Biorreactor de flujo de goteo
Descripción
Parámetros técnicos
A biorreactor de flujo de goteoes un reactor trifásico donde el líquido fluye hacia abajo en forma de una película delgada sobre una cama llena, que sirve como fase dispersa. El gas, por otro lado, fluye de manera concurrente o contracorriente a través del embalaje. El modo de operación más común es el flujo posterior concurrente de líquido y gas. En este reactor, las células forman una biopelícula en los portadores, lo que les permite permanecer en el sistema de manera eficiente.
Este tipo de biorreactor es particularmente ventajoso para los procesos que requieren contacto eficiente de gas-líquido y transferencia de masa, como la bio-metanación y la producción de ácido acético. Por ejemplo, el ácido acético se puede producir a partir de hidrógeno molecular (H2) y dióxido de carbono (CO2) por bacterias acetogénicas en unbiorreactor de flujo de goteo. Los estudios han demostrado que, con condiciones de funcionamiento óptimas, se pueden lograr altas tasas de producción de ácido acético.
En general, ofrecen una solución viable para una amplia gama de aplicaciones biotecnológicas debido a sus características de transferencia de masa mejoradas y la capacidad de mantener células dentro del sistema.
Aplicaciones
Purificación de aire
Biorreactores de flujo de goteoUtilice un proceso en el que un líquido rico en nutrientes gotee sobre un lecho de microorganismos inmovilizados. Estos microorganismos, a menudo bacterias o hongos, se eligen específicamente por su capacidad de biodegradar VOC específicos. A medida que el aire contaminado pasa a través del biorreactor, los VOC se absorben en la película líquida en la superficie del material de embalaje y luego se biodegradan por los microorganismos.
La investigación ha demostrado que los TBB pueden eliminar efectivamente una variedad de VOC del aire, incluidos el alcohol etílico, el dimetil sulfuro y el estireno. Estos contaminantes se encuentran comúnmente en entornos industriales, como plantas químicas, tiendas de impresión e instalaciones de fabricación de pintura.
Alcohol etílico
El alcohol etílico es un VOC común que se encuentra en muchos procesos industriales y productos de consumo. Se ha demostrado que los TBB eliminan efectivamente el alcohol etílico del aire, con eficiencias de eliminación a menudo superiores al 90%.
Sulfuro de dimetilo
El dimetil sulfuro es otro VOC común que se puede eliminar usando TBBS. Este compuesto tiene un olor fuerte y a menudo se encuentra en los procesos de tratamiento de gas natural y aguas residuales.
Estireno
El estireno es un VOC tóxico comúnmente utilizado en la producción de plásticos, resinas y caucho sintético. Los TBB se han utilizado con éxito para eliminar el estireno del aire, con eficiencias de eliminación que varían según las condiciones de funcionamiento y los microorganismos específicos utilizados.
En un estudio que utiliza un biorreactor de escala semiindustrial (45 dm³), la eficiencia de eliminación de los contaminantes varió entre 92-99%. Esta eficiencia se mantuvo incluso cuando la concentración de VOC se incrementó a 220-255 PPM, lo que demuestra la robustez y adaptabilidad del biorreactor.
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Tratamiento de aguas residuales
Comúnmente utilizado en plantas de tratamiento de aguas residuales municipales e industriales, particularmente para la eliminación de contaminantes orgánicos y nutrientes como el nitrógeno y el fósforo. También se pueden usar en procesos de pretratamiento para reducir la carga en otras unidades de tratamiento o para cumplir con los requisitos reglamentarios específicos.
Microorganismos inmovilizados
Los microorganismos se inmovilizan en la superficie de un material de embalaje, que puede estar hecho de varias sustancias como plástico, cerámica o madera. Estos microorganismos juegan un papel crucial en la descomposición y la eliminación de contaminantes de las aguas residuales.
Proceso de goteo
Las aguas residuales se aplican a la parte superior del material de embalaje, donde gotea a través de la cama. A medida que el agua gotea, entra en contacto con los microorganismos inmovilizados, lo que permite la descomposición y la eliminación de contaminantes.
Aireación
En algunos casos, el aire se introduce en el biorreactor para proporcionar oxígeno a los microorganismos, que es necesario para sus procesos metabólicos. Esto se puede hacer a través de la aireación natural (por ejemplo, utilizando el flujo ascendente de agua a través del material de embalaje para dibujar aire en) o mediante medios mecánicos.
Producción de biogás
En los procesos de digestión anaeróbica, se pueden usar para producir biogás a partir de materiales de desecho orgánicos. El biorreactor proporciona un ambiente controlado para que las bacterias anaeróbicas prosperen y conviertan los desechos en biogás, que consiste principalmente en metano y dióxido de carbono.
Esta aplicación es particularmente beneficiosa para reducir los desechos y generar fuentes de energía renovable.
Descripción general del proceso
Entrada de residuos orgánicos
Los materiales de desechos orgánicos, como el desperdicio de alimentos, los residuos agrícolas y el estiércol, se alimentan al biorreactor.
Accesorio microbiano
Las bacterias anaeróbicas se unen a la superficie del material de embalaje dentro del biorreactor. Este material de embalaje proporciona una gran superficie para el crecimiento microbiano y la colonización.
Digestión anaeróbica
En ausencia de oxígeno, las bacterias anaerobias descomponen los desechos orgánicos a través de una serie de reacciones bioquímicas. Estas reacciones producen biogás, que consiste principalmente en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), así como otros subproductos como el agua y la biomasa residual.
Colección de biogás
El biogás producido se recoge y puede usarse como una fuente de energía renovable para calefacción, generación de electricidad o como combustible para el transporte.
Remediación ambiental
Los TBB tienen aplicaciones potenciales en la remediación del suelo contaminado y el agua subterránea. Al introducir microorganismos y nutrientes apropiados en el biorreactor, es posible estimular la biodegradación de contaminantes presentes en el suelo o el agua subterránea.
Este proceso puede ayudar a restaurar la calidad ambiental de las áreas afectadas.
Introducción de microorganismos:
Los microorganismos específicos que son capaces de biodegradar los contaminantes de la preocupación se introducen en el biorreactor. Estos microorganismos se pueden obtener de entornos naturales, diseñados para mejorar las capacidades de biodegradación o cultivos comerciales diseñados específicamente para la biorremediación.
Suministro de nutrientes:
Los nutrientes esenciales para el crecimiento y la actividad microbiana, como el nitrógeno, el fósforo y los elementos traza, se suministran al biorreactor. Estos nutrientes ayudan a apoyar el crecimiento y la multiplicación de los microorganismos biodegradantes.
Entorno controlado:
El biorreactor proporciona un entorno controlado que optimiza las condiciones para la biodegradación. Esto incluye regular la temperatura, el pH, el contenido de humedad y los niveles de oxígeno (dependiendo de si está ocurriendo biodegradación aeróbica o anaeróbica).
Exposición contaminante:
El suelo contaminado o el agua subterránea se introduce en el biorreactor de manera controlada. El diseño del biorreactor garantiza el máximo contacto entre los contaminantes y los microorganismos biodegradantes.
Biodegradación:
En condiciones óptimas, los microorganismos biodegradan los contaminantes presentes en el suelo o el agua subterránea. Este proceso puede implicar oxidación, reducción, hidrólisis u otras reacciones bioquímicas que convierten los contaminantes en compuestos menos dañinos o inerte.
Monitoreo y control:
La operación del biorreactor se monitorea continuamente para garantizar que la biodegradación se produzca como se esperaba. Esto puede implicar analizar muestras para concentraciones de contaminantes, actividad microbiana y niveles de nutrientes. Los ajustes a las condiciones del biorreactor se pueden hacer según sea necesario para optimizar el rendimiento de la biodegradación.
Características de diseño
El diseño central del TFB presenta un sistema de lecho empaquetado donde las células microbianas se unen y forman una biopelícula en la superficie del material de embalaje. Esta disposición permite una transferencia de masa de gas a líquido mejorada, esencial para procesos como la bio-metanación y la producción de ácido acético a partir de hidrógeno y dióxido de carbono.
Enbiorreactor de flujo de goteo(TFB), el suministro de nutrientes y gases se controla meticulosamente, principalmente a través de un sistema de goteo o goteo. Este sistema garantiza una distribución continua e incluso de recursos esenciales en todo el reactor. Este método de entrega es crucial ya que ayuda a mantener condiciones de crecimiento óptimas para los microorganismos alojados dentro del reactor. Al garantizar una afluencia constante y equilibrada de nutrientes y gases, los microorganismos pueden prosperar y realizar sus funciones metabólicas de manera eficiente.
Además, el diseño del TFB incorpora disposiciones para intercambios de medio parcial. Esta característica permite la regulación de las concentraciones internas de metabolitos dentro del reactor. Al reemplazar periódicamente una porción del medio de cultivo, el reactor puede mantener condiciones óptimas para el crecimiento y la producción microbianas. Esta regulación es esencial para optimizar las tasas de producción y garantizar la conversión eficiente de las materias primas en los productos finales deseados.
En esencia, el suministro controlado de nutrientes y gases, combinado con la capacidad de regular las concentraciones de metabolitos a través de intercambios medianos parciales, son características clave de diseño que contribuyen a su efectividad en el cultivo microbiano y las aplicaciones de bioprocesamiento.
Además, los TFB son escalables, lo que permite la transición de las operaciones a escala de laboratorio a la producción a escala industrial. Los estudios han demostrado que los TFB pueden lograr altas concentraciones de tejido y apoyar tasas de crecimiento adecuadas para aplicaciones a gran escala. El diseño del reactor permite la flexibilidad en la operación, lo que la hace adaptable a diversas necesidades de bioprocesamiento, incluida la producción de productos finales biológicos, expansión celular e ingeniería de tejidos.
En resumen, el diseño integra mecanismos avanzados de transferencia de masa-líquido, configuraciones escalables y parámetros operativos adaptables, lo que lo convierte en una herramienta versátil en aplicaciones de bioprocesamiento y cultivo microbiano.
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