Diseo de fermentadores o bioreactores

Bioreactores o Fermentadores Dr. Blgo. Carlos E. Villanueva Aguilar

Microbiologa Industrial y Biotecnologa Microbiana

Qu es un biorreactor?Dispositivo fsico donde se efecta un proceso biolgico (bioreaccin) bajo condiciones ambientales controladas. En un proceso biolgico se tiene dos sistemas interactuando:

Sistema biolgico

Medio ambiente

Recipiente donde se lleva a cabo reacciones bioqumicas y/o bioprocesos, sea con enzimas, microorganismos o con clulas vegetales y animales, viables y no viables. Todas estas especies se conocen como biocatalizadores.

Fermentador: se utilizan clulas.

Reactor enzimtico: se utilizan enzimas.

Las reacciones bioqumicas se aprovechan para la transformacin y produccin de sustancias biolgicas y qumicasLos bioprocesos se emplean para la transformacin de materia orgnica con la ayuda de un biocatalizador, en sntesis qumica y en la conversin de material de desecho a productos tiles (reciclaje) o a efluentes que no son peligrosos para el ambiente (tratamiento de desechos). La caracterstica ms importante de los bioprocesos es su elevado potencial sinttico para llevar a cabo complicadas reacciones qumicas en un solo paso.

Funcin La funcin principal de un biorreactor es la de proveer un medio controlado para alcanzar el crecimiento y la formacin de productos ptimos. El diseo y la operacin del biorreactor son responsables de suministrar, asegurar y mantener el medio ambiente adecuado. Su funcionamiento depende bsicamente de:

La concentracin de biomasa.

Mantenimiento de condiciones estriles.

Agitacin efectiva.

Eliminacin de calor.

Creacin de las condiciones correctas de corte.

Componentes bsicos de un fermentador El recipiente debe ser esterilizable

resistente a la corrosin

construido con materiales que no sean txicos

vidrio de espesor apropiado

acero inoxidable

Entrada/salida de aire o gases Entrada del medio de cultivo y salida del producto obtenido Alimentacin del inculo Lneas de muestreo Sistemas de agitacin mecnica

Principales modelos de fermentador

2.1. Fermentadores para cultivos lquidos

2.1.1. Depsitos con agitacin

2.1.2. Torres de fermentacin en cultivo continuo

2.1.3. Fermentadores mezclados mediante burbujeo

2.1.4. Depsitos estticos con o sin control de T

2.2. Fermentadores para procesos en fase slida

2.3. Sistemas de clulas inmovilizadas

2.3.1. Lecho esttico

2.3.2. Lecho fluido

2.3.3. Discos rotativos

La siguiente figura muestra distintas clases de biorreactores:

Se utilizan tres grupos de biorreactores en la industria.

No agitados sin aireacin 86%.

No agitados con aireacin 11%.

Agitados con aireacin 13%

Biorreactor de tanque con agitacin mecnica. Es el ms utilizado en la industria por tener bajos costos de operacin.

Son de acero inoxidable >20 l.

Poseen rodetes (agitadores).

Se utilizan solo al 70-80% de su capacidad para dar espacio a espuma.

La relacin altura y dimetro es variable aunque la ms barata es de 1.

El enfriamiento se da por medio de serpentines internos.

Se utilizan en reacciones con enzimas libres e inmovilizadas as como para cultivo de clulas en suspensin e inmovilizadas. Imagen

Biorreactor de columna de burbujas. La agitacin, aireacin y mezcla se logran por medio de inyeccin de gas con un difusor.

Son cilndricos con alturas dobles al dimetro.

No presentan estructuras internas.

Son baratos, no tienen partes mviles y tiene un adecuado rendimiento en la transferencia de materia y transmisin de calor.

Se utilizan para la produccin de levadura, cerveza, vinagre y tratamiento de aguas residuales. Imagen

Biorreactor de elevacin con aire. Su rasgo caracterstico es que las corrientes de flujo (ascendente y descendente) lquido estn separadas.

El gas se inyecta por el riser y baja a travs del down comer por diferencia de densidad.

Hay reactores de bucle interno y bucle externo (es el ms efectivo).

Se utilizan en produccin de protena unicelular a partir de metanol y gasoil, cultivo de clulas, tratamiento de aguas.

Relacin altura-dimetro 10:1 Imagen

Biorreactor de lecho empaquetado.

Se utilizan con biocatalizadores inmovilizados o en forma de partculas.

Son tubos verticales rellenos empaquetados con partculas de catalizador.

El medio se alimenta por la parte superior o inferior y se recircula.

Tienen pantallas a la salida para evitar la salida de partculas.

La agitacin y aereamiento se hace en un recipiente separado.

Se utilizan con clulas y enzimas inmovilizadas para producir el espartato y fumarato. Imagen

Biorreactores de lechos fluidizados. Los catalizadores empaquetados se mantienen en suspensin por el movimiento ascendente del lquido impulsado por gas.

El medio es recirculado.

Se utiliza en el tratamiento de residuos con arena o material similar que soporta las mezclas de poblaciones microbianas. Tambin pueden utilizarse con organismos floculantes en la fabricacin de cerveza y vinagre.

Es una modificacin del biorreactor del lecho empaquetado. Imagen

Biorreactores con lecho de goteo. El lquido se roca como spray sobre la parte superior del empaquetamiento y las gotas descienden a travs del lecho en forma de pequeas corrientes.

El aire o gas se introduce por la base y sube con facilidad ya que la fase lquida no es contina a travs de la columna.

Se utilizan para tratamiento aerobio de aguas residuales.

Es una modificacin del biorreactor de lecho empaquetado. Imagen

Bibliografa

Doran, P. (1998) Bioprocess Engineering Principles. Academic Press Limited. London.

Scragg, A. (ed). (1996). Biotecnologa para ingenieros. Sistemas biolgicos en procesos tecnolgicos. Editorial Limusa S.A. De C.V. Mxico.Agitacin y aireacin

Aireacin: el principal propsito es proveer oxgeno suficiente a los microorganismos, sumergidos en el medio de cultivo, para sus requerimientos metablicos.

Agitacin: el principal propsito es asegurar la suspensin homognea de los microorganismos en el medio que contiene los nutrientes.

Opciones de acoplamiento entre el eje del agitador y el motor

Geometra de los agitadores

Posicin de los agitadores en el recipiente

Presencia y posicin de los deflectores

Geometra del difusor de aire u oxgeno

Control de temperatura

El control de la temperatura durante la fermentacin se produce por:

Camisas de lquido refrigerante (o calefactor) Intercambiadores de placas Esterilizacin

5.1. Esterilizacin del fermentador

5.2. Esterilizacin del aire

5.3. Adicin del inculo en condiciones estriles

5.4. Muestreo estril

Requerimientos de los biorreactores No existe un biorreactor universal. Las necesidades generales ms sentidas para un biorreactor son las siguientes: Condiciones monospticas (presencia exclusiva del microorganismo de inters) Volumen apropiado de reaccin Mezcla ptima, con un esfuerzo cortante bajo y uniforme Adecuado transporte de masa (de oxgeno) Condiciones de flujo claramente definidas Alimentacin del sustrato evitando el defecto o el exceso de nutrimentos Transferencia de calor moderada Conveniente suspensin de slidos Satisfaccin de las exigencias de diseo:Susceptible de ser esterilizado Construccin simple Tcnicas adecuadas de medicin, control y regulacin Cambio de escala Versatilidad de usoOperacin de estado estacionario estable segn la necesidadCompatibilidad con las caractersticas de las corrientes de entrada y de salidaMecanismos antiespumantesEleccin del reactorLa eleccin preliminar de un reactor depende de varios factores, entre los cuales, se destacan: Tipo de microorganismos Estado metablico de esos microorganismos Medio de cultivo Modo de operacin Sustratos empleados Esterilidad y hermeticidad Valor de los productos deseadosTipo y propiedades del biocatalizador

Las clulas empleadas en biorreactores pueden ser bacterias, levaduras, hongos, y clulas vegetales o animales.

Cada una de ellas difiere en las demandas que hacen al ambiente, sus necesidades nutricionales y los productos que forman.

Estado metablicoEn procesos aerobios, se debe proporcionar al medio un adecuado y efectivo suministro de oxgeno por dispersin y subsecuente mezcla, en todas las zonas del reactor. Los requerimientos tpicos de oxgeno para algunos procesos aerobios se muestran en la siguiente tabla :ParmetroTratamiento aerbico de aguas de desechoFermentacin aerbicaCultivo de clulas de mamferos

Concentracin del sustrato, g/l0,05 0,520 1501 10

Concentracin del biocatalizador, g/l2 55 10010-5 1

Velocidad especfica de consumo de oxgeno, mmol/(g h)0,52 80,001 0,1

Potencia para aireacin y mezcla, kW/m30,02 0,20,5 2,5 (Escala industrial)0,5 - 15 (En plantas piloto)< 0,01

En los procesos anaerobios no se requiere dispersin gaseosa puesto que estos procesos son lentos y el mezclado es menos crtico. Se debe controlar nicamente el pH y la temperatura.Propiedades fisicoqumicas del medio La eleccin, diseo y modo de operacin de los biorreactores estn especialmente influidos por las propiedades fisicoqumicas descritas a continuacin.Estado de agregacin del sustratoLos sustratos gaseosos deben dispersarse en el medio lo ms homogneamente posible para garantizar una adecuada velocidad de transferencia y absorcin Los sustratos slidos deben suspenderse adecuadamenteComplejidad de los sustratosLa esterilizacin por temperatura de medios de cultivo complejos (jarabe de maz, extracto de levadura, melazas, harina de man o hidrolizado de almidn), es posible nicamente hasta un cierto grado de esterilidad.

El medio puede verse afectado severamente por las condiciones de temperatura y tiempo.

Reologa del medioLa viscosidad del medio determina: la velocidad de transferencia de oxgeno, el tiempo de mezclado,

la energa de entrada, los patrones de flujo, la formacin de burbujas, el volumen de las burbujas y la coalescencia de las mismas. Los medios altamente viscosos estn asociados con elevadas concentraciones de sustrato, suspensiones, productos de alto peso molecular disueltos en el medio (goma xantana, celulosa, almidones), presencia de micelio (Penicillium chrysogenum) y con medios heterogneos que contienen componentes conformadores de estructuras (coloides)Formacin de espumaLa formacin de espuma puede influir decisivamente en la eleccin del reactor.

La espuma puede evitarse:

modificando la composicin del medio y controlando la lisis, el envejecimiento y la destruccin de las clulas

con el uso de agentes antiespumantes, disminuyendo el pH, empleando rompedores mecnicos de espuma, inyectando vapor o usando reactores de tipo especial, como por ejemplo: reactores sumergidos de propulsin. La formacin de espuma reduce el volumen efectivo de reaccin y produce sobreflujo dentro de los filtros de gas de desecho; con la consecuente prdida del producto y la destruccin de las clulas dbiles.

Modos de operacinEl biorreactor puede operarse en una de las siguientes formas: Operacin discontinua o por lotes (batch), Operacin continua, o Varios tipos de operaciones semicontinuas.

En la siguiente tabla, se resumen los algunas de las distintas formas de operacin de un reactor biolgico:Modo de operacinComentariosCurva: concentracin-tiempoBalance de masa en un reactor ideal

Por lotes

Inoculacin y carga de todos los nutrimentos y sustratos al mismo tiempo y hasta consumo total

Por lotes con alimentacin intermitente

Varios esquemas volumen tiempo y velocidades de alimentacin

Por lotes extendida

La concentracin del sustrato (cS), permanece constante

Por lotes repetidaDespus que ha ocurrido la reaccin en un lote, una pequea cantidad del fermento se saca del reactor para que sirva como inculo para el siguiente lote del proceso

Cultivo continuo (quimiostato)

Con flujos de entrada y de salida del medio de reaccin. El reactor se denomina quimiostato, en aquellos casos en los cuales la densidad celular y la concentracin permanecen constantesAntes de estado estacionario:

En estado estacionario:

Antes de estado estacionario:

En estado estacionario:

Cascada de reactores continuos de tanque agitadoCon o sin alimentaciones intermedias y recirculacin del medio de cultivo o del biocatalizador

Reactor continuo de tanque agitado con recirculacin de biocatalizador

Combinacin de reactores (Reactor continuo de tanque agitado y reactor de flujo en pistn)

El reactor continuo de tanque agitado sirve como un reactor de inoculacin, ya que la operacin en estado estacionario de un reactor de flujo en pistn no es posible debido al desplazamiento del biocatalizador1) 2)

SustratosLa eleccin del biorreactor se ve influida: por el grado de reduccin de un sustrato, esto es, por el contenido de oxgeno, por las velocidades de consumo de sustrato, especialmente absorcin de oxgeno, por la formacin de producto y el incremento de su concentracin y por la inhibicin o activacin del biocatalizador.Esterilidad y hermeticidadLas siguientes son las principales exigencias para una operacin estril: Forma geomtrica simple Mnimo nmero de bridas y soldaduras Eliminacin de puntos muertos Nmero adecuado y conveniente de entradas, salidas y vlvulas esterilizables Zonas del reactor que puedan ser esterilizadas por separado Elevado coeficiente de seguridad en caso de sobrepresiones Nmero adecuado de boquillas de medicin y muestreo Mnima superficie rugosa Agitador con prensaestopa esterilizableAspectos econmicos y de seguridadSi se producen pequeas cantidades de un producto especial, el uso de un reactor de tanque agitado es ventajoso; para productos especiales de alta calidad, se puede seleccionar un reactor con diseo especial. El escalamiento de un proceso es ms fcil, cuando se utilizan reactores de tanque agitado, columnas de burbujeo o reactores con circulacin inducida.Deben atenderse especialmente las normas de operacin y de seguridad para plantas industriales biotecnolgicas; cada pas o grupo econmico dispone de sus propias normas en lo referente al manejo de microorganismos patgenos, sustancias txicas y carcinognicas, las cuales deben observarse sin reserva.

-----------------------------------------------------------------Fenmenos de transporte en un fermentador

Transferencia de masa del oxgeno (1) La transferencia de oxgeno a la clula durante la aireacin del fermentador implica la transferencia de oxgeno desde las burbujas de aire a la solucin, desde la solucin a la clula y la absorcin del oxgeno por parte de la clula.

La transferencia de oxgeno a partir de las burbujas de aire a la solucin es la etapa limitante del proceso, debido a la baja solubilidad del oxgeno en fase lquida.

La transferencia de masa del oxgeno NA puede ser descrita por la siguiente ecuacin:

NA = dCL/ dt = KL a ( C* - CL )

CL es la concentracin de oxgeno disuelto en el seno del lquido (mmol dm-3). t es el tiempo (h) dCL/ dt es el cambio de concentracin de oxgeno con el tiempo (mmol dm-3 h-1) o la velocidad de transferencia de oxgeno KL es el coeficiente de transferencia de masa (cm h-1) a es la superficie interfacial gas-lquido por volumen de lquido (cm2 cm-3) C* es la concentracin de oxgeno disuelto a saturacin (mmol dm-3). A 1 atmsfera y 30C la solubilidad del O2 en agua es de 1,16 mmol dm-3 KL a , coeficiente de transferencia de masa de oxgeno, es la medida de la capacidad de aireacin del fermentador en las condiciones de la prueba Transferencia de masa del oxgeno (2) Factores que influyen en KL a , coeficiente de transferencia de masa de oxgeno:

Velocidad de flujo de aire

Grado de agitacin

Viscosidad del cultivo

La formacin de espuma y el uso de antiespumantes

Control del proceso de la fermentacin El control de un parmetro en particular se lleva a cabo mediante un sensor que mide una propiedad y un controlador que compara esta medida con un valor fijo predeterminado y que activa el equipo hasta ajustar ambos valores.

Tipos de controladores:

controladores feed-back

tipo on/off tipo pulso-pausa on/off tipo modulado

controladores feed-forward controladores adaptables _1165596799.unknown