Reactor por lotesDiseño de Biorreactores
El biorreactor es el centro de todo procesamiento bioquímico. Por medio de la combinación del conocimiento de la cinética de las reacciones biológicas con los balances de materia y energía, se puede, por lo menos en principio, diseñar y analizar el comportamiento del biorreactor. En la práctica, este procedimiento se hace más complejo debido a la naturaleza de los catalizadores biológicos, los cuales pueden tener propiedades que varían con el tiempo y mostrar complejos esquemas cinéticos; y de la naturaleza de las mezclas de fermentación, las cuales pueden presentar serias desviaciones de la idealidad dando como resultado complejos esquemas de flujo y fenómenos característicos de transferencia de masa y calor.
En vista del alcance que tiene este tutor, se considerarán exclusivamente algunas simplificaciones que permitan que las características esenciales del diseño del biorreactor se hagan patentes. Esto involucra el uso de modelos cinéticos simples y la suposición del comportamiento ideal tanto para la fase líquida como para la fase gaseosa dentro del reactor. Al considerar algunos biorreactores ideales, se pueden obtener soluciones de diseño matemáticamente manejables.
Las desviaciones de la idealidad pueden ser incorporadas con posterioridad al modificar estas soluciones.
Por lo general, se supone que la célula o la enzima en un reactor ideal está expuesta a un ambiente espacialmente uniforme, de esta forma, la velocidad de reacción no varía localmente. Estas suposiciones son adecuadas para describir el comportamiento de reactores industriales a gran escala, aún si se tiene en cuenta que pueden existir desviaciones del mezclado ideal y de la distribución uniforme de células y enzimas dentro del reactor.
Teniendo en cuenta lo anterior, se considerarán los reactores por lotes, los cuales se caracterizan por no poseer flujos de entrada ni de salida. En el caso ideal, los reactores por lotes tienen una fase continua y homogénea; la fase líquida está completamente mezclada y posee una temperatura y composición uniformes. No existen variaciones espaciales en la concentración de reactivos o de productos. La fase gaseosa en los reactores aerobios por lotes puede estar completamente mezclada o puede modelizarse como flujo en pistón. La cinética de la reacción en consideración es clave para determinar el comportamiento del biorreactor.
Por otra parte se presentan dos tipos de biorreactores continuos: el reactor continuo de tanque agitado de mezcla completa y el reactor de flujo en pistón o reactor tubular.
Las operaciones semicontinuas son comunes en los biorreactores industriales y se denominan como operaciones por lotes con alimentación (fed-batch). En este caso el reactor se opera inicialmente como un reactor por lotes y cuando un nutriente (usualmente la fuente de carbono) se consume, se alimenta al reactor siguiendo un protocolo predeterminado.
Reactor continuo de tanque agitado
Reactores de flujo en pistón y de
lecho empacado
Reactor por lotes alimentado (Fed-batch)