Estrategias de desarrollo de biorreactores y fermentadores para acelerar la transición a la bioeconomía

Por Salvador Izquierdo

RETOS EN EL DESARROLLO DE BIORREACTORES Y FERMENTADORES

En el ámbito de la bioeconomía, los fermentadores (o biorreactores de forma genérica) son dispositivos que permiten el cultivo de microorganismos para producir bioproductos de interés industrial, farmacéutico o alimentario. Estos bioproductos (por ejemplo, biomateriales, biocombustibles o (bio)moléculas de alto valor añadido) son típicamente producidos a partir de residuos o material de desecho de otros procesos y pueden ser sustitutos de los productos derivados del petróleo, contribuyendo así a la transición hacia una bioeconomía más sostenible y circular. Sin embargo, el desarrollo de fermentadores eficientes y rentables requiere abordar ciertas barreras técnicas, económicas y ambientales. Estas barreras están ligadas a la complejidad de manejar sistemas biológicos, a la heterogeneidad de la materia prima empleada en los procesos y a la vinculación territorial de esta, a los requisitos de calidad y circularidad de los bioproductos obtenidos y a la bioseguridad.

A continuación, se presentan algunas de las estrategias que pueden resultar útiles para optimizar el diseño, el escalado, la operación y el control de estos equipos y los procesos asociados, así como para mejorar la productividad y la calidad de los bioproductos obtenidos. El denominador común de estas estrategias es Comprender para acelerar, aplicando técnicas estado del arte para proporcionar bases sólidas, fundamentadas en el conocimiento, a la toma de decisiones.

SELECCIÓN DE MICROORGANISMOS ADECUADOS

Una de las estrategias es la selección o el diseño de los microorganismos o células que se van a cultivar en los biorreactores. Estos deben tener una alta capacidad de crecimiento y de producción del bioproducto deseado, así como una buena adaptación a las condiciones del proceso. Para ello, se pueden emplear técnicas de ingeniería genética o biología sintética que permiten modificar o crear nuevos organismos con características mejoradas o novedosas. Asimismo, es necesaria la caracterización bajo condiciones de proceso pero a escala de laboratorio (denominado proceso de downscaling), de la bioquímica relativa a las transformaciones que tienen lugar en el biorreactor.  

DISEÑO ÓPTIMO DE LOS EQUIPOS

Otra estrategia es el diseño óptimo de biorreactores y sus procesos basándose en técnicas de modelado matemático, simulación computacional o inteligencia artificial. El diseño del equipo implica elegir el tipo, el tamaño, la forma y el material del bioreactor, así como los elementos que permiten la transferencia de masa, calor y energía entre el medio de cultivo y el entorno (por ejemplo, sistemas de agitación). El diseño de proceso implica definir las condiciones operativas, la temperatura, el pH o el grado de agitación, entre otros parámetros. Estos factores influyen en el rendimiento y la estabilidad del proceso, así como en la calidad y la pureza del bioproducto. Cabe destacar que la estrategia de diseño basada en simulación facilita enormemente el escalado del proceso, ya que permite evaluar virtualmente, en fase de diseño, equipos a escala industrial.

CONTROL INTELIGENTE DE LOS PROCESOS

Una tercera estrategia es el desarrollo de métodos de control del proceso. Estos métodos permiten medir en tiempo real parámetros críticos del cultivo (por ejemplo, la concentración de biomasa, la presencia de subproductos o la actividad metabólica de los microorganismos), empleándolos para ajustar las condiciones operativas del biorreactor según las necesidades del proceso, lo que mejora la eficiencia y la robustez del mismo. Para ello, es necesario sensorizar mediante tecnologías analíticas como la espectroscopía infrarroja o la cromatografía de gases, así como con sensores ópticos o electroquímicos. También se pueden desarrollar sistemas de control automático basados en algoritmos inteligentes, que permitan regular las variables del proceso sin intervención humana.

LA EXPERIENCIA DE ITAINNOVA

Desde el Instituto Tecnológico de Aragón entendemos que el desarrollo de biorreactores es un campo multidisciplinar que requiere la colaboración para la integración de conocimientos y tecnologías provenientes de diversas áreas científicas y técnicas. Bajo este marco de colaboración, ITA pone a su disposición un equipo humano altamente cualificado y los medios materiales adecuados para ofrecerle servicios tecnológicos y de I+D orientados al despliegue de estas estrategias de aceleración del diseño y puesta en marcha de procesos biotecnológicos. Destacamos los servicios de I+D de para el desarrollo de: metodologías de caracterización de bioproductos y su reciclabilidad; estrategias de modelado, simulación e IA para el diseño óptimo y escalado de equipos; estrategias de downscaling para la caracterización microbiana y bioquímica; y sistemas de control avanzado de procesos.

Algunos casos de éxito y proyectos en los que se está trabajando en el Instituto Tecnológico de Aragón son:

COWPET

El objetivo del proyecto es el reciclado biológico de polietileno tereftalato (PET), a partir de microorganismos contenidos en residuos ganaderos, para su posterior valorización en materiales funcionales. Se trata de un proyecto actualmente en curso basado en la obtención de monómeros a partir de los cuales obtener un nuevo polímero a través del desarrollo de tecnologías de reciclaje enzimático y microbiano.

Para este proyecto se ha acondicionado un nuevo laboratorio biológico en ITAINNOVA, que cuenta con una cabina de seguridad biológica, ultracongelador, microcentrífuga, incubador orbital además del citado biorreactor. Todo ello permite disponer de la capacidad necesaria para estudiar la cinética química en procesos bioquímicos y de fermentación.

LIFE MULTI-AD 4 AGRO SMES

El proyecto LIFE MULTI-AD 4 AGRO SMES tiene como objetivo el desarrollo e industrialización de un reactor anaerobio multifásico de alto rendimiento para la producción de biogás, para la aplicación específica de tratamiento de aguas residuales en PYMEs agroalimentarias.

El rol principal de ITAINNOVA en el proyecto ha sido el diseño y escalado del reactor anaerobio, partiendo de un piloto de 100 L y llevándolo al tamaño industrial de 100 m³. Para agilizar la consecución del objetivo, ITAINNOVA ha desarrollado una metodología multifidelidad basada en modelos de fluidodinámica computacional.

VALUEWASTE

VALUEWASTE propone un enfoque integrado en la valorización de residuos orgánicos urbanos para la producción de productos biológicos de alto valor. El proceso parte un proceso de digestión anaerobia e integra tres líneas de valor correspondientes al uso del biogás, el digestato y el efluente para la generación de piensos y fertilizantes biobasados.

La integración de la planta a escala industrial ha sido la principal contribución de ITAINNOVA al proyecto. Este diseño ha tenido en cuenta aspectos de circularidad y eficiencia energética y en él se han integrado fuentes de energía renovable para electricidad y calor. Además, se ha dado soporte a la optimización de reactores, como es el caso del reactor de stripping para recuperación de nitrógeno, a través de modelos computacionales que han permitido mejorar el contacto líquido-gas y, por tanto, su eficiencia.