2 - BioScripts

2. CONFIGURACION DEL BIORREACTOR.
(TRANSPARENCIA 12)
La operación continua del biorreactor es más favorable en términos productivos que la
discontinua por dos motivos:
• Se evitan los periodos no productivos de carga y descarga del reactor en cada
ciclo de reacción.
• Se evitan los estados celulares de latencia, crecimiento acelerado y crecimiento
retardado, causados por la variación de concentración de sustratos y productos
en el medio a lo largo del tiempo, en los que la velocidad específica de
crecimiento es distinta de la máxima.
La biooxidación de sales ferrosas en continuo se puede llevar a cabo según dos
modelos: el de suspensión bacteriana y el de película bacteriana soportada.
Según el primero de ellos las células están dispersas en el líquido. El reactor empleado
normalmente es el tanque agitado continuo. En este tipo de reactores una parte de la
biomasa generada abandona el reactor arrastrada por el líquido en la corriente de
efluente, por lo que la concentración de células en el interior del reactor está
sensiblemente afectada por el caudal de alimentación.
La concentración de células por unidad de volumen de reactor se aumenta
considerablemente si éstas se fijan sobre un soporte sólido. Esta es la base científica del
modelo de película bacteriana soportada. Según este modelo, la concentración celular en
el biorreactor es independiente respecto del caudal de alimentación.
Las células ferrooxidantes en presencia de un sólido tienden a adherirse sobre él
estableciendo fuertes uniones a través de exopolísacáridos que ellas mismas excretan.
Una vez fijadas sobre el sólido, y como resultado de su actividad metabólica, en la que
se consumen protones y se genera Fe(III), se producen gradientes de pH y concentración
de Fe(III) locales que dan lugar a la precipitación de compuestos férricos (jarositas) en
el entorno más inmediato del sólido. Con el paso del tiempo, esta sustancia, que se fija
fuertemente al sólido, constituye una estructura continua tridimensional porosa que
acaba convirtiéndose en el verdadero soporte de las células. Al conjunto de las células y
la capa de jarositas se conoce con el nombre de película bacteriana o biopelícula.
Existen diversos tipos de biorreactores en los que se la biomasa se encuentra
inmovilizada sobre un soporte sólido. De entre ellos los de uso más extendido a escala
industrial y de laboratorio son el contactor biológico rotatorio, lecho fluidizado y lecho
fijo.
El contactor biológico rotatorio consiste en un conjunto de discos parcialmente
sumergidos en un líquido contenido en una artesa, cuyos planos se orientan en vertical y
que giran solidariamente impulsados por un mismo eje y a velocidad muy baja. La
biomasa se soporta sobre los discos, de tal forma que al girar estos se establecen ciclos
en los que las células entran en contacto con el líquido y posteriormente con el aire. El
ensayo de estos reactores en la biooxidación del ión ferroso da lugar a productividades
de férrico que en caso de integrarse en una planta hidrometalúrgica industrial se
traducirían en elevados tamaños. Por este motivo y por su complejidad mecánica se
descarta la opción de utilizarlos.
Los bioreactores de lecho fluidizado presentan excelentes condiciones para la
transferencia de materia. No obstante, en el transcurso de la operación presentan
problemas de desestabilización de la biopelícula, por el efecto abrasivo derivado del
choque entre las partículas, y en la estabilidad del flujo, por la variación en el tiempo de
la densidad de las partículas, que es función del desarrollo de la biopelícula sobre ellas.
Los biorreactores de lecho fijo son fáciles de operar, en ellos la biopelícula es muy
estable al estar fijada sobre partículas inmóviles y acumulan elevadas concentraciones
celulares. El reactor de lecho fijo puede operar de dos formas distintas en continuo:
• Con el líquido y el gas circulando en contracorriente; el líquido desciende y el
gas asciende. Estos reactores se conocen como reactores de lecho fijo de riego
por percolación.
• Con ambos fluidos circulando en corrientes ascendentes. Estos reactores se
conocen como reactores de lecho fijo inundado.
(TRANSPARENCIA 13)
En los reactores de lecho fijo de riego por percolación el flujo de líquido suele
distribuirse irregularmente en el lecho dando lugar a canalizaciones y zonas muertas.
Además, el tiempo medio de residencia del líquido no es una variable controlable
durante la operación, ya que la velocidad lineal de paso de éste, para un reactor dado,
esta fijada por la fuerza de la gravedad. Otro problema inherente a este tipo de reactor es
que el área para la transferencia del oxígeno del gas al líquido no es modificable, debido
a que el líquido y el gas entran en contacto en una superficie cuya extensión es similar a
la superficie expuesta por el lecho. Las productividades que se consiguen en estos
reactores implicarían, en el caso de usarse en una planta hidrometalúrgica industrial,
secciones transversales muy amplias, lo que hace impensable la construcción de un
sistema de cobertura que los haga independientes de las condiciones atmosféricas
locales.
Las dificultades asociadas a la operación del reactor de lecho fijo de riego por
percolación se pueden superar utilizando el reactor de lecho fijo inundado:
• En él, el tiempo medio de residencia del líquido es mayor por unidad de
volumen de reactor y es controlable desde el caudal de alimentación, y se puede
conseguir un riego más homogéneo de la biomasa.
• El área de transferencia gas-líquido depende de las condiciones de inyección
del gas, siendo posible conseguir superficies interfaciales gas-líquido muchísimo
mayores.
(TRANSPARENCIA 14)
Estas ventajas se concretan en productividades de Fe(III) muy superiores a las que se
pueden obtener con reactores de lecho fijo por percolación.
En adelante esta exposición se centrará sólo en los biorreactores de lecho fijo inundado,
tratándose las cuestiones fundamentales para su diseño.
3. INOCULO. (TRANSPARENCIA 15)
La eficacia oxidativa de las células no sólo depende de las condiciones del momento en
el que se desarrolle el cultivo, también de su historia previa. Esto da lugar a la
posibilidad de adaptar las cepas que actúen como inóculo a las condiciones concretas
del proceso industrial. Hasta el momento no han existido especiales dificultades en estas
tareas de adaptación que se han realizado tanto con medios sintéticos como reales, con
cepas autóctonas de la región de aplicación del proceso y con cepas obtenidas en un
lugar distinto. En realidad los medios estandarizados en que se mantiene este tipo de
cultivo, por resiembras periódicas, son bastante similares en su composición a los
licores que tendría que procesar el biorreactor en una aplicación hidrometalúrgica.
Actualmente, se dispone de cepas adaptadas a pH 1.25, a concentración de Cu 20 g/L, a
concentración de Zn de 5 g/l, a la presencia de especies orgánicas típicas de una planta
de extracción con disolvente del Cu (agente de extracción y Keroseno) y a
concentración de NaCl de 7.5 g/L. La adaptación de estas cepas ha servido para cubrir
necesidades en la operación del biorreactor en aplicaciones concretas planteadas desde
el entorno industrial. Se han obtenido en su mayoría a partir de cultivos mixtos
obtenidos, a su vez, de efluentes de las minas de Ríotinto en Huelva. Las especies que
los constituyen son Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillun ferrooxidans y los
heterótrofos asociados de la familia Acidiphillium, organovorum, facilis y cryptum.
4. SOPORTE DE LA BIOMASA.
(TRANSPARENCIA 16)
La porosidad interna del material de soporte es una variable poco influyente sobre la
productividad del biorreactor. Esto se debe a que la biopelícula crece durante la
operación recubriendo su superficie y taponando los poros.
Se obtienen biopelículas estables con materiales tan distintos en su composición como
la arena silícea, PVC, carbón activo, mineral marginal, poliestireno expandido y vidrio.
De entre todos ellos cabe destacar la arena silícea por ser un material no manufacturado,
de bajo precio y fácilmente disponible, y por ser el que ha dado lugar, en igualdad de
condiciones, a las mayores productividades de Fe(III) en reactores de lecho fijo
inundado.
La granulometría de las partículas que constituyen el lecho afecta notablemente a la
productividad del biorreactor. Con tamaños inferiores a 3 mm las productividades que
se obtienen son muy bajas con un importante desarrollo de canales preferenciales de
paso y zonas muertas para los fluidos. Con tamaños superiores el riego del lecho es
mucho más homogéneo, presentando la productividad de Fe(III) un máximo cuando el
tamaño medio de partícula es 7 mm.
5. METODOLOGIA DE CARGA DE BIOPELICULAS.
(TRANSPARENCIA 17)
Le carga de la biomasa en reactores de lecho fijo inundado para la biooxidación del ión
ferroso viene a durar unos diez días según el siguiente protocolo:
- Crear un inóculo a partir de las cepas disponibles.
- Preparar las partículas del soporte por tamizado, deslamado y curado en medio
ácido.
- Poner en contacto en el biorreactor las partículas del soporte, el inóculo y
medio fresco, oxigenando continuamente el sistema, para fomentar el
crecimiento de la biomasa que coloniza las partículas.
- Recircular el líquido para promocionar el crecimiento homogéneo de la
biopelícula a todo el lecho. Concluida esta etapa el reactor puede operar en
continuo.
Al pasar de un estadio a otro el volumen de líquido aumenta tres veces.
6. CONDICIONES DE OPERACION.
(TRANSPARENCIA 18)
Para la correcta operación de los reactores de lecho fijo inundado para la biooxidación
de ión ferroso, el pH en su interior debe comprendido entre unos límites. El límite
inferior viene impuesto por condiciones metabólicas y el superior por problemas de
flujo derivados de la precipitación de jarosita, que a lo largo del tiempo puede ser la
causa de una disminución progresiva del volumen de reacción, pudiendo llegar a
obstruir los canales de paso para los fluidos. Teniendo en cuenta que en los procesos de
biooxidación existe un consumo de protones, se debe seleccionar el pH en los licores de
entrada para que en el efluente el pH sea levemente inferior a 1.7.
La concentración de hierro total en el licor de alimentación, como Fe(II) y Fe(III), debe
ser menor que 15 g/L por problemas de inhibición por sustrato y producto.
La temperatura óptima de crecimiento para los cultivos mencionados está comprendida
entre los 30 y 35 ºC. El descenso de la producción de férrico que se obtiene cuando
disminuye la temperatura del biorreactor desde el valor óptimo es prácticamente lineal.
La estabilidad de la biopelícula no se ve afectada por fenómenos de arrastre mecánico
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para valores de la carga hidráulica inferiores a 500 L/hm .
Si la carga hidráulica no rebasa el valor anterior, en condiciones limitantes de Fe(II) un
aumento del caudal de líquido implica un aumento de la productividad.
Cuando el Fe(II) no es limitante, el efecto asociado a un aumento de caudal es
totalmente el contrario.
(TRANSPARENCIA 19)
Y esto se debe a que al aumentar el caudal de líquido disminuye, lógicamente, el tiempo
medio que éste reside en el biorreactor y a que el flujo se asemeja menos al modelo de
mezcla completa, que, como se analizará en un apartado posterior, favorece la
transferencia de oxígeno, que en estas condiciones, en que no limita el Fe(II), es el
reactivo limitante.
7. AIREACION.
(TRANSPARENCIA 20)
La biooxidación del ion ferroso se puede catalogar como reacción heterogénea, en la
que tanto el catalizador como los reactivos se encuentran inicialmente en fases distintas.
Por lo tanto, se tendrán que considerar, además de la propia reacción bioquímica, los
fenómenos de transporte de materia. Así, el oxígeno inicialmente en el interior de las
burbujas atraviesa la interfase gas-líquido, viaja en el líquido hasta alcanzar la
biopelícula, se difunde a través de los poros de la misma, hasta alcanzar la célula,
reaccionando en su interior. Teniendo en cuenta las capas límite que se forman en las
inmediaciones de las interfases, un perfil genérico de concentraciones de oxígeno en el
medio líquido que pudiera resultar de todos estos fenómenos difusionales en serie es el
que se muestra en la imagen.
De todos estos pasos el que influye de manera notoria sobre la cinética global de la
reacción de biooxidación es el transporte del oxígeno del gas al líquido, pudiéndose
describir la evolución de la reacción por este otro perfil de concentraciones que se ajusta
más a la realidad.
(TRANSPARENCIA 21)
Por tanto, en condiciones no limitantes de Fe(II), la productividad del biorreactor es
muy sensible a las modificaciones en las condiciones de aireación, sobre todo en lo que
respecta a:
• El tipo de difusor para la inyección el aire en el medio líquido.
• Caudal al que se inyecte el aire.
• Condiciones de flujo para el líquido.
Estos tres factores influyen tanto sobre el área interfacial gas-líquido como al nivel de
participación de los mecanismos difusional y convectivo en la transferencia.
(TRANSPARENCIA 22)
Un cambio en el tamaño de los orificios del difusor de aire modifica la distribución de
los tamaños que presentan las burbujas en el interior del biorreactor. Este efecto es
notorio en las zonas del lecho más cercanas al difusor siendo muy poco significativo en
las zonas más alejadas. Y es que a medida que las burbujas ascienden a través del
biorreactor, trabadas por la tortuosidad de los caminos para el paso de los fluidos en el
lecho, van aumentando su tamaño por coalescencia hasta alcanzar, a una cierta altura,
un tamaño medio que permanece prácticamente constante hasta su salida del biorreactor,
y que es independiente del tipo de difusor que se emplee. Probablemente el tamaño
medio final de las burbujas venga impuesto por las características geométricas del lecho.
El aumento de caudal de gas lleva asociado dos efectos contrapuestos que se derivan del
aumento que experimenta la fracción de volumen que ocupa el gas en el biorreactor:
aumenta el área de contacto gas-líquido, efecto positivo, y disminuye el tiempo medio
de residencia del líquido, efecto negativo. La superposición de los citados efectos se
traduce en un aumento parabólico de la productividad hasta alcanzar un valor máximo
cuando se aumenta el caudal de gas.
Cuanto mayor grado de turbulencia presente el líquido mayor es la participación del
mecanismo de transporte convectivo en detrimento del mecanismo difusional,
considerablemente más lento que el anterior, y mayor es el área interfacial gas-líquido,
al aumentar la probabilidad de que tenga lugar el fenómeno de rotura de las burbujas
por interacción con los remolinos, dotados de una mayor energía mecánica.
10. SEPARACION DE LOS FENOMENOS DE TRANSFERENCIA Y
CONSUMO de OXIGENO.
(TRANSPARENCIA 23)
El lecho es indispensable para conseguir elevadas concentraciones de células en el
interior del biorreactor y evitar que la actividad biológica controle la cinética de la
biooxidación. En contrapartida la transferencia del oxigeno del gas al líquido pasa a ser
el efecto controlante, estando afectada negativamente su cinética por la presencia del
lecho.
Para potenciar la transferencia del oxígeno del gas al líquido se utiliza un diseño de
biorreactor de lecho fijo inundado que localiza en zonas distintas los fenómenos de
transferencia y consumo de oxígeno.
• La zona de transferencia se sitúa en la parte inferior del reactor. La
transferencia en ella se ve favorecida al contener el difusor de aire y carecer de
lecho, lo que permite el desarrollo del flujo turbulento del líquido.
• La zona de consumo se localiza justo encima de la zona de transferencia y está
constituida por el lecho.
(TRANSPARENCIA 24)
En la zona de transferencia el área de transferencia G-L es mayor que en la zona de
consumo así como el nivel de participación del mecanismo convectivo. Por el contrario
la concentración de células en la zona de transferencia es menor que en la zona de
consumo. Por tanto, la concentración de oxígeno será sensiblemente mayor en la zona
de transferencia que en la zona de consumo.
Los paquetes de fluido cargados en oxígeno ascienden desde la zona de transferencia al
lecho siendo consumido este gas por las células fijadas en él.
Aunque el flujo neto de líquido sea ascendente desde la zona de transferencia a la zona
de consumo, los paquetes de líquido, momentáneamente localizados en la zona de
consumo y agotados en oxígeno, pueden retornar a la zona de transferencia cargándose
nuevamente en oxígeno.
(TRANSPARENCIA 25)
Este fenómeno de retromezcla es evidente cuando se analizan las distribuciones de
tiempos de residencia para el líquido a distintas alturas en el biorreactor. Estas también
ponen de manifiesto que la incidencia de la retromezcla sobre el flujo en un punto
concreto del lecho es menos importante cuanto más alejada se encuentre de la zona de
transferencia. Por tanto en cada punto del lecho el nivel de oxigenación dependerá de la
importancia de la retromezcla en el flujo.
9. ALTURA DE LECHO.
(TRANSPARENCIA 26)
Para un caudal y composición del líquido dados la altura de lecho determina la
conversión de Fe(II) a Fe(III). En condiciones no limitantes de Fe(II) el incremento de
altura permite aumentar la productividad del biorreactor, para valores de la carga
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hidráulica inferiores a 500 L/hm y altura de reactor inferior a 2m. Cuando se emplea
una única entrada para el aire y el licor de alimentación, la relación productividad altura
de lecho no es lineal; el incremento de productividad asociado al incremento de altura es
tanto menor cuanto mayor es la altura total del lecho.