Evaluación de un biorreactor sólido/gas en la síntesis orgánica de propionato de isobutilo - García Martínez, Luis Eduardo (Universidad Autónoma Metropolitana, 2022)
En la actualidad, la biocatálisis sólido/gas (GS) es una disciplina biotecnológica atractiva para llevar a cabo reacciones biocatáliticas de síntesis para producir compuestos orgánicos de alto valor para las industrias farmacéutica, alimentaria, de aromas, entre otras. El diseño del biorreactor SG es, sin embargo, el principal reto para su aplicación a gran escala. En este sentido, aunque un modelado adecuado es la herramienta de ingeniería más confiable para diseñar una tecnología de reacción, no existe en la actualidad un modelo matemático para este tipo de biorreactor. Con este fin, este trabajo tiene como objetivo desarrollar un modelo pseudo-continuo para un reactor de lecho empacado para biocatálisis SG. Como caso de estudio, se implementa la esterificación de ácido propiónico e isobutanol con lipasas de Candida antarctica debido a la importancia del producto (propionato de isobutilo) en el mercado de compuestos aromáticos. La propuesta y construcción del modelo matemático se basan en principios de ingeniería de reactores. Así, el modelo pseudo-continuo se aplica para realizar un análisis de sensibilidad paramétrica y otro de superficie de respuesta. Los resultados obtenidos elucidaron el potencial que tiene la tecnología SG para la esterificación de ácido propiónico e isobutanol en lipasas comerciales compatibles. La termodinámica mostró, por un lado, cómo la conversión de equilibrio se ve afectada principalmente por aw. Las conversiones en el equilibrio se vieron favorecidas con valores de aw cercanos a cero y proporciones de alcohol:ácido alrededor de 1:4 o 4:1. La cinética indicó que las tasas de bioconversión se vieron favorecidas con una aw de alrededor de 0,2, y valores de la proporción de alcohol a ácido cercanos a 1:4 o 4:1. A nivel del biorreactor SG, la dinámica de fluidos favoreció la transferencia de calor a través del lecho, evitando la aparición de puntos calientes. Una temperatura de reacción alrededor de 316 K llevó a la mayor conversión a través del lecho. Las velocidades de reacción se vieron favorecidas a al aumentar la concentración de entrada de reactantes. El análisis de sensibilidad paramétrica contribuyó a comprender la compleja interacción microscópica entre la termodinámica, la cinética y los fenómenos de transporte en las condiciones de operación estudiadas y las características de la geometría definida. Por otro lado, el análisis de superficie de respuesta permitió identificar la ventana de operación donde el biocatalizador cumple con su desempeño macroscópico óptimo sin tener el conocido costo computacional debido al tiempo requerido para resolver modelos pseudo-continuos que dan cuenta de la heterogeneidad y dinámica de fluidos del biorreactor. Además, en este trabajo se diseñó, construyó y operó un prototipo experimental del sistema de reacción SG a escala banco para llevar a cabo la reacción de esterificación. Debido a su actividad lipasa, como biocatalizador se utilizaron células completas de Yarrowia lipolytica 2.2ab inmovilizadas y liofilizadas en anillos raschig de cerámica. Como gas acarreador se utilizó nitrógeno el cual arrastra los reactantes en fase gas a través del lecho empacado. A la salida del reactor se instaló un sistema de recuperación del producto y reactantes que no reaccionaron mediante burbujeo con metanol a -5 ºC. Se llevó a cabo una evaluación preliminar del sistema de biorreacción SG. Se evaluó la actividad enzimática de la levadura Y. lipolytica y su capacidad de llevar a cabo a la reacción en condiciones acuosas y en el sistema de reacción SG. Se elucidó que este biocatalizador puede catalizar la reacción de esterificación tanto en fase acuosa como en fase gaseosa. Los resultados experimentales, aunque preliminares, sugieren al igual que el estudio teórico que el biorreactor SG es una tecnología prometedora que se debe seguir estudiando en trabajos futuros con el objetivo de robustecer el modelo del reactor desarrollado y llevar a cabo su escalamiento, incluso considerando otro tipo de biorreacciones y diferentes biocatalizadores. Los resultados teóricos permitieron diseñar, construir y operar un prototipo experimental del sistema de reacción gas/sólido para lo cual se diseñó y montó un sistema de reacción SG para llevar a cabo la reacción de esterificación. Los resultados mostraron el potencial de las células completas de Y. lipolytica como biocatalizador en la esterificación de ácido propiónico e isobutanol y al sistema con la capacidad de llevar este tipo de reacción en fase gaseosa, siendo el biorreactor SG una alternativa prometedora en la que es necesario seguir con la caracterización experimental para validar el modelo propuesto y llevar a cabo otro tipo de reacciones y diferentes biocatalizadores.