Pentru a veni în fața consumatorilor cu produse dintre cele mai bune, dar și cu prețuri dintre cele mai competitivii, procesatorii sunt nevoiți să apeleze la tehnologii de ultimă generație. Una dintre acestea este utilizarea bioreactoarelor cu membrană. Studiind aceasă temă, în lucrarea cu titlul ”Advanced Dairy Science and Technology”, semnată de Trevor J. Britz University of Stellenbosch South Africa și Richard K. Robinson Consultant in Food Science and Technology Reading UK, afirmă că reactoarele cu membrană enzimatică pot fi realmente de ajutor. Deși tehnologia nu este de ultimă generație, ea este perfecționată continuu. Iată, așadar, considerațiile acestora.

Criterii de clasificare

Pentru clasificarea reactoarelor cu membrană enzimatică au fost utilizate criterii precum tipul de configurație, hidrodinamica sistemului (sau mecanismul de contact între biocatalizator și substrat). În ambele cazuri, există două categorii majore:

(1) reactoarele cu membrană cu rezervor agitat continuu (sau contact direct) și

(2) reactoarele cu membrană cu flux de mufă (fibră goală sau difuzie).

Reactoarele cu membrană de rezervor cu agitare continuă sunt acționate în condiții în care presiunea este forța motrice, pentru a realiza permeabilitatea produsului. În cadrul acestei clasificări, există încă două subdiviziuni, adică reactoarele cu punct mort și de reciclare cu membrană.

În reactoarele cu membrană cu punct mort, separarea și reacția au loc în același compartiment, iar amestecul de reacție este presurizat în flux contrar membranei, care este de obicei plasată pe baza sistemului sau scufundată în rezervorul de alimentare.

Avantaje și dezavantaje

Aceste tipuri de zone ale reactoarelor sunt asociate cu un dezavantaj major, care este dat de necesitatea de a face compromisuri între condițiile necesare pentru a obține conversii mari (cinetica reacției controlată) și menținerea funcționării în regim stabil (guvernată de caracteristicile de performanță ale membranei). În acest scop, reactoarele cu membrană de reciclare, formate de obicei dintr-un reactor-rezervor cuplat într-o configurație cu buclă semi-închisă, printr-o pompă adecvată la un modul cu membrană, oferă condițiile necesare pentru un control individual adecvat al reacției și al separării.

În reactoarele cu membrană de reciclare, unitatea de membrană este separată fizic de vasul de reacție. Amestecul de reacție este pompat continuu prin modulul de membrană și reciclat înapoi, în timp ce permeata produsului este îndepărtată și substituită cu substrat proaspăt în același ritm.

Condițiile de amestecare, care prevalează în reactoarele cu membrană de reciclare (datorită circulației continue a alimentării prin modul), sugerează că toate concentrațiile produsului și ale substratului sunt egale în vasul de reacție și permeabil.

Astfel, acest tip de reactor este mai potrivit pentru reacțiile inhibate de substrat,  decât cele inhibate de produs, datorită naturii de echilibrare a proceselor de membrană. Dar, acestea suferă de rate de conversie scăzute, datorită concentrațiilor scăzute de substrat (pentru cele mai frecvente bioconversii), deoarece au o ordine de reacție pozitivă, reacția desfășurându-se ireversibil.

Îmbunătățirea ratei de conversie

Pentru a îmbunătăți ratele de conversie în aceste tipuri de reactoare, mai multe pot fi conectate în serie, ceea ce poate facilita, de asemenea, conversiile multi-enzimale sau poate fi utilizată o creștere în mai multe etape a volumului vasului de reacție, pentru a crește timpul de ședere în reactor.

Acest tip de bioreactor este cel mai potrivit pentru hidroliza macromoleculelor, deoarece disponibilitatea substratului nu depinde de dimensiunea sa moleculară, așa cum este cazul pentru reactoarele cu membrană cu flux. De asemenea, membrana oferă un mijloc de control al mărimii produselor din permeat, prin caracteristici de cernere.

La rândul lor, reactoarele cu membrană cu debit (sau difuzie), folosesc unitatea de membrană ca bioreactor. Operat de obicei în cartușe cu membrană din fibre goale, biocatalizatorul este modulul de filtrare a reactorului. Substratul trebuie să difuzeze peste membrană, pentru a suferi reacții, iar produsul și orice substrat neconvertit trebuie apoi să difuzeze înapoi în flux și să fie îndepărtat din reactor.

Conceptul de funcționare a reactorului cu membrană cu flux necesită ca substratul și produsele să fie de aproximativ aceeași dimensiune moleculară, dar mult mai mici (de cel puțin 10 ori), decât dimensiunea porilor membranei, pentru a facilita transferul de masă, controlat prin difuzie.

Transferul de substrat de masă, controlat prin difuzie în aceste tipuri de reactoare, este principalul lor dezavantaj, deoarece limitează comportamentul cinetic al biocatalizatorului. În acest sens, au fost investigate mai multe moduri diferite de funcționare a reactoarelor cu flux de priză.

Noi concepte

Bioreactoarele cu membrane catalitice active sunt un nou tip de reactor, în care biocatalizatorii sunt imobilizați pe structura poroasă a membranelor, de obicei,  ceramice. Pregătirea acestor tipuri de membrane catalitice active este un proces în trei etape, în care un strat de gel dinamic ultra-subțire este generat deasupra unei membrane care este activată ulterior cu agenți de reticulare (de ex. glutaraldehidă) și, în cele din urmă, utilizate ca suport pentru imobilizarea enzimei prin legătură covalentă.

Avantajele așteptate ale acestui tip de reactor includ controlul precis al reacției, pierderile minimizate de substrat și catalizator, reacții mai rapide, randamente mai mari, produse mai curate și costuri de operare mai mici (Rios și colab., 2014).

Contactoarele cu membrană sunt un alt concept recent dezvoltat, prin care reacțiile enzimatice sunt efectuate în sisteme în care separarea membranelor este cuplată la o etapă de extracție a solventului. Inactivarea biocatalizatorului și murdărirea membranei sunt parametri importanți, care determină productivitatea și consistența produsului bioreactoarelor cu membrană și, în consecință, aplicarea lor la scară comercială.

Câțiva parametri diferiți pot duce la inactivarea biocatalizatorului, inclusiv: rata de diluare, inactivarea termică, pierderea activatorilor, adsorbția și otrăvirea membranelor, deteriorarea forfecării (asociată și cu inactivarea interfacială, încălzirea locală, antrenarea aerului) și inactivarea datorită reacției cu alte componente în amestec (de exemplu, reducerea zaharurilor).

Rolul temperaturii de reacție

Temperatura de reacție este considerată a fi unul dintre parametrii majori care provoacă inactivarea enzimei. Din acest motiv, se sugerează frecvent ca temperaturile mai mici decât cele optime să fie utilizate în bioreactoarele cu membrană pentru a evita pierderea activității.

Pierderea activatorilor este, de asemenea, un motiv major pentru activități mai mici, deoarece activatorii sunt adesea mult mai mici, decât enzimele și, prin urmare, se pierd în permeat. Unele materiale membranare provoacă inactivarea enzimelor la contact, dar această problemă poate fi rezolvată numai prin încercări și erori în timpul dezvoltării oricărui proces individual.

Dintre toți parametrii care afectează activitatea enzimei, deteriorarea prin forfecare este problema care afectează cel mai mult funcționarea bioreactoarelor cu membrană, în special reactoarele de reciclare a rezervorului cu agitare continuă.

Cu toate acestea, lucrările efectuate cu o varietate de enzime (alcool dehidrogenază, catalază, urează), au arătat că forfecarea nu a fost parametrul care provoacă direct inactivarea, ci alte fenomene induse de forfecare, cum ar fi încălzirea locală, denaturarea suprafeței în cavități și cel mai important generarea de interfaze gazoase lichide, au fost de fapt agenții cauzali direcți.

Funcționarea bioreactorului

Pentru operațiile bioreactorului continuu, o serie de valori diferite care caracterizează condițiile de reacție pot fi calculate folosind datele din analiza probei și permeabilizarea fluxului și a măsurătorilor de volum efectuate pe parcursul experimentelor.

”Înlocuirea volumului” sau numărul diavolumelor (adimensionale), sunt determinate de raportul Vc/Vf, unde Vc este permeatul cumulativ total eliminat în timpul funcționării, iar Vf este volumul amestecului de reacție din reactorul cu membrană de reciclare.

”Timpul de staționare” într-un reactor este calculat în funcție de volumul amestecului de reacție din reactor, împărțit la debitul permeatului exercitat în timpul funcționării. Productivitatea bioreactorului, măsurată ca greutate a produsului pe unitate de biocatalizator utilizată (de exemplu, mg U − 1), este calculată ca ”productivitate instantanee”, pe o perioadă de timp definită și ca ”productivitate cumulativă”, pe întreaga perioadă de funcționare.

Aplicații ale bioreactoarelor

Reactoarele cu membrană hidrolitică au fost utilizate pentru degradarea oligozaharidelor, inclusiv lactoza. Galactozidazele sunt biocatalizatori versatili utilizați pentru hidroliza lactozei, pentru a facilita digestibilitatea laptelui și pentru a îmbunătăți proprietățile funcționale ale produselor lactate și formarea galactooligozaharidelor.

Atât reactoarele cu membrană plug-flow, cât și cele reciclate, au fost utilizate pentru hidroliza enzimatică a lactozei, deoarece, atât substratul, cât și produsul, au greutate moleculară mică comparativ cu MWCO al membranelor utilizate.

Park et al. a dezvoltat un reactor enzimatic cu fibre goale, care funcționează în flux, dar cu fazele de substrat și enzime recirculate cu oscilație de ultrafiltrare, pentru hidroliza lactozei. S-a demonstrat că situațiile (de exemplu, rata de recirculare), care favorizează transferul de masă, au crescut și conversia în reactor.

Fabricarea galactooligozaharidelor folosind lactoză ca substrat este un proces destul de nou și în creștere rapidă, datorită interesului recent crescut, generat de alimentele funcționale. Galactooligozaharidele sunt ingrediente prebiotice, care pot afecta în mod benefic sănătatea colonului consumatorilor. Aplicațiile acestor produse se găsesc în preparatele comerciale utilizate de adulți, dar și în preparatele de formulă pentru sugari.

Reactoarele cu rezervor agitat de ultrafiltrare continuă pentru hidroliza lactozei și sinteza galactooligozaharidelor au fost dezvoltate de Petzelbauer și colab. cu beta-galactozidaze hiper-termofile și Chockchaisawasdee și colab., cu o beta-galactozidază, de la Kluyveromyces lactis.

Aceștia au identificat adsorbția proteinelor de membrană, rata de recirculare și interacțiunile dintre proteinele din zahăr pentru a fi responsabile de inactivarea enzimei și au arătat, de asemenea, variații ale gradului de polimerizare între oligozaharidele produse în reacții discontinue și cele produse cu un reactor cu membrană.

O altă aplicație pe bază de lactate a bioreactoarelor cu membrană este în purificarea beta-lactoglobulinei din proteina din zer. Baza procesului de purificare este hidroliza enzimatică a proteinelor contaminante, a lactalbuminei și urmelor de albumină serică, de către pepsină în condițiile în care beta-lactoglobulina este rezistentă la hidroliză. Peptidele generate ar pătrunde membrana, lăsând beta-lactoglobulina într-o formă purificată în fluxul retentat, unde poate fi concentrată.

În același context, preparatele din zer și din lapte fără cazeină, pentru a fi utilizate în preparatele cu formulă pentru sugari, pot fi preparate prin hidroliză enzimatică cu proteinaza lactococică din anvelopă celulară, pentru a preveni reacțiile imunologice la aceste produse.

Aceste procese pot fi optimizate pentru a funcționa continuu. Același principiu poate fi utilizat pentru producerea de peptide bioactive, prin fermentare în fermentatoare cu membrană, cu microorganismul Lactobacillus helveticus, care posedă o activitate proteolitică puternică. În acest caz, totuși, produsul dorit ar fi în fluxul permeat.