tipos de biorreactores

ARQTema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación

Tema 5 Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación

Clasificación de los BiorreactoresBiorreactores con biocatalizadores en suspensión: Agitación Mecánica y Agitación NeumáticaBiorreactores con biocatalizadores inmovilizados: Enzimas y Células. Biorreactores especiales

Conocer los tipos de biorreactores y sus características.Saber las aplicaciones generales de los diferentes tipos de biorreactoresConocer las formas de operación en los biorreactores con los diferentes biocatalizadores.Determinar, una vez conocido el biocatalizador, las posibles configura-ciones de biorreactores para llevar a cabo una transformación determinada.Determinar el tipo de operación más adecuado a emplear en la transformación.

ContenidosObjetivos

Características Generales

• Condiciones de operación suaves (Poco aporte energético)• Transformación isoterma (Resolución BM y BE no acoplado)• Productividad (actividad y estabilidad biocatalizador, rdto producto)

BIORREACTORRecipiente en el que se lleva a cabo una transformación en la

que interviene un biocatalizador

Clasificación de Biorreactores

Clasificación

Tipo de operaciónFasesForma

Tubos h >> Ø

Tanques h ≅ Ø

Homogéneos

Heterogéneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo

Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodosBiorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores,

TIPOS de BIORREACTORES

Clasificación de Biorreactores

Clasificación

Tubos h >> Ø

Tanques h ≅ Ø

Homogéneos

Heterogéneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo

Biocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)

Biorreactores con biocatalizadores en suspensión

Tipo de agitación

Agitación mecánica: equipo mecánico

Agitación neumática: gas a presión

Distribución homogénea del catalizador: Agitación

Tipo de agitación

Reactor tipo TANQUE AGITADOAgitación MecánicaCaracterísticas generales

• Tipo de Flujo (ideal): Flujo en Mezcla Perfecta• Relación h/Ø: 1• Versátiles: permite cambios, uso multipropósito• Los más empleados • Agitados mecánicamente (tipos de agitadores):

consumo relativamente elevado de potencia

• Otros elementos: bafles deflectores, rompe-espumas

• Aireados (células aerobias): Distribuidores de aire• Transferencia de calor: Serpentines, camisas

• Tipo de operación: Discontinua, Semicontinua, Continua

Tipo de agitación

Reactores tipo COLUMNAAgitación NeumáticaCaracterísticas generales

Relación h/Ø: > 6/1, Reactores tubulares(COLUMNAS de BURBUJEO)

Agitados neumáticamente (gas a presión)Aireados: Distribuidores de aireTransferencia de calor: Serpentines,

Cambiador externoTipo de operación: Discontinua, ContinuaAccesorios: recirculación (AIR-LIFT)Células susceptibles daño

Columna de burbujeo Régimen de Flujo

Flujo HeterogéneoFlujo Homogéneo

Columna de burbujeo

Características

Fase sólida (microorganismo) “disuelta” en fase líquidaCélulas susceptibles de daño celularMicroorganismos floculantes (Lecho fluidizado trifásico)Procesos: Producción cerveza, vinagre,

levadura panadería, SCP, aguas residualesCaracterísticas de diseño:

- distribuidores de gas parte inferior recipiente- Parte superior con mayor diámetro (arrastres): ↓vS

Control por velocidad de transporte de oxígeno→Sistemas bifásicos(control película líquida)

Diseño: f (flujo en el recipiente): f (mezcla axial)⇒ Modelos de dos zonas

Características

Fase sólida (microorganismo) “disuelta” en fase líquida

Células susceptibles de daño celular (células superiores)Características de diseño:

- distribuidores o inyectores de gas - Elementos mecánicos internos (externos)→Movimiento del líquido

Control por velocidad de transporte de oxígeno→Sistemas bifásicos(control película líquida)

Diseño: f (flujo en el recipiente): f (mezcla axial)⇒ Modelos de tres zonas

Air-lift

Air-lift Características

Procesos: cultivo de células superiores (animales y vegetales)tejidos u órganos de células vegetalestratamiento aguasSCP (a partir de metanol)

Dos ZONAS (ASCENDENTE y DESCENDENTE): Diferente densidad: Separación gas zona superior.Movimiento líquido ascendente y descendente separados físicamenteGas se introducido en zona ascendente.

CONFIGURACIONES: Recirculación internaRecirculación externa.

Air-lift Configuraciones: Recirculación interna

Salida gas Salida gas

Tubo o bafle

Descendente

Ascendente

Distribuidos de gas

Entrada gas (aire) Entrada gas (aire)

Air-lift ConfiguracionesRecirculación externa

Salida gas

Descendente

Ascendente

Distribuidos de gas

Entrada gas (aire)

Características

Comparación Agitación Mecánica y Neumática

Elevado

Dañocelular

Generación baja(todo tipo de

sistemas)ModeradaElevadoBaja Neumática

Generación elevada

(sistemas no muy exotérmicos)

ElevadaPequeñoBaja y AltaMecánica

Transferenciacalor

PotenciaVolumen reactorViscosidad

Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados

Clasificación

Tubos h >> Ø

Tanques h ≅ Ø

Homogéneos

Heterogéneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo

Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodos

Tipo de biocatalizador

Enzimas

Células

Enzimas Reactores Heterogéneos

• Elevadas producciones, calidad constante• Mayor estabilidad E que en suspensión. Inmovilización• Reutilización catalizador (Alto precio)

•Tanques agitados• Lechos

Tanque agitado (CSTR)

• Equipos cilíndricos h≈D• Agitación mecánica• Mezcla perfecta (líquidos con baja viscosidad)• Homogeneización: Elevada N (P/V)⇒posible abrasión • Bajos costes producción• Gran automatización• Equipos versátiles• Enzimas inmovilizadas: configuraciones

• partículas suspendidas (filtro)• Partículas retenidas (agitador, bafles)• Circulación partículas

Enzimas

Tanque slurry

Tanque cesta Tanque (tabiques)Tanque agitado (CSTR)Enzimas

Lecho fijo

•Elevadas [E]•Alto inmovilizado •Bajos costes producción (automatización)•Flujo pistón: f(z), no f(r)•Enzimas inmovilizadas: configuraciones

• lecho fijo• lecho de fibra• monolito

Lecho fijo

Lecho de fibra

Monolito

Enzimas Reactores tubulares

Células

Tipo de inmovilización

Pasiva

Activa

INMOVILIZACIÓN PASIVA

Crecimiento células en superficies materiales rugososOperación en continuo

- VENTAJAS:- No pre-producción células- Gran capacidad de TM- Partículas reutilizables- Cambio de escala no complicado

- DESVENTAJAS:- No esterilidad: tratamiento residuos

Células

Filtro biológico

Ejemplos

PenicilinaEspuma de poliuretanoPenicillium chrisogenum

LipasaEspuma de poliuretanoRizopus chimensis

Ác γ-linolénicoEspuma de poliuretanoMucor ambiguus

CelulasaAceroTrichoderma viride

Acetona, butanol, etanolEsponja naturalClostridium acetobutilicum

EtanolAcero o espuma de poliesterS. cerevisiaeAmilasaEspuma de siliconaE. coli

MetanoEspuma de poliuretanoMicroorganismos metanogénicosTratamiento de residuosEspuma de poliuretanoCultivo mixto

ProductoSoporteCélulas

INMOVILIZACIÓN PASIVACélulas

Tanque agitado

- Robustez biocatalizador: diseños agitador- Proceso aerobio: limitaciones

Lecho fijo- VENTAJAS:

- facilidad operación- ↑velocs reacción

- DESVENTAJAS:- Taponamiento lecho:

Células no viables o resting cells- No gran aporte de O2

- Eliminación CO2

- Tratamiento L-S

Lecho fluidizado

- MO aerobios y anaerobios- MO susceptibles de daño celular- Fácil Control y medida- Introducción catalizador activo- Veloc. mínima fluidización con recirculación líquido- Pequeñas partículas con elevada área- Mala estabilidad- Complejidad diseño- No esterilidad

INMOVILIZACIÓN ACTIVA

Células

Anticuerpos monoclonales---Células animalesTanque

agitado

Lecho fluidizado

Lecho fijo

Reactor

Tratamiento aguas---Cultivo mixto

Ácido glutámicoColágenoBrevibacterium flavum

EtanolAlginato cálcicoS. cerevisiaefumárico⇒aspárticoGel poliacrilamidaE. coli

ProductoInmovilizaciónCélulas

INMOVILIZACIÓN ACTIVA

Ejemplos

Células

- Membranas preformadas: separación células del medio-Operación continuaMEMBRANAS:

- ultrafiltración (poliméricas) - cerámicas, siliconas- intercambio iónico

⇒tamaño: 0,1 y 5 µm; f(tamaño celular)⇒Material: acetato y nitrato celulosa

polipropilenopoliacrilonitrilo, etc

⇒Permeabilidad: f(tamaño, estructura, hidrofobicidad, carga)⇒Forma: fibras huecas (hollow fiber

Reactores de membrana

Células

INMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento)

VENTAJAS:- Método inmovilización no daña metabolismo: “en suspensión”- Empleo para células viables con o sin crecimiento (resting cells)- No wash-out- Resting cells: combinación reacción y regeneración- Mayor pureza producto: Down-stream- Posibilidad de permeabilidad selectiva:

- No a inhibidores- Componentes de fases L y G por membranas diferentes (no oxigenación L)

- Entada de nutrientes por membranas diversas- Empleo de medios no acuosos sin emulsión (y separación de fases)

- Protección contra stress hidrodinámico

Células

INMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento) Reactores de membrana

DESVENTAJAS:- Transferencia de Materia:

- Distribución heterogénea de células, mo móviles- Distribución heterogénea de sustratos: empleo resting cells- Transporte por difusión.

- Compatibilidad células con membranas sintéticas: metabolismo- Monitorización y control

Ácido lácticoLactobacillus delbrenkriβ-lactamasaE. coli

ProductoCélulas

Células

Reactores de membranaINMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento)

Ejemplos

Biorreactores especiales

Clasificación

Tubos h >> Ø

Tanques h ≅ Ø

Homogéneos

Heterogéneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo

Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodosBiorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores, intensificación de procesos

Biocatalizadores especiales: estado sólido, fotobiorreactores

Tipo de transformación

Fermentación en estado sólido

Fotobiorreactores

Agitación Mecánica: Tanques agitadosFermentadores rotatoriosBiorreactores pulsantes

Operación continua o discontinua

BIORREACTORES ESPECIALES Estado Sólido

- Sustratos sólidos- Bajos niveles de humedad (40%, <80%)- Procesos anaerobios y microaerófilos- Ambiente selectivo (actividad agua)⇒Mohos, bacterias, levaduras- Excreción de enzimas extracelulares- Procesos: Vino, Salsa de soja, Tratamiento residuos (Discontinuo)

VENTAJAS:- Volumen pequeño (economía)- ↓Posibilidad de contaminación (%H2O)- Separación producto sencilla (líquido, gas, sólido)- Desarrollo de estructuras microbianas morfológicas diferenciadas

DESVENTAJAS:- Medio heterogéneo: mala mezcla- Dificultad de control- Volúmenes mayores⇒gradientes (rotura micelios)

Reactores rotatoriosBIORREACTORES ESPECIALES Estado Sólido

BIORREACTORES PULSANTES

- Agitación pos pulsos: movimiento elementos equipo (platos, émbolo)- Procesos aerobios- Elevada viscosidad- Aplicaciones: Operación continua

Producción MetabolitosTratamiento de residuos

Aerobio, anaerobioTratamiento de residuosCultivo mixtoaerobioSCPLevadura

Aerobio, inmovilización

----Aerobio, elevada viscosidadAerobio, elevada viscosidad

Características proceso

Ácido acéticoAcetobacter aceti

EtanolZymomonas mobilisÁcido cítricoAspergillus nigerAntibióticosCyathus striatus

ProductoCélulas

BIORREACTORES ESPECIALES

- CO2→Metabolitos (autótrofo)- Energía luminosa (fotótrofo)- Compuesto dador de e- (H2O)- Organismos fotosintéticos: bacterias fotosintéticas, microalgas, cianobacterias,

FOTOBIORREACTORES

⇒Complemento alimentario (biomasa)⇒Espacio: O2 y alimento

⇒Producción metabolitos de valor añadido⇒Pigmentos, antioxidantes, prods farmacéuticos

⇒Medioambiente⇒Eliminación sustancias tóxicas (metales pesados, fijación CO2)⇒Inóculos suelos contaminados⇒Regeneración atmósfera sistemas cerrados

BIORREACTORES ESPECIALES

ACTIVIDAD BIOSINTÉTICA:- Eficacia sistema iluminación: µ

- Luz natural - Luz artificial

- Veloc. Volumétrica absorción luz:- ↑Superficie de T.E.- ↑I luz incidente

ContinuosBuen control condicionesCalidad cte productoPermiten esterilizaciónElevado gasto energéticoDificultad cambio de escala

Poco gasto energéticoDifícil controlPurezaFases luz-oscuridadMenor productividad

BIORREACTORES ESPECIALES FOTOBIORREACTORES

Bibliografía recomendada

Asenjo, J.A. y Merchuck, J.C. 1994. Bioreactor System Design. Marcel Dekker. 139-206.Atkinson, B. 1986. Reactores Bioquímicos. Reverté. 15-45.Atkinson, B. y Mavituna, F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology

Handbook. Stockton Press. 2nd Ed., 608-624Bailey, J.E. y Ollis, D.F. 1986. Biochemical Engineering Fundamentals. McGraw-Hill. 2ª

Ed. 535-539Blanch H.W. y Clark, D.S. 1996. Biochemical Engineering. Marcel Dekker. 276-277, 292-

300Doran, P. M. 1995. Bioprocess Engineering Principles. Academia Press. 336-353.Godiá, Casasblancas, F. y López Santín, J. (eds.). 1998. Ingeniería Bioquímica.

Síntesis. 131-144, 299-230Shuler, M.L. y Kargi, F. 2002. Bioprocess Engineering. Basic Concepts. 2ª Ed. Prentice

Hall. 245-290

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