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INGENIERÍA DE PROCESOS BIOLÓGICOS INTRODUCCIÓN

CONOCIMIENTOS BÁSICOS

Básicamente, en la ingeniería de procesos biológicos existe una multitud de procesos diferentes. La base de cada proceso son los actores, como los orga-nismos, células o enzimas. Los actores correspon-dientes se seleccionan en función de los productos y las materias primas deseados. Los conocimientos sobre qué actores son apropiados para los diferentes aplicaciones provienen de disciplinas fundamentales como la biología, la bioquímica, etc. Estas disciplinas

también proporcionan los conocimientos sobre qué condiciones ambientales son óptimas para los acto-res para poder garantizar una alta calidad y cantidad de los productos. En función de estos conocimientos se desarrolla el proceso de producción correspon-diente. Los distintos pasos para muchos procesos y sus secuencias se parecen.

PROCESOS BIOLÓGICOS Y REACTORES

El biorreactor es el elemento central de la instalación de producción biológica. Una de las tareas principales consiste en posibilitar una mezcla óptima del contenido del reactor para garantizar un contacto lo más frecuente posible de las sustancias nutritivas y los actores biológi-cos. También es importante la creación de una superficie interfacial lo más grande posible entre la fase gaseosa y el líquido. En los procesos aerobios se trata de transportar oxígeno a los actores biológicos. En los procesos anaero-bios debe garantizarse la extracción rápida de los gases producidos, como el metano. Básicamente se diferencia entre reactores superficiales y reactores sumergidos.

Al contrario que con los reactores superficiales, en los reactores sumergidos debe conservarse la superficie límite entre la fase gaseosa y el líquido mediante disper-sación del gas en el líquido. Para ello debe alimentarse continuamente energía al proceso. Dependiendo del tipo de alimentación de energía, se pueden distinguir tres grupos:

Alimentación de energía con agitadores En el proceso aerobio, se aporta aire comprimido desde abajo en el reactor agitado (C). Un agitador se encarga de la dispersión delicada de las burbujas de aire y la distribución de sustancias nutritivas. Un inconveniente pueden ser las elevadas fuerzas de corte y la destrucción de microorganismos.

Alimentación de energía a través de una bomba de líquidos Una bomba hace circular todo el contenido del reactor a través de un bucle externo. Existen varias alternati-vas, que se diferencian en el modo de la aspiración y la entrada del líquido. En los reactores de chorro (D), la bomba produce un chorro de propulsión, que se encarga de la circulación dentro del reactor.

Alimentación de energía a través de fumigación Las burbujas de aire se encargan de la circulación del contenido del reactor a través de una diferencia de densidad. La circulación puede tener lugar dentro o fuera del reactor. En el reactor airlift (E), los dispositivos de conducción se encargan de la circulación interna. Este sistema se caracteriza, en comparación con el reactor agitado, por unas fuerzas de corte reducidas y un escaso consumo energético.

Los actores biológicos se adhieren como una biopelícula a la superficie de materias líquidas o sólidas. En los procesos aerobios, la oxigenación se realiza directamente de la fase gaseosa colindante con la biopelícula.

El proceso más sencillo es el cultivo estático super-ficial (A), en el que hay sustrato líquido en una cubeta plana. Sobre la superficie del sustrato flota una biope-lícula, que es alimentada desde abajo con sustancias nutritivas y desde arriba con oxígeno.

En los reactores de lecho, la biopelícula está fijada a una superficie de sólidos. En los reactores de lecho flui-dizado, la materia sólida puede moverse en el líquido. En los reactores de lecho fijo (B), la materia sólida no se mueve. El sustrato líquido atraviesa desde arriba el lecho fijo. En los reactores aerobios, la alimentación con oxígeno se realiza desde abajo.

Pasos fundamentales de los procesos biológicos

Las materias primas también se denominan sustratos. Los sustratos pueden ser sustancias puras como azúcar o alcohol. A menudo, estas materias deben obtenerse primero de sustratos complejos como melaza, vinaza, etc., mediante procesos previos como, p.ej., la tritura-ción para facilitar su uso por los agentes biológicos.

Al añadir agua, sales y sustancias nutritivas se realiza la producción del medio de fermentación óptimo para los actores. El ajuste del pH desempeña aquí un papel importante.

Muchos procesos biológicos requieren la eliminación previa de gérmenes ajenos para evitar la presencia de microorganismos distintos al que ha de utilizarse. Esto exige la esterilización del medio de fermentación y el reactor.

El proceso de producción en sí (fermentación) tiene lugar en el reactor. Aquí, los actores como organismos, células y enzimas convierten las materias primas en productos. El reactor tiene que estar totalmente adap-tado a los actores correspondientes. En los procesos aerobios, p.ej., el suministro uniforme de todas las áreas con oxígeno desempeña un papel importante. Además, la regulación de la temperatura a través de el aporte o evacuación de calor también es importante.

El medio de fermentación que sale del reactor es una mezcla sólido-líquido compleja, en la que el producto aparece diluido o todavía en el interior de células. Por consiguiente, para la separación de los sólidos se utili-zan procesos como la filtración, centrifugación o sedi-mentación. La abertura de las células se realiza, p.ej., mediante impacto mecánico o presión osmótica. Para la concentración y limpieza se utilizan procesos como la extracción, adsorción o precipitación.

BIORREACTORES REACTORES SUMERGIDOS

REACTORES SUPERFICIALES

ajuste del pH mezcla

organismos completos intactos células enzimas

H2O sales sustancias

nutritivas ácidos, álcalis

CO2 y otros gases calor

O2 energía

biomasa desechos

limpieza trituración rotura

medición regulación

Desarrollo esquemático fundamental de los procesos biológicos

Reactores superficiales:

A cultivo estático superficial

B reactor de lecho fijo

reactores sumergidos:

C reactor agitado

D reactor de chorro

E reactor airlift

A C E D

B

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