Optimización de Procesos Bioquímicos: Reactores CSTR, PFR y Lecho Fluidizado

Tipos de Reactores Bioquímicos y sus Características Operacionales

Reactor de Tanque Agitado (RTA)

El Reactor de Tanque Agitado se utiliza comúnmente para la suspensión de sólidos, enzimas o células microbianas. Presenta varias limitaciones operacionales:

• Posible estrés por agitación en los microorganismos.
• No permite incorporar materias primas durante el proceso continuo.
• Pérdida de eficacia debido a periodos de arranque y parada.
• Falta de homogeneidad entre lotes.
• Dificultad en la implementación de sistemas de gestión energética (STM).
• Baja densidad celular: la alimentación con baja concentración (Co) se utiliza para evitar la inhibición.
• Proceso lento, ya que al final la concentración de producto es alta y la concentración de sustrato es baja, disminuyendo la velocidad (V) de reacción.

Reactor Discontinuo Alimentado (Fed-Batch)

Disminuye el riesgo de inhibición por sustrato durante la fermentación.

Reactor de Tanque Agitado Continuo (CSTR)

El CSTR opera a velocidad constante (V cte) y concentración constante (Co cte) en estado estacionario.

Ventajas del CSTR

• Reduce costes de instalación, aumentando la productividad.
• Reduce costes operativos.
• Mejora el control del proceso.

Riesgos del CSTR

• Riesgo de contaminación.
• Riesgo de alteración genética en líneas celulares.

CSTR en Serie

Ofrece ventajas significativas cuando el producto generado es inhibidor del proceso.

CSTR con Recirculación Celular

Implica la separación de la biomasa, lo que permite aumentar la concentración celular en el reactor. La concentración celular se regula purgando microorganismos.

Reactor de Flujo Pistón (PFR)

El PFR se caracteriza por una mezcla mínima en la dirección del flujo. La concentración es constante con el tiempo en cada punto.

• En procesos autocatalíticos, no es posible alimentar un medio de fermentación estéril.
• Puede mejorarse recirculando la salida o inmovilizando al microorganismo.

Reactor de Lecho Fijo

Incluyen sistemas de retención que permiten aumentar la concentración celular o enzimática. Es un sistema continuo que evita el lavado de microorganismos.

Aplicaciones del Lecho Fijo

• Isomerización enzimática de glucosa.
• Hidrólisis selectiva de penicilina.
• Tratamiento de aguas residuales.

Funcionamiento y Limitaciones

• Si el perfil de velocidad del fluido es plano, el sistema PFR tiene menor velocidad que el CSTR.
• Genera un gradiente continuo de concentración de sustrato y producto, adecuado en procesos de inhibición.
• Presenta problemas de dispersión axial.
• Depende de la altura, porosidad, caudal y naturaleza del relleno.
• Usar rellenos pequeños produce pérdidas de cargas excesivas a través del lecho.
• La máxima eficacia se logra con altas relaciones L/D (Longitud/Diámetro).
• La altura del lecho está limitada.
• La acumulación de CO₂ afecta a la integridad de las biopartículas (menor cuanto menor sea L/D).

Recirculación en Lecho Fijo

La recirculación de la corriente de salida modifica el flujo, obteniendo grados de mezcla intermedios entre flujo pistón y mezcla completa. Esto:

• Reduce gradientes y facilita el control.
• Disminuye la concentración de sustrato a la entrada, evitando la inhibición por sustrato.
• Aumenta la velocidad lineal de circulación en el equipo.

Reactores Pulsantes

Incrementan la velocidad de transferencia de materia, aumentan la turbulencia o el contacto entre fases, y ayudan a mejorar la homogeneización y la transferencia de gases.

Tipos de Sistemas Pulsantes

1. Sistema Recíproco: Pulsación mediante movimiento alternativo de algún elemento.
2. Sistema No Oscilante: Sistema elástico conectado a una electroválvula que evita la retromezcla en sistemas recíprocos.

Reactores Agitados por Fluidos (Lechos Fluidizados)

Son una alternativa al empleo de lechos fijos con biopartículas en suspensión mediante flujo. Permiten usar biopartículas de diámetro inferior al lecho fijo.

Ventajas y Desventajas

• Ventajas: Comportamiento similar a PFR o CSTR, menor rozamiento, mayor facilidad para la eliminación de gases, evita el taponamiento.
• Desventaja: Complejidad hidrodinámica.

a) Lechos Fluidizados por Gas

El gas se dispersa en la zona inferior de una columna vertical (fase continua). Si hay burbujas, se denomina Lecho Fluidizado Trifásico.

• La parte superior tiene mayor diámetro para facilitar la separación sólido-líquido-gas.
• La forma troncocónica permite que la velocidad del fluido sea menor a lo largo del lecho, resultando en menos caída de presión por rozamiento en la zona final.
• Con compartimientos: se logra un régimen de flujo pistón para evitar la inhibición por producto; hay menos presión axial y gran mezcla en cada zona.

b) Reactor Air Lift

Recipientes con dos zonas donde la inyección de gas en una de ellas genera diferente densidad en ambas zonas, permitiendo la circulación del fluido.

Configuraciones del Air Lift

1. Lazo Interno: Puede ser un cilindro partido o un tubo ascensional concéntrico.
2. Lazo Externo: Zonas ascendente/descendente separadas.

Beneficios del Air Lift

• Simplicidad de diseño.
• Modelo de flujo bien definido.
• Bajas necesidades de energía.
• Homogéneo.
• Pequeño esfuerzo cortante (menor estrés celular).
• Menos puntos críticos de contaminación.
• Escasa información sobre escalado.