Reactores Biológicos: Fluidización, Air-Lift, Fotobiorreactores e Inmovilización Celular

Lecho Fluidizado vs. Air-Lift: Comportamiento Hidrodinámico

El comportamiento hidrodinámico difiere significativamente entre lechos fluidizados y air-lift:

• En air-lift, la velocidad de circulación del líquido está relacionada con el caudal de gas.
• En lechos fluidizados, el caudal de líquido es independiente del caudal de gas.
• Debido a los altos tiempos de residencia habituales, en lechos fluidizados no es posible tratar caudales elevados sin plantear recirculación, mientras que en air-lift sí se puede.
• La elevada turbulencia de los air-lift minimiza el problema de la formación de bolsas de gas, que pueden producir arrastre de sólidos y problemas operacionales, un fenómeno frecuente en los lechos fluidizados.
• Los rangos de operación de los air-lift, en cuanto a velocidades superficiales de líquido y gas, son más amplios.
• En los air-lift la mezcla es más eficaz y, debido a las elevadas velocidades de circulación, se alcanzan mayores coeficientes de transferencia de materia.

Reactores de Membrana

Reactores de membrana para retención o inmovilización celular, suministro de O₂ al medio de cultivo y separación de productos:

1. Fibras huecas: Carcasa y tubos PFR con algo de mezcla. Las células se adhieren a las fibras. STM poco eficaces debido a problemas difusionales y colmatación de fibras.
2. STM de retención de membrana: Reactor acoplado mediante lazo semiabierto a modo de membrana que sirve para separar células del producto.
3. Rotofermentador: La membrana está fija en un módulo que gira, creando turbulencia en la superficie, minimizando el ensuciamiento y la polarización de la membrana.

Reactores con Separador de Producto In Situ

Acoplamiento de fermentador con STM de destilación al vacío. Acoplamiento de fermentador con columna de relleno para desorción de etanol con agua. La fase líquida sin etanol se recircula al reactor. Fermentación extractiva (extracción líquido-líquido). Separación mediante membranas por diferencia de vapor, manteniéndose vacío en la zona del permeato para facilitar la evaporación.

Fotobiorreactores

Utilizados para la producción de biomasa, metabolitos y aplicaciones medioambientales. Pueden ser exteriores o con iluminación artificial.

Inmovilización de Biocatalizadores

Adsorción

Interacciones iónicas o fuerzas de atracción débiles (puentes H, Van der Waals…) entre el biocatalizador y el soporte.

Método: (Disolución/suspensión biocatalizador + adsorbente activo) + (Lavado)

Ventajas: Método suave, no suele afectar la actividad (o viabilidad).

Inconvenientes: Reversibilidad (pH, fuerza iónica, T).

Variedad de soportes: Orgánicos e inorgánicos, a veces pre-tratados: poliéster, inox, vidrio activado con Ti, carbón activo, propil o butil agarosa, resinas sintéticas (intercambio iónico), celulosa y derivados, virutas de madera, etc.

Enlace Covalente

Enlace covalente entre el biocatalizador y la superficie del soporte (preferente para enzimas).

Método general: Activación del soporte + enlace de la enzima (variedad de métodos: enlace directo, activación del soporte, agentes enlazantes…)

Grupos de enlace en enzimas y en soportes: Amino, carboxilo, sulfidrilo, hidroxilo, etc.

Ventajas: Posible estabilización (rigidificación), cambia el microentorno de la enzima.

Inconvenientes: Pérdida de actividad (modifica el sitio activo, impedimento estérico).

Soportes: Naturales (celulosa, agarosa, dextrano) y sintéticos (derivados de poliacrilamida, poliestireno), materiales cerámicos, vidrio.

Entrecruzados

Sin soporte, enlace covalente entre enzimas generando partículas sólidas (floculación en células).

Método: Adición de agente bifuncional de bajo PM (p.ej. glutaraldehído).

Ventajas: Simple, reactivos comerciales.

Inconvenientes: Control estricto de las condiciones de reacción, baja resistencia de los sólidos.

Inclusión o Atrapamiento

Formación de matriz 3D en presencia del biocatalizador, que queda atrapado dentro; retiene el catalizador, permite la difusión de sustratos y reactivos (preferente para microorganismos).

Ventajas: Método suave, alta actividad (o viabilidad), geometría diversa.

Inconvenientes: Limitaciones difusionales, escape del biocatalizador (crecimiento celular y rotura), disolución de geles ionotrópicos con iones quelantes (fosfato, citrato), baja resistencia mecánica (agitación).

Soportes: Poliméricos sintéticos (poliacrilamida) o naturales (gelificación termorreversible (agarosa, carragenato) o ionotrópica (alginato).

Con Membranas

El biocatalizador se inmoviliza en el interior de un espacio limitado por una membrana.

Modalidades: Microencapsulación y membranas preformadas.

Métodos (microencapsulación):

Ventajas: El biocatalizador está en suspensión en medio líquido, separado del medio exterior de reacción.

Inconvenientes: Proceso complejo en medios bifásicos (o coste de las membranas).