Biorreactores para enzimas y células inmovilizadas

Se han desarrollado tres técnicas para incrementar la concentración de biocatalizador en el reactor y así mismo, el tiempo de retención, para la operación continua:

• Separación del biocatalizador a la salida del reactor por sedimentación, flotación, filtración, o centrifugación y reciclo de una parte de la biomasa.

• Retención del biocatalizador por medio de membranas de micro- ó ultrafiltración.

• Fijación del biocatalizador sobre soportes o por atrapamiento en geles, encapsulación, adsorción, etc., seguida por floculación y peletización.

Este tipo de reactores es considerablemente más pequeño que el tipo empleado para células o enzimas libres debido a la concentración del biocatalizador. Se usan por lo general, reactores de lecho fijo, reactores de lecho fluidizado, y reactores con construcción especial para las reacciones que involucran producción de gas, medios viscosos o sistemas aeróbicos.

Algunos ejemplos de biorreactores que emplean enzimas y células inmovilizadas se muestran en la figura 1. Estos incluyen los reactores de lecho fijo (isomerización de la glucosa, hidrólisis de almidón, producción de L – aminoácidos), reactores de lecho fijo por etapas (producción de etanol), reactores de lecho fluidizado (hidrólisis de almidón, hidrólisis de lactosa en el suero de leche), reactores de cuadro (eliminación de O₂ a partir de cerveza madurada), y reactores de tanque agitado sólido – líquido (procesamiento de frutas y vegetales con pectinasas).

Figura 1. Reactores que emplean enzimas o células inmovilizadas. (A) Reactor de lecho fijo; (B) Reactor de lecho fijo multietapa; (C) Reactor de lecho fluidizado; (D) Reactor de biopelícula; (E) Reactor de membrana; (F) Reactor de cuadro; (G) Reactor de lodos

Los problemas se originan por el uso industrial de microorganismos en crecimiento, puesto que la inmovilización puede afectar la fisiología celular. Puede incrementarse el riesgo de contaminación en procesos continuos. Algunas consecuencias de la fijación de microorganismos son:

• Enriquecimiento de células en el reactor

• Cambios en la actividad específica con el tiempo (y la localización)

• Efectos de limitación en la difusión

• Concentración intraparticular y gradientes de pH

• Presencia de biocatalizador fijo y libre

• Cambios en la forma y el tamaño del biocatalizador

• Interacción entre el soporte y el microorganismo o el reactivo

• Población de estructura heterogénea en el reactor

• Cambios fisiológicos en los microorganismos

• Alteraciones en los mecanismos de reproducción y en la cinética de envejecimiento

• Incremento en la sensibilidad mecánica de las partículas de biocatalizador

• Problemas hidrodinámicos (suspensión, coalescencia)

• Alteración en la capacidad de resistencia a la contaminación

• Alteración de la dinámica del reactor

Antes de la aplicación estable de microorganismos inmovilizados en procesos de producción, se requieren estudios detallados para clarificar los fenómenos inherentes a la inmovilización de biocatalizadores. Los reactores de lecho fijo y de lecho fluidizado con enzimas inmovilizadas y células en reposo se calculan de igual forma que los reactores para reacciones químicas en fase heterogénea convencionales.