Biorreactor de Lecho Empacado: Concepto y Funcionamiento

Los biorreactores son una pieza fundamental en la biotecnología moderna. Un biorreactor es un sistema cerrado que proporciona un ambiente controlado para que ocurra una reacción biológica. En su núcleo, un biorreactor es un contenedor donde microorganismos, células animales o vegetales, y enzimas pueden crecer y llevar a cabo reacciones biológicas específicas. Los biorreactores son dispositivos biotecnológicos que deben proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo vivo.

Los biorreactores son medios de cultivo optimizados empleados para la producción de sustancias a gran escala. Aunque en los casos concretos donde se pretende que un organismo realice una fermentación, los biorreactores se denominan también fermentadores. Permiten la producción de productos biológicos de manera eficiente y controlada, reduciendo el uso de recursos naturales y la generación de residuos. La biotecnología, concebida como la aplicación del conocimiento para la obtención de productos y servicios mediante el uso de seres vivos o enzimas, hace necesaria la participación de profesionales que posean capacidades y habilidades para la operación y control de biorreactores. En ellos es donde los seres vivos o enzimas llevan a cabo las transformaciones de materias primas a productos.

Funcionamiento General de un Biorreactor

El mecanismo de funcionamiento de un biorreactor implica controlar las condiciones ambientales, suministrar sustratos nutritivos, mantener la mezcla y la transferencia de oxígeno, y supervisar y regular el proceso de reacción biológica. Los biorreactores simulan principalmente condiciones biológicas internas para proporcionar entornos de crecimiento adecuados a microorganismos, células, etc., lo que permite que se produzcan procesos bioquímicos fuera de los organismos vivos.

Control Medioambiental y Parámetros

Los biorreactores son dispositivos complejos que requieren una atención detallada en su diseño y funcionamiento para garantizar un rendimiento óptimo y la producción eficiente. Algunos de los parámetros más críticos incluyen:

• Regulación de la temperatura: Los biorreactores utilizan sistemas integrados de calefacción y refrigeración para mantener un rango óptimo de temperatura, ya que esta influye directamente en la tasa de crecimiento y la actividad metabólica de los microorganismos.
• Ajuste del valor del pH: El pH afecta significativamente al metabolismo microbiano y a la actividad enzimática. Los biorreactores suelen incorporar sensores de pH y sistemas de control automatizados para ajustar el pH del medio de cultivo.
• Control de la concentración de oxígeno: Los microorganismos aerobios necesitan oxígeno disuelto adecuado para crecer. Los biorreactores consiguen una distribución uniforme del oxígeno introduciendo aire u oxígeno puro mientras emplean agitación mecánica.
• Suministro de nutrientes: Se introducen oportunamente fuentes de carbono, nitrógeno y otros nutrientes en el reactor mediante un dispositivo de alimentación líquida para garantizar el crecimiento microbiano y la síntesis de productos.
• Mezcla y agitación: Para evitar la estratificación y precipitación del material, los biorreactores suelen estar equipados con agitadores o sistemas de inyección de gas para mantener la distribución uniforme de los reactivos y que las células se distribuyan uniformemente.

Tipos de Biorreactores y su Clasificación

Existen varios tipos de biorreactores, cada uno diseñado para satisfacer necesidades específicas, adaptándose a diversas aplicaciones y presentando características únicas, modos de funcionamiento específicos y ventajas. Entre los más comunes se encuentran:

• Biorreactores de Tanque Agitado: Los más utilizados en la industria, con mezcla constante de componentes mediante agitadores.
• Biorreactores de Membrana: Emplean membranas semipermeables para separar y concentrar productos.
• Biorreactores de Lecho Fijo: Ideales para reacciones donde se necesita un soporte sólido para el crecimiento de microorganismos inmovilizados.
• Biorreactores de Lecho Fluidizado: Funcionan mediante el flujo de un gas o líquido a través de partículas sólidas, creando un lecho similar a un fluido.
• Biorreactores Anaerobios: Operan en condiciones sin oxígeno, vitales en el tratamiento de aguas residuales y la producción de biogás.

La clasificación de los biorreactores se realiza de varias maneras:

• Clasificación Operativa: De acuerdo a su modo de operación: discontinuo (batch) (cultivo por lotes, sin alimentación), semicontinuo (fed-batch) (con alimentación de entrada continua o intermitente), y continuo (quimiostato) (con alimentación de entrada y drenaje de salida iguales y constantes).
• Clasificación Biológica: De acuerdo al metabolismo procesal del sistema de cultivo: anaeróbico (sin oxígeno), facultativo (con o sin oxígeno) y aeróbico (requiere oxígeno).
• Clasificación Biológica-Operativa: La conjunción de ambas clasificaciones para establecer el propósito de utilización, el modo de cultivo y el bioproceso.

Biorreactores de Lecho Empacado

Un biorreactor de lecho empacado (o lecho fijo) es un reactor tubular que está lleno de partículas sólidas de catalizador o material de empaque, sobre las que se inmovilizan los microorganismos o enzimas. Estos reactores se utilizan con mayor frecuencia para catalizar reacciones, especialmente de gases. En el procesamiento químico, un lecho empacado es un tubo hueco, tubería u otro recipiente que se llena con un material de empaque. El empaque puede llenarse aleatoriamente con objetos pequeños como anillos Raschig o, de lo contrario, puede ser un empaque estructurado diseñado específicamente. Los lechos empacados también pueden contener partículas de catalizador o adsorbentes, como gránulos de zeolita, carbón activado granular, etc. El propósito de un lecho empacado generalmente es mejorar el contacto entre dos fases en un proceso químico o similar.

Principio de Funcionamiento

En el biorreactor de lecho empacado, los microorganismos se inmovilizan sobre soportes o membranas dentro del lecho. La operación de lecho empaquetado estático se ha utilizado en gran escala en la producción de koji, por ejemplo. El flujo de gas dentro del lecho de un biorreactor de lecho empacado que no sufre de problemas de canalización es probablemente más cercano al flujo de pistón con dispersión axial. Sin embargo, los estudios no se han realizado para confirmar esto ni para cuantificar el grado de dispersión axial. Este flujo de pistón de la fase de gas tiene implicaciones para el funcionamiento de los lechos empacados. En la columna empacada, los líquidos tienden a humedecer la superficie del empaque y los vapores pasan a través de esta superficie húmeda, donde tiene lugar la transferencia de masa.

Consideraciones de Diseño y Operación

Uno de los principales retos en el diseño y operación a gran escala y camas de sustrato en biorreactores de lecho empacado será evitar gradientes axiales excesivos de temperatura. El extremo de entrada tiende a la temperatura del aire de entrada pero, debido a la falta de mezcla y el flujo de aire unidireccional, la temperatura del aire aumenta a medida que fluye a lo largo de la cama hacia el extremo de salida. El aumento de la temperatura del aire a medida que fluye a través del lecho aumenta la capacidad de transporte de agua del aire y por lo tanto se producirá la evaporación. La contribución de la conducción normal a la dirección del flujo de aire dependerá del diseño del lecho empacado. En lechos de relleno tradicionales, se puede hacer una contribución significativa, y pueden ser gradientes de temperatura normales significativos al flujo de aire. En contraste, en lechos de relleno a gran escala, es probable que sea pequeña la cantidad de energía eliminada de la cama por transferencia a través de las paredes laterales.

La ventaja de usar un reactor de lecho empacado es la mayor conversión por peso de catalizador que otros reactores catalíticos. La conversión se basa en la cantidad de catalizador sólido en lugar del volumen del reactor. El rendimiento de un lecho empacado depende en gran medida del flujo de material a través de él, que a su vez depende del empaque y de cómo se maneja el flujo. La tomografía eléctrica se puede usar para observar la distribución de líquidos en diferentes secciones transversales del vaso, o incluso el patrón de flujo en toda la columna empaquetada.

Materiales y Distribución

Los materiales de empaque con formas diferentes tienen diferentes superficies y espacios vacíos entre el empaque. Ambos factores afectan el rendimiento del empaque. Otro factor en el rendimiento, además de la forma de la empaquetadura y el área de la superficie, es la distribución de líquido y vapor que entra en el lecho empacado. Si el líquido y el vapor no están distribuidos uniformemente a través del área de la torre superficial cuando ingresa al lecho empacado, la relación de líquido a vapor no será correcta y no se logrará la separación requerida. El embalaje parecerá no funcionar correctamente. Estas columnas pueden contener distribuidores y redistribuidores de líquidos que ayudan a distribuir el líquido uniformemente en una sección del empaque, lo que aumenta la eficiencia de la transferencia de masa. El diseño de los distribuidores de líquidos utilizados para introducir la alimentación y el reflujo en un lecho empacado es fundamental para que el empaque funcione con la máxima eficiencia.

Altura Equivalente a una Placa Teórica (HETP)

Cuando se modelan columnas empacadas, es útil calcular una serie de placas teóricas para denotar la eficiencia de separación de la columna empacada con respecto a las bandejas más tradicionales. En el diseño, primero se determina el número de etapas de equilibrio teórico necesarias y luego se determina la altura de empaquetamiento equivalente a una etapa de equilibrio teórico, conocida como Altura Equivalente a una Placa Teórica (HETP). La altura total de empaque requerida es el número de etapas teóricas multiplicadas por el HETP.

Ejemplo de Biorreactor de Lecho Empacado: El Biorreactor "Zymotic"

Roussos y otros investigadores desarrollaron un biorreactor de lecho empacado a escala piloto con placas de transferencia de calor interno, llamado el biorreactor «Zymotic». La carcasa exterior era de acrílico, y medía 65 cm de alto, 50 cm de ancho y 40 cm de profundidad, lo que le otorgaba un volumen total de 130 L, con una capacidad de trabajo de 100 L. Las placas de transferencia de calor de acero inoxidable eran de 60 cm de alto, 38 cm de ancho y 0,46 cm de espesor. Habían 10 de estas, y ocupaban un volumen de 9,44 L del recipiente del biorreactor. Cada placa intercambiador de calor contenía tubos colocados en serie por los que hacía circular agua. El biorreactor fue diseñado para ser flexible, de modo que el número de placas de transferencia de calor insertadas y la separación entre ellas se pudiera cambiar. Se requirió calentamiento del agua en circulación durante las primeras 10 horas de fermentación, después de lo cual fue necesario el enfriamiento. Los termistores colocados en diferentes lugares se utilizaron para controlar la temperatura del agua de refrigeración. La uniformidad del crecimiento y la ausencia de gradientes de temperatura se alegó cuando la brecha entre las placas no era mayor de 5 cm, aunque los resultados experimentales que muestran esto no se presentaron.

Aplicaciones en la Industria

Los biorreactores tienen una amplia gama de aplicaciones en diversas industrias, incluyendo la farmacéutica, alimentaria, química y ambiental. Los biorreactores de lecho empacado, en particular, son versátiles y se utilizan en procesos donde se requiere la inmovilización de biomasa o catalizadores. Por ejemplo, se emplean en la producción de enzimas, el tratamiento de aguas residuales y la catálisis de reacciones químicas. La producción química es más sostenible y eficiente gracias a su implementación. Los biorreactores contribuyen a la protección del medio ambiente al descomponer contaminantes y residuos orgánicos, lo que reduce la contaminación y favorece la sostenibilidad.

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