Biorreactores a gas con camas fluidizadas
Los lechos fluidizados de gas sólido consisten en una cámara vertical con una placa de base perforada a través de la cual se sopla aire, o algún otro gas, con suficiente velocidad para fluidizar las partículas de sustrato. Es necesario diseñar el biorreactor con suficiente altura para permitir la expansión del lecho tras la fluidización. Además, para facilitar la separación de los sólidos, las regiones superiores del biorreactor necesitan ser algo más anchas que la región de fluidización.
Debido a la mayor área de la sección transversal para el flujo, la velocidad superficial del aire cae por debajo de la velocidad de fluidización mínima y las partículas en esta región por lo tanto se asientan. Puede ser necesario incorporar un mezclador mecánico ligeramente por encima de la placa base para ayudar a romper cualquier aglomerado no fluidizado que pueda depositarse allí. En este tipo de biorreactores es relativamente sencillo hacer adiciones al lecho de sustrato.
Se pueden pulverizar agua, o nutrientes o soluciones de corrección de pH sobre la parte superior del lecho de sustrato. Puede ser interesante reciclar el aire del proceso, con el fin de reducir los costes de preparación del aire relacionados con el calentamiento y la humidificación, aunque en un proceso aeróbico se debe tener cuidado para no permitir que el nivel de O2 caiga demasiado bajo y el nivel de CO2 suba demasiado. Dichos fermentadores se pueden usar para procesos anaeróbicos si se utiliza N2 para la fluidización, pero el reciclado es entonces esencial para minimizar los costes de proceso.
La capacidad de usar este tipo de biorreactores depende de las propiedades del sustrato. Hay dos dificultades potenciales. En segundo lugar, si las partículas del sustrato tienen diferentes tamaños, entonces algunas partículas pueden fluidizarse mientras que otras no. Incluso con un sustrato no pegajoso de tamaño uniforme, también se esperaría que el funcionamiento en lecho fluidizado se enfrentara a desafíos dado que las propiedades de la partícula sustrato pueden cambiar notablemente durante una fermentación debido al consumo de nutrientes dentro de la partícula por el microorganismo y consecuente pérdida de masa de partículas en forma de CO2.
Matsuno describe el uso de dos lechos sólidos aireados fluidizados por la compañía de salsa de soja Kikkoman en los años 70:
Un biorreactor de 16 L de 2 m de alto, con un diámetro de 20 cm en la región de fluidización inferior y un diámetro de 28 cm en la región de desprendimiento superior;
Un biorreactor de 8000 L de 8 m de alto, con un diámetro de 1,5 m en la región de fluidización inferior y un diámetro de 2 m en la región de desprendimiento superior. Este bioreactor tenía una capacidad de 833 kg de salvado de trigo con un contenido de humedad del 40%.
Según este autor Kikkoman afirmó que el lecho fluidizado aaireados sólido daba una mayor productividad para la producción de proteasas y amilasas por Aspergillus sojae en polvo de salvado de trigo que los sistemas de SSF de lecho estático o cultivo líquido sumergido. Sin embargo, no hay información detallada sobre este fermentador y su funcionamiento. Los lechos sólidos a gas y fluidizados también recibieron interés en la década de 1980 por la producción de etanol. Rottenbacher y otros construyeron un biorreactor de escala piloto de 55 cm de diámetro. (1987). En este caso, el sistema tenía algunas diferencias con los procesos «típicos» SSF. Dado que la producción de etanol requiere condiciones anaeróbicas, se usó N2 como gas fluidizante. Fue reciclado a través del biorreactor, siendo condensado el etanol del gas antes de ser devuelto al biorreactor. La idea era que, al eliminar continuamente el etanol del sistema, esta estrategia minimizaría los efectos inhibitorios del etanol y maximizaría los rendimientos de etanol. Otra diferencia era que la fase sólida no era una fase nutriente, sino que consistía en pellets de levadura comprimida. El biorreactor tenía una capacidad para 20 kg de pellets de levadura. Se pulverizó una solución de glucosa sobre la superficie del lecho, por lo que cada pastilla recibió nutrientes frescos a medida que circulaba a través del lecho.
Ninguno de los trabajadores que han utilizado lechos fluidizados han mencionado cualquier problema con el control de la temperatura. Esto no es inesperado, ya que los altos caudales requeridos para la fluidización deben proporcionar suficiente capacidad de refrigeración por convección. De hecho, debido a la facilidad del control de la temperatura, los modelos matemáticos que se han desarrollado para la operación en lecho fluidizado no incluyen los balances energéticos. Además, debido a la buena homogeneidad del lecho, tienden a preocuparse por fenómenos intra-partículas.
Una variante del lecho fluidizado es el «lecho empujado». La diferencia principal es que el aire es soplado hacia arriba solamente a lo largo del eje central del lecho, de manera que sólo una parte del lecho se fluidiza en cualquier momento. Hay un ciclo continuo de partículas a medida que los sólidos se deslizan por los lados inclinados en la parte inferior del biorreactor. Sin embargo, en sus experimentos, en los que se cultivó Aspergillus oryzae en arroz, la altura del lecho era sólo de 9 cm, lo que significa que la relación entre el volumen total del biorreactor y el volumen del lecho era bastante grande. Además, utilizaron una tasa de aireación de alrededor de 250 L min-1. Esto representa una tasa de aireación de 625 vvm (volúmenes de aire por volumen de lecho por minuto), lo que es poco probable que sea práctico mantener a gran escala.
En esta fermentación en particular, el chorro continuo condujo a un crecimiento más pobre y a niveles enzimáticos más bajos que en camas que fueron operadas como camas empacadas (a una tasa de aireación de alrededor de 50 L min-1) durante la mayor parte del tiempo y sólo se lanzaron de forma intermitente a 1 o 4 h intervalos (a una tasa de aireación de alrededor de 250 L min-1), presumiblemente debido al daño de cizallamiento causado por el movimiento continuo.
Obsérvese que en los lechos con chorros intermitentes, la aireación del lecho no será uniforme durante los periodos de operación de lecho empaquetado, puesto que el aire no se introduce uniformemente a través de toda la sección del lecho. No está claro cómo será la operación de chorros adecuada para los biorreactores a gran escala.