El Bioreactor de PUC-Chile
Pérez-Correa y Agosin construyeron un biorreactor con capacidad para un lecho de 200 kg. El biorreactor tiene tres secciones. La sección inferior, que permanece estacionaria, es simplemente la caja de aire. El lecho de 150 cm de diámetro es sostenido por la segunda sección, que es girada en su totalidad por un motor. La parte superior del biorreactor representa una tercera sección, que es estacionaria, y sobre la cual están montados los agitadores. Los termopares pueden ser retirados de la cama en el espacio de cabeza durante el evento de mezclado. El biorreactor fue diseñado para permitir una altura de lecho de 80 cm, aunque en la práctica la altura del lecho se mantuvo a 60 cm o menos.
La ventaja de mantener los agitadores estacionarios y girar el lecho es que simplifica el diseño del dispositivo agitador. Sin embargo, también presenta una desventaja: La junta entre las secciones inferior y media del biorreactor, que se mueven una con relación a otra, no debe permitir que escape aire, de lo contrario el aire saldrá del biorreactor sin pasar a través del lecho. El biorreactor tiene un sello de agua. Sin embargo, puesto que la profundidad del agua en el sello es de sólo 10 cm, esto significa que la caída de presión a través del lecho no puede ser más que el equivalente de 10 cm de agua; De lo contrario el aire simplemente burbujeará a través del agua en el sello y dejará el biorreactor sin pasar a través del lecho. Esto limita la altura de la cama que se puede usar y significa que a menudo los eventos de mezcla son necesarios simplemente para evitar que la caída de presión sea demasiado alta, en lugar de ser impulsado por una necesidad de reposición de agua o control de temperatura.
Datos típicos obtenidos de este biorreactor, para el crecimiento de Gibberella fujikuroi en gránulos de salvado de trigo extruido para la producción de ácido giberélico se pueden ver en próximos posts. Se utilizó una altura de lecho de 40 cm. Era posible controlar la mayor parte del lecho en el intervalo de 25 a 30ºC la mayor parte del tiempo. Sin embargo, se formaron hotspots, en los que la temperatura del lecho excedió la temperatura del aire de salida; Estos hotspots muy probablemente representan regiones que estaban recibiendo mala aireación debido a la canalización. La tasa de producción de CO2 alcanzó un máximo de alrededor de 40 horas. En un intento de controlar la temperatura en el lecho a 28ºC, se manipularon la temperatura, la humedad y el caudal del aire de entrada.
La caída de presión se mantuvo muy por debajo de 10 cm de agua por los eventos de mezcla. Estos eventos de mezcla de 30 minutos de duración ocurrieron, en promedio durante una fermentación, una vez cada 6 a 10 h, aunque durante períodos de alta producción de calor fueron tan frecuentes como una vez cada 4 h.
Se debía reponer agua para reemplazar el agua evaporada. Esto se realizó durante el período de 30 min del evento de mezclado, calculándose la cantidad de agua necesaria a partir de un conjunto de ecuaciones de balance de masa.
Bioreactores mezclados intermitentemente de escala piloto
Pérez-Correa y Agosin también desarrollaron un biorreactor con una capacidad de 50 kg de sustrato húmedo. Este biorreactor utilizó una estrategia similar a la utilizada en su biorreactor de mayor escala en el sentido de que se alcanzaba la mezcla a través del movimiento del lecho más allá de un número de álabes mezcladores fijos. El lecho se mantuvo dentro de una cesta perforada, de 1,15 m de diámetro y 0,28 m de alto, que se hizo girar cuando se deseaba la mezcla. Era necesario tener un sello entre la cesta y el cuerpo del biorreactor para asegurarse de que el aire fluía a través de la cesta y no alrededor de sus lados. Este biorreactor era capaz de ser operado asépticamente. La tapa entera se pudo levantar para dar acceso al interior, pero se cerró herméticamente durante la fermentación. Este biorreactor se utilizó para la producción de ácido giberélico por Gibberella fujikoroi y para la producción de Trichoderma.
En el biorreactor 50-L de Chamielec y Bandelier, que está diseñado para un funcionamiento estéril, el lecho de sustrato está soportado sobre una malla de alambre y es mezclado por un agitador que experimenta un «movimiento planetario», es decir, el agitador gira alrededor de su eje central mientras que este eje central gira simultáneamente alrededor del eje central del biorreactor. El biorreactor está equipado con una camisa de agua. Se utilizó con éxito en la producción de ácido giberélico por Gibberella fujikoroi. El biorreactor contenía 12 kg de salvado de trigo húmedo a un contenido de humedad del 50% (base húmeda). La cama se mezcló durante 10 s cada 2 h, pero esto se puede adaptar según sea necesario de acuerdo con los requisitos del proceso. El caudal de aire era de 15 L min-1 kg-materia seca-1, lo que corresponde a un caudal de 90 L min-1. Dado que Gibberella fujikoroi es un organismo de crecimiento relativamente lento, con el proceso de 11 días, el mayor desafío fue el funcionamiento aséptico del biorreactor. Dada la baja tasa de generación de calor, el control de temperatura no fue difícil. La temperatura del lecho se mantuvo a 1,3 ° C de la temperatura deseada de 28,5 ° C manteniendo la temperatura del aire de entrada a 28 ° C hasta 50 h y luego reduciéndola progresivamente a 22 ° C al final del proceso (250 h).
El mezclador de sólidos de 50 litros de Schutyser podría utilizarse con mezclado intermitente aunque no se ha informado aún del uso de este biorreactor en tales fermentaciones. Obsérvese que si el biorreactor fuera operado en el modo de mezcla intermitente, entonces la aireación debería ser de arriba a abajo para asegurar que los lados del lecho estarían bien aireados durante los períodos de operación estática. La introducción de aire en la parte inferior del biorreactor tendería a airear sólo el eje central.