Las operaciones de biorreactores piloto aeróbicos y anaeróbicos difieren tanto en la asignación de carbono como en las demandas de transferencia de gas. En una operación aeróbica, aproximadamente el 50% del carbono del sustrato puede incorporarse a la biomasa, mientras que el resto se oxida para proporcionar energía celular, utilizando el oxígeno como aceptor terminal de electrones. En una operación anaeróbica, menos del 30% puede convertirse en biomasa, mientras que una mayor parte se dirige a productos de fermentación reducidos, aunque la distribución exacta depende del organismo, el sustrato y la vía metabólica.
Los procesos aeróbicos están limitados principalmente por la transferencia de oxígeno y a menudo favorecen la formación de biomasa; los procesos anaeróbicos excluyen el oxígeno molecular y suelen dirigir más carbono del sustrato hacia productos metabólicos. Por lo tanto, la operación a escala piloto debe pasar de maximizar la transferencia de oxígeno a mantener condiciones anóxicas fiables y controlar el metabolismo productor de sustancias.
Cómo se asigna el carbono
Las operaciones aeróbicas favorecen el crecimiento oxidativo
Los organismos aeróbicos utilizan oxígeno para oxidar parte del sustrato de carbono y generar energía. El carbono restante puede incorporarse a nuevo material celular.
Como estimación operativa general basada en la referencia, aproximadamente la mitad del carbono del sustrato entra en la biomasa durante el crecimiento aeróbico, mientras que la otra mitad se oxida para obtener energía y se libera principalmente como dióxido de carbono.
El rendimiento real de biomasa puede diferir sustancialmente según el organismo, el sustrato, la tasa de crecimiento, la demanda de mantenimiento y la disponibilidad de oxígeno. Por lo tanto, la cifra del 50% es un punto de referencia conceptual útil más que una constante de proceso universal.
Las operaciones anaeróbicas favorecen la formación de productos
Los organismos anaeróbicos generan energía sin oxígeno molecular, comúnmente transfiriendo electrones a intermediarios metabólicos producidos internamente u otros aceptores que no sean oxígeno. Esto a menudo resulta en la formación de alcoholes, ácidos orgánicos, gases u otros productos reducidos.
En la comparación de planta piloto establecida, menos del 30% del carbono del sustrato se convierte en biomasa bajo condiciones anaeróbicas. Una fracción mayor se dirige hacia los productos objetivo y sus subproductos asociados.
Esto no significa que todo el carbono restante se convierta en el producto deseado. El carbono también puede distribuirse entre dióxido de carbono, productos alternativos, sustrato residual y biomasa.
La asignación de carbono es una variable de proceso
La partición del carbono depende de la vía metabólica del organismo y de las condiciones operativas seleccionadas. El pH, la temperatura, la concentración del sustrato, la tasa de alimentación, el estado redox y la inhibición por producto pueden cambiar el equilibrio entre el crecimiento y la formación de productos.
Para las operaciones piloto, los operadores deben medir las entradas y salidas de carbono en lugar de asumir que un porcentaje fijo se aplica a cada fermentación.
Por qué cambian los requisitos de oxígeno
Las operaciones aeróbicas requieren un suministro continuo de oxígeno
Los cultivos aeróbicos requieren un suministro continuo de oxígeno gaseoso porque el oxígeno disuelto es poco soluble en medios acuosos. El oxígeno debe transferirse de la fase gaseosa al líquido y luego ser consumido por las células.
Por lo tanto, el biorreactor piloto debe proporcionar una tasa de transferencia de oxígeno (OTR) suficiente para satisfacer la tasa de absorción de oxígeno (OUR) del cultivo. Los operadores suelen ajustar el flujo de gas, el enriquecimiento con oxígeno, la agitación, la presión y el rendimiento del difusor para mantener el nivel de oxígeno disuelto objetivo.
Las operaciones anaeróbicas requieren la exclusión de oxígeno
Los cultivos anaeróbicos no requieren oxígeno como aceptor terminal de electrones. Los anaerobios estrictos pueden ser inhibidos o dañados por la exposición al oxígeno, por lo que el objetivo operativo es evitar la entrada de oxígeno y eliminar el oxígeno disuelto o residual en el espacio de cabeza.
Los sistemas piloto pueden utilizar purgas con gases inertes, recipientes sellados, alimentaciones libres de oxígeno y recolección de gas controlada. El sistema de gas sigue siendo importante, pero su propósito cambia de la entrega de oxígeno a la protección anóxica y la gestión de los gases evolucionados.
Anaeróbico no significa sin control de gases
La fermentación anaeróbica puede generar dióxido de carbono, hidrógeno, metano o productos volátiles, dependiendo del proceso. Estos gases deben ser ventilados, recolectados, medidos o tratados de forma segura.
Por lo tanto, un reactor anaeróbico tiene requisitos de transferencia de oxígeno más bajos, pero aún puede necesitar un control preciso de la presión, el flujo, la composición y el tiempo de residencia del gas.
Cómo afecta el tipo de sustrato a la demanda de oxígeno aeróbico
Los sustratos reducidos necesitan más oxígeno
Los sustratos altamente reducidos, como los n-alcanos o el metano, contienen más electrones disponibles por unidad de carbono que los sustratos parcialmente oxidados como la glucosa. Por lo tanto, su oxidación aeróbica completa requiere más oxígeno.
Esto puede aumentar el consumo específico de oxígeno del cultivo y elevar la capacidad de kLa y OTR requerida del biorreactor piloto.
Una mayor demanda de oxígeno puede reducir el rendimiento basado en oxígeno
Un sustrato reducido puede ofrecer un alto rendimiento teórico de biomasa por gramo de sustrato, pero generalmente proporciona menos biomasa por unidad de oxígeno consumido. En términos prácticos, el proceso puede tener abundante carbono y, aun así, estar limitado por la capacidad del reactor para suministrar oxígeno.
Es por esto que la selección del sustrato y el diseño de la transferencia de oxígeno deben considerarse conjuntamente.
La demanda de oxígeno también genera calor
La oxidación aeróbica transfiere electrones al oxígeno y libera energía metabólica en forma de calor. Por lo tanto, los sustratos más reducidos pueden crear una mayor carga térmica por unidad de biomasa producida.
El equipo piloto puede necesitar una mayor superficie de transferencia de calor, un mayor flujo de refrigerante o una capacidad de enfriamiento adicional para mantener una temperatura de cultivo estable.
Lo que debe controlar el equipo a escala piloto
El equipo aeróbico prioriza la transferencia de masa multifásica
Los biorreactores piloto aeróbicos deben gestionar la mezcla gas-líquido-sólido, el rendimiento del difusor, la dispersión de burbujas, la agitación y la medición de oxígeno disuelto. Estos factores determinan si el oxígeno llega a las células lo suficientemente rápido como para soportar la tasa de crecimiento prevista.
Una secuencia de control común es mantener el oxígeno disuelto aumentando primero la agitación, luego el flujo de gas o el enriquecimiento con oxígeno según sea necesario. La secuencia exacta depende de los límites del equipo y los objetivos del proceso.
El equipo anaeróbico prioriza la integridad anóxica
Los sistemas anaeróbicos se centran en la exclusión de oxígeno, el sellado fiable, la purga con gas inerte y el control constante de la temperatura y el pH. Las configuraciones de mezcla completa se utilizan comúnmente para mantener condiciones uniformes en todo el recipiente.
La recolección y el monitoreo de gases también se vuelven importantes cuando el proceso produce gases combustibles, tóxicos o corrosivos.
Ambas configuraciones necesitan un control básico sólido
Ningún modo de operación elimina la necesidad de un control robusto de temperatura, pH, mezcla, alimentación, muestreo y presión. La diferencia radica en qué limitación de transporte predomina.
Las operaciones aeróbicas suelen estar limitadas por la transferencia de oxígeno y la eliminación de calor. Las operaciones anaeróbicas suelen estar limitadas por la entrada de oxígeno, el control redox, la acumulación de productos y el manejo de gases.
Entender las compensaciones
El rendimiento de biomasa no es lo mismo que el rendimiento de producto
La operación aeróbica puede dirigir una mayor fracción de carbono hacia la biomasa, lo cual es útil cuando el objetivo es la producción de células o la síntesis asociada al crecimiento. Sin embargo, una alta disponibilidad de oxígeno no maximiza automáticamente el producto deseado.
La operación anaeróbica puede dirigir más carbono hacia los productos, pero las mezclas de productos, las tasas de crecimiento más bajas y una robustez fisiológica reducida pueden complicar el procesamiento posterior.
La limitación de oxígeno puede cambiar el metabolismo previsto
Un proceso aeróbico que no puede transferir suficiente oxígeno puede alterar el metabolismo, reducir el crecimiento, aumentar los subproductos no deseados o producir resultados inconsistentes. Aumentar el flujo de aire por sí solo puede no resolver el problema si la agitación, la capacidad del difusor, la presión o el enfriamiento son limitantes.
La verificación de diseño relevante es si el sistema completo del reactor puede cumplir con la OUR máxima mientras mantiene la temperatura y condiciones de cizallamiento aceptables.
La exclusión de oxígeno puede ser difícil a escala piloto
La operación anaeróbica no se logra simplemente deteniendo la aireación. El oxígeno puede entrar a través de alimentaciones, sellos, puertos de muestreo, fugas y equipos insuficientemente purgados.
Los protocolos piloto deben definir las condiciones de purga, los puntos de monitoreo de oxígeno, los procedimientos de transferencia y las respuestas a fallos en las condiciones anóxicas.
Los porcentajes de carbono no deben usarse como garantías de diseño
La asignación aproximada del 50% de biomasa aeróbica y menos del 30% de biomasa anaeróbica son útiles para explicar el contraste, pero no sustituyen a los rendimientos medidos.
El diseño y el escalado deben utilizar valores específicos del organismo para el rendimiento de biomasa, rendimiento de producto, absorción de oxígeno, evolución de dióxido de carbono, generación de calor y requisitos de mantenimiento.
Tomar la decisión correcta para su objetivo
El modo de operación debe seleccionarse de acuerdo con el destino deseado del carbono y las capacidades de control de la planta piloto.
- Si su enfoque principal es la producción de biomasa: Favorezca una configuración aeróbica con suficiente difusión, agitación, control de oxígeno disuelto y capacidad de enfriamiento para soportar un crecimiento oxidativo sostenido.
- Si su enfoque principal es la formación de productos anaeróbicos: Utilice un sistema sellado o purgado eficazmente que excluya el oxígeno mientras proporciona un control preciso de temperatura, pH, alimentación y gas de producto.
- Si su enfoque principal son los sustratos altamente reducidos: Dimensione los sistemas de transferencia de gas y enfriamiento aeróbico para una mayor demanda de oxígeno y generación de calor metabólico.
- Si su enfoque principal es la comparabilidad a escala piloto: Realice un seguimiento de los balances de carbono, rendimiento de biomasa, rendimiento de producto, OUR, composición de gas y carga térmica para cada operación en lugar de confiar en porcentajes de asignación genéricos.
La decisión de ingeniería central es si el proceso necesita maximizar la formación de biomasa oxidativa o la formación de productos sin oxígeno, y luego proporcionar la infraestructura de transferencia de gas y control que coincida con ese objetivo.
Tabla resumen:
| Aspecto | Operaciones aeróbicas | Operaciones anaeróbicas |
|---|---|---|
| Asignación típica de carbono | Alrededor del 50% puede apoyar la biomasa; gran parte del resto se oxida para energía | Menos del 30% puede convertirse en biomasa; más carbono suele formar productos y subproductos |
| Requisito de gas | Suministro continuo de oxígeno para cumplir con la tasa de absorción de oxígeno (OUR) | Exclusión de oxígeno mediante purga, sellado y alimentaciones libres de oxígeno |
| Enfoque principal de diseño | Tasa de transferencia de oxígeno (OTR), kLa, agitación, difusión y enfriamiento | Integridad anóxica, control redox, recolección de gas y ventilación segura |
| Resultado metabólico común | Mayor énfasis en el crecimiento oxidativo y la formación de biomasa | Mayor énfasis en productos de fermentación, gases y compuestos reducidos |
| Riesgos clave | Limitación de oxígeno, subproductos no deseados y acumulación de calor | Entrada de oxígeno, inhibición por producto y generación incontrolada de gas |
| Mediciones recomendadas | Rendimiento de biomasa, OUR, OTR, dióxido de carbono, temperatura y carga térmica | Balance de carbono, rendimiento de producto, oxígeno disuelto, composición de gas y entrada de oxígeno |
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