidad en el módulo Ingeniería metabólica.
Dada la naturaleza de los procesos que tienen lugar en un bioreactor, su diseño deberá obedecer a las demandas propias de todo reactor químico más las específicas del proceso biológico. Por lo tanto, la selección de un determinado bioreactor dependerá, fundamentalmente, del factor que limite en mayor medida el proceso de conversión.
Discontinuo: es el más tradicional y el más ampliamente utilizado a escala industrial. El tiempo de operación necesario puede ir desde horas a varias semanas dependiendo de la conversión y de las condiciones de operación.
Durante la operación ha de evitarse la contaminación, mantener la agitación, y controlar pH y temperatura. Operan con baja densidad celular, sobre todo en el periodo inicial, y debe evitarse la alimentación de concentraciones elevadas de substrato para evitar inhibiciones por éste o por el producto.
Se emplea mayoritariamente en la industria alimentaria, farmacéutica y biotecnológica, en general, ya que en ellos es fácil alcanzar y mantener condiciones asépticas durante la operación. Este hecho es importante a la hora de mantener en procesos en los que se emplean medios muy ricos en nutrientes.
Ejemplos típicos son la producción de ácido acético, de vitamina C y C12, levadura de panificación, penicilina y digestión anaerobia de fangos (microorganismos producidos en los tratamientos continuos de aguas residuales).
Las desventajas que presentan son las típicas del discontinuo: pérdida de eficacia por las puestas en marcha y paradas, la falta de homogeneidad del producto entre cargas y dificultad de implementación de esquemas de integración energética.
Fed-batch (alimentado en discontinuo): el substrato se alimenta en cargas sucesivas y no se retira producto alguno, variando así el volumen de reacción. Variando la velocidad y la concentración del alimento se controla o altera la concentración de uno o más nutrientes o substrato en el medio de cultivo. Con ello se aumenta la productividad global. Esta estrategia se aplica en la producción de levadura de pan y de antibióticos.
Continuo: este reactor tanque agitado continuo recibe también el nombre de quimiostato. Este reactor no es básicamente diferente al discontinuo, excepto en los dispositivos que permiten la entrada y salida de un caudal.
Sin embargo, este tipo opera en estado estacionario, lo que implica condiciones uniformes no sólo desde el punto de vista geométrico, sino también respecto al tiempo. El control de las variables de operación es mucho más fácil, pero los valores de las variables no pueden ser cualesquiera.
Si el caudal es demasiado elevado puede suceder que la producción de microorganismos sea inferior al número de los que son arrastrados por la corriente de salida y, en consecuencia, si la situación persiste llega a suceder que no queda ningún microorganismo en el interior del reactor. Se dice que han sido lavados (wash-out) del fermentador.
La situación se puede paliar añadiendo en la alimentación microorganismos similares a los del reactor. La fuente natural de estos microorganismos es evidentemente la corriente de salida. Así, se pasa el efluente por un sedimentador o por una centrifuga, y se separa una solución concentrada de microorganismos que en buena parte se reciclada al reactor Con este procedimiento no solo se evita el lavado de células, sino que también se aumenta la producción al aumentar el tiempo de permanencia de los microorganismos en el reactor. En la industria es frecuente el uso de una serie de tanques agitados con el fin de aumentar la productividad o para poder variar las condiciones ambientales en cada etapa.
Bioreactores tubulares
Los bioreactores tubulares siguen el model de flujo en pistón y habitualmente cuentan con una parte sólida (fija o móvil), donde se pueden inmovilizar enzimas o microorganismos y que es atravesada por un fluido que contiene las materias primas o sustrato de reacción, ya bien sea un fluido líquido, un fluido gaseoso o un fluido líquido y simultáneamente gaseoso.
En primer lugar definiremos que es un lecho fluidizado y las variables habituales de diseño.
Lecho fluidizado
Un lecho fluidizado es un lecho de partículas sólidas en suspensión por efecto del flujo ascendente de un fluido.
Dependiendo del tipo de fluido se pueden distinguir, a priori, dos tipos de lechos fluidizados: el gas-sólido y el líquido-sólido. No obstante, casi todas las aplicaciones comerciales conciernen a sistemas gas-sólido.
En la imagen 4 se observan sucesivos estados del sistema gas-sólido a medida que aumenta la velocidad de paso del gas. En el estado (a), el lecho de partículas permanece estático comportándose como un lecho fijo. En el (b), el lecho esta expandido con una distribución relativamente uniforme de las partículas, que, a su vez, presentan un movimiento caótico. No se observan burbujas de ningún tipo y tamaño. En el estado (c), correspondiente a velocidades del fluido mayores que en (a) y (b), el lecho se ha vuelto ha expander debido a la presencia de burbujas de fluido. En es estado (d), debido a la elevada velocidad se forman grandes burbujas que pueden llegar a ocupar todo el diámetro del reactor, y se puede iniciar ya el arrastre de las partículas. Finalmente en (e), se muestra el arrastre de las partículas fuera del reactor.
Será interesante ver como se pueden obtener estos productos de alto valor añadido a partir de efluentes industriales considerados tradicionalmente como residuos, pero que con los tratamientos adecuados, se pueden revalorizar materialmente y favorecer así la implementación de ciclos quasi cerrados de materiales a fin de evitar que éstos sean valorizados energéticamente o simplemente almacenados en vertederos tras ser neutralizados químicamente. Esta cuestión es abordada con más profundidad en el módulo Ingeniería metabólica.
Dada la naturaleza de los procesos que tienen lugar en un bioreactor, su diseño deberá obedecer a las demandas propias de todo reactor químico más las específicas del proceso biológico. Por lo tanto, la selección de un determinado bioreactor dependerá, fundamentalmente, del factor que limite en mayor medida el proceso de conversión.
- Para mantener la concentración de substrato por debajo del nivel en que se presentan problemas de inhibición y, al mismo tiempo, lograr una operación eficaz, se pueden aplicar estrategias de alimentación adecuadas compatibles con cada uno de los sistemas que propongan. En general los sistemas que permitan una mezcla completa serán más favorables.
- Para minimizar los efectos derivados de los fenómenos de inhibición por producto se pueden plantear dos estrategias diferentes: eliminación del producto obtenido a medida que se va formando: o bien operación con un bioreactor cuya configuración proporciona un modelo de flujo próximo al flujo en pistón.
- Existen diversos mecanismos para aumentar la concentración celular o enzimática en el sistema, entre los que destacan la inmovilización (entendida en un sentido amplio) y la recirculación celular. Mientras que la recirculación es una práctica habitual con técnicas ya bien establecidas, la inmovilización ha tenido menos impacto a escala industrial.
- Los problemas relacionados con la transferencia de materia, especialmente de oxígeno, se pueden abordar, bien por una mejora del sistema de dispersión de gas (boquillas, difusores, etc.) que permitan aumentar el área interfacial o bien por modificaciones en el sistema de agitación.
En este punto cabe recordar que en el módulo Ingeniería metabólica se abordan las cuestiones relacionadas con los factores que inciden en el metabolismo celular.
Los bioreactores tanque agitado siguen el modelo de mezcla perfecta y pueden trabajar en discontinuo, fed-batch (alimentado en discontinuo) o en continuo.
En primer lugar se explicarán los modelos aplicados a reactores ideales y, posteriormente se detallarán las consideraciones aplicadas en bioreactores reales.
Bioreactores tanque agitado
Discontinuo: es el más tradicional y el más ampliamente utilizado a escala industrial. El tiempo de operación necesario puede ir desde horas a varias semanas dependiendo de la conversión y de las condiciones de operación.
Durante la operación ha de evitarse la contaminación, mantener la agitación, y controlar pH y temperatura. Operan con baja densidad celular, sobre todo en el periodo inicial, y debe evitarse la alimentación de concentraciones elevadas de substrato para evitar inhibiciones por éste o por el producto.
Se emplea mayoritariamente en la industria alimentaria, farmacéutica y biotecnológica, en general, ya que en ellos es fácil alcanzar y mantener condiciones asépticas durante la operación. Este hecho es importante a la hora de mantener en procesos en los que se emplean medios muy ricos en nutrientes.
Ejemplos típicos son la producción de ácido acético, de vitamina C y C12, levadura de panificación, penicilina y digestión anaerobia de fangos (microorganismos producidos en los tratamientos continuos de aguas residuales).
Las desventajas que presentan son las típicas del discontinuo: pérdida de eficacia por las puestas en marcha y paradas, la falta de homogeneidad del producto entre cargas y dificultad de implementación de esquemas de integración energética.
Imagen 1. Perfil de concentración en un reactor de MP en régimen discontinuo.
Fed-batch (alimentado en discontinuo): el substrato se alimenta en cargas sucesivas y no se retira producto alguno, variando así el volumen de reacción. Variando la velocidad y la concentración del alimento se controla o altera la concentración de uno o más nutrientes o substrato en el medio de cultivo. Con ello se aumenta la productividad global. Esta estrategia se aplica en la producción de levadura de pan y de antibióticos.
Continuo: este reactor tanque agitado continuo recibe también el nombre de quimiostato. Este reactor no es básicamente diferente al discontinuo, excepto en los dispositivos que permiten la entrada y salida de un caudal.
Imagen 2. Reactor tanque agitado en régimen de operación en continuo.
Sin embargo, este tipo opera en estado estacionario, lo que implica condiciones uniformes no sólo desde el punto de vista geométrico, sino también respecto al tiempo. El control de las variables de operación es mucho más fácil, pero los valores de las variables no pueden ser cualesquiera.
Si el caudal es demasiado elevado puede suceder que la producción de microorganismos sea inferior al número de los que son arrastrados por la corriente de salida y, en consecuencia, si la situación persiste llega a suceder que no queda ningún microorganismo en el interior del reactor. Se dice que han sido lavados (wash-out) del fermentador.
La situación se puede paliar añadiendo en la alimentación microorganismos similares a los del reactor. La fuente natural de estos microorganismos es evidentemente la corriente de salida. Así, se pasa el efluente por un sedimentador o por una centrifuga, y se separa una solución concentrada de microorganismos que en buena parte se reciclada al reactor Con este procedimiento no solo se evita el lavado de células, sino que también se aumenta la producción al aumentar el tiempo de permanencia de los microorganismos en el reactor. En la industria es frecuente el uso de una serie de tanques agitados con el fin de aumentar la productividad o para poder variar las condiciones ambientales en cada etapa.
Imagen 3. Modelo de mezcla perfecta en régimen de operación en continuo.
Los bioreactores tubulares siguen el model de flujo en pistón y habitualmente cuentan con una parte sólida (fija o móvil), donde se pueden inmovilizar enzimas o microorganismos y que es atravesada por un fluido que contiene las materias primas o sustrato de reacción, ya bien sea un fluido líquido, un fluido gaseoso o un fluido líquido y simultáneamente gaseoso.
En primer lugar definiremos que es un lecho fluidizado y las variables habituales de diseño.
Lecho fluidizado
Un lecho fluidizado es un lecho de partículas sólidas en suspensión por efecto del flujo ascendente de un fluido.
Dependiendo del tipo de fluido se pueden distinguir, a priori, dos tipos de lechos fluidizados: el gas-sólido y el líquido-sólido. No obstante, casi todas las aplicaciones comerciales conciernen a sistemas gas-sólido.
En la imagen 4 se observan sucesivos estados del sistema gas-sólido a medida que aumenta la velocidad de paso del gas. En el estado (a), el lecho de partículas permanece estático comportándose como un lecho fijo. En el (b), el lecho esta expandido con una distribución relativamente uniforme de las partículas, que, a su vez, presentan un movimiento caótico. No se observan burbujas de ningún tipo y tamaño. En el estado (c), correspondiente a velocidades del fluido mayores que en (a) y (b), el lecho se ha vuelto ha expander debido a la presencia de burbujas de fluido. En es estado (d), debido a la elevada velocidad se forman grandes burbujas que pueden llegar a ocupar todo el diámetro del reactor, y se puede iniciar ya el arrastre de las partículas. Finalmente en (e), se muestra el arrastre de las partículas fuera del reactor.
Imagen 4. Estados del proceso de fluidización a medida que aumenta la velocidad del paso de gas.
Imagen 5. Diagrama de bloques de proceso de biotransformación.
Si estamos tratando de un sistema líquido-sólido que requiere de la introducción en el sistema de algún tipo de gas, ya bien sea como elemento puro o en mezcla (ver imagen 5), deberemos hacerlo teniendo en cuenta, no sólo el modelo de flujo con el que estamos trabajando, sino que también habrá que integrar conceptos de fluidodinámica de burbujas de gas en medio acuoso y los fenómenos de transferencia de materia gas-líquido-sólido en el model de comportamiento, además de las ecuaciones que definan la reacción enzimática o microbiológica.
- Diseño del distribuidor de gas
- Distribución uniforme del gas en el lecho.
- Prevención de la pérdida de sólido por el distribuidor.
- Prevención de la atrición del sólido en los puntos de inyección del gas.
- Completa fluidización desde el inicio del lecho sin la formación de zonas muertas en las cercanías del distribuidor.
- Control de la formación de chorros durante la inyección del gas a través de los orificios del distribuidor.
La pérdida de presión a través del distribuidor es la variable esencial en la verificación de las anteriores consideraciones. En principio, cuanto más elevada sea mejor será la distribución del gas, ya que el gas tiene que vencer de manera uniforme las perturbaciones que se producen en el burbujeo del gas.
Sin embargo, si la caída de presión es suficientemente pequeña, el gas busca los orificios más fáciles, dónde la caída de presión sea más baja, produciéndose canalizaciones preferentes, y probablemente aparecerán orificios tapados.
Al mismo tiempo, una elevada pérdida de carga significa una mayor compresión del gas, es decir, un incremento en el coste, y , por tanto, un aumento considerable de la velocidad en los chorros del distribuidor. Esto último lleva consigo una mayor atrición del sólido y también el peligro de que dichos chorros atraviesen el lecho, si éste es de poca altura, con el consiguiente bypass de gas.
Experimentalmente se ha comprobado que la pérdida de presión debe de estar entre un 10 y un 30% de la pérdida total de presión en el lecho fluidizado.
Sin embargo, si la caída de presión es suficientemente pequeña, el gas busca los orificios más fáciles, dónde la caída de presión sea más baja, produciéndose canalizaciones preferentes, y probablemente aparecerán orificios tapados.
Al mismo tiempo, una elevada pérdida de carga significa una mayor compresión del gas, es decir, un incremento en el coste, y , por tanto, un aumento considerable de la velocidad en los chorros del distribuidor. Esto último lleva consigo una mayor atrición del sólido y también el peligro de que dichos chorros atraviesen el lecho, si éste es de poca altura, con el consiguiente bypass de gas.
Experimentalmente se ha comprobado que la pérdida de presión debe de estar entre un 10 y un 30% de la pérdida total de presión en el lecho fluidizado.
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Referencias bibliográficas
Referencias bibliográficas
- Fidel Cunill, Montserrat Iborra, Javier Tejero. Ampliación de reactores químicos, 2010.
