Configuraciones para fermentadores agitados

Una selección de algunos biorreactores con dispositivos internos de agitación mecánica se presenta en la figura 1. El uso de tubos concéntricos de arrastre (figura 1B) tiene algunas ventajas: el flujo circular, que es difícil de controlar, se reemplaza con una circulación dirigida. Adicionalmente, la transferencia de calor se mejora porque la velocidad lineal en la pared del recipiente se incrementa. El suministro de oxígeno también se mejora puesto que los tiempos de residencia de las burbujas de gas se hacen más largos en el flujo circulante y la redispersión de burbujas en el caso de re-entrada dentro de la zona de mezcla.

Los reactores con agitación mecánica (figuras 1 – 3) incluyen:

Figura 1. Bioreactores agitados mecánicamente por medio de dispositivos internos de rotación: A) Reactor de tanque agitado; B) - D) Reactores con recirculación con tubos coaxiales de arrastre; E), F) Reactores con recirculación con agitadores de hélice y diferentes dispositivos de aireación; G) Reactor con recirculación con agitador de hélice y tubo coaxial de arrastre; H) Reactor con recirculación (Giovanola Frères) con tubos ondulados; I) Reactor con recirculación con agitadores que producen movimiento redial y axial; J) Reactor con recirculación con múltiples tubos coaxiales de arrastre; K) Fermentador a gran escala con agitadores MIG; L) Reactor con recirculación con agitador de hélice (Ekato)

Figura 2. Bioreactores agitados mecánicamente por medio de dispositivos internos de rotación (II) (Agitadores de auto - succión): A), B) Reactores de tanque con agitador hueco; C) Sistema Vórtex; D) Fermentador Waldhof; E) Turbina Effigas (Chemap, Suiza); F) Aireador Vogelbusch (Vogelbusch, Austria); G) Aireador Frings, Friborator (Frings, Alemania); H) Reactor multietapa; I) Reactor tipo toro (recirculación horizontal). a) Agitador hueco; b) Agitador de paletas; c) Tubo coaxial de arrastre; d) Deflector; e) Aireador; f) Hélice; g) Filtros; h) Eje hueco; i) Enfriador; j) Agitador de paletas aleteado; k) Tubo de reacción; l) Turbina; m) Sellos magnéticos; n) Destructor de espuma

• Reactores con agitadores de turbina, aireación optimizada, y deflectores

• Reactores con recirculación agitados mecánicamente con agitadores de hélice (figura 1B) tiene una elevada relación de recirculación, carga limitada de gas, y un esfuerzo cortante relativamente bajo. Sus ventajas incluyen buena transferencia de calor, buena separación de burbujas y control de la espuma debido a que la superficie del líquido es succionado dentro del tubo concéntrico de arrastre (volumen máximo del reactor 5 – 8 m³).

• Reactores con recirculación con combinaciones de agitadores. La combinación de agitadores de paleta, hélice y turbina permite la homogenización del contenido del reactor (hélice) y la dispersión de burbujas de gas (turbina) (figura 1I).

• Reactores con agitadores de succión. Un gran número de agitadores se ha desarrollado para este tipo de reactor (figura 2). Esta configuración de tanque agitado es muy común en la tecnología de alimentos (producción de vinagre, levadura, aminoácidos, vitaminas y aromas).

• Reactores con agitadores multietapa. Un incremento sustancial en la transferencia de oxígeno, se logra al instalar de dos a seis agitadores sobre un soporte (figura 4K). Si las zonas de agitación se separan en compartimientos individuales por medio de platos perforados, redes, o constricciones en el diámetro del reactor, el esquema de flujo se aproxima al de una cascada de reactores de tanque agitado o al de un reactor tubular ideal. Este diseño mejora el transporte de masa y el desempeño del reactor. Se tiene un alto esfuerzo cortante dentro de los compartimientos, lo cual es ventajoso en las reacciones líquido-líquido (por ejemplo, transesterificación de grasas y reacciones con sustratos muy poco solubles)

• Reactores con mezcladores de vibración. El Vibromix y los reactores con elementos de mezcla con movimiento axial (figura 3G) tienen discos perforados con orificios cónicos como elementos de dispersión. Sus movimientos verticales pulsantes distribuyen la energía de entrada sobre un gran número de células elementales. Lo anterior da como resultado una velocidad muy homogénea de disipación de energía, un esfuerzo cortante homogéneamente distribuido, y una estructura de flujo claramente definida. Esto particularmente facilita el cambio de escala (volumen de reactor por encima de 8 m³). Este tipo de reactor provee un buen suministro de oxígeno.

Figura 3. Bioreactores agitados mecánicamente por medio de dispositivos internos de rotación (III): A) Reactor de cascada con agitadores de rotación; B) Reactor de cascada con agitadores de vibración; C) Reactor de cascada con agitadores pulsantes; D) Reactor de película fina con cilindro rotatorio; E) Reactor con agitador de aletas; F) Reactor con disco de rotación; G) Reactor con plato vibrante (Vibromix)