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2002-03-04 Ingeniería Bioquímica 1 DISEÑO Y ANÁLISIS DE REACTORES BIOLÓGICOS FERMENTADORES Parte I : Aspectos tecnológicos: clasificación y descripción de fermentadores Dr. Carlos Villanueva Aguilar

1. Diseno y Analisis de Biorreactores ParteI

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DISEÑO Y ANÁLISIS DE REACTORES BIOLÓGICOS

FERMENTADORES

Parte I: Aspectos tecnológicos: clasificación y descripción de fermentadores

Dr. Carlos Villanueva Aguilar

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Temario

1.0 Introducción: definiciones y conceptos básicos2.0 Aspectos tecnológicos: clasificación y descripción de fermentadores

2.1 Cultivo en medio líquido2.2 Cultivo en fase sólida

3.0 Metodología3.1 Criterios para la selección de un fermentador3.2 Variables, parámetros y ecuaciones

4.0 Ecuaciones generales4.1 Ecuaciones de balance de materiales4.2 Ecuaciones cinéticas4.3 Ecuaciones termodinámicas

5.0 Análisis de fermentadores5.1 Fermentador continuo tipo tanque agitado5.2 Fermentador continuo con re-alimentación celular5.3 Fermentador continuo con células inmovilizadas5.4 Fermentador de lotes alimentados (fed-batch)

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El reactor biológico o biorreactor es el dispositivo físico donde se efectúa un proceso biológico bajo condiciones ambientales controladas.

Fermentador: se utilizan células.Reactor enzimática: se utilizan enzimas.

En un proceso biológico se tiene dos sistemas interactuando:

Sistema biológicoMedio ambiente

1.0 Introducción

El diseño y la operación del reactor son responsables de suministrar, asegurar y mantener el medio ambiente adecuado.

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Microbiología Industrial

Bioquímica

Ingeniería Química

Ingeniería Genética

BIOTECNOLOGIA

REACTORES BIOQUIMICOS

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BIOREACTORESTIPOS Y FUNCIONAMIENTO

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Tipos de biorreactores

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PREPARACIÓN DEL INÓCULO

RECUPERACIÓN DE CÉLULAS

RECUPERACIÓN DE PRODUCTO

ESTERILIZACIÓN DE AIRE

CONTROL DEL BIOPROCESO

PREPARACIÓN DEL MEDIO

ESTERILIZACIÓN DEL MEDIO

TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN

FINAL DE RESIDUOS

AIRE

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SU FUNCION PRINCIPAL

• Proveer un medio controlado para alcanzar el crecimiento y formación de productos óptimos

• Su funcionamiento: depende básicamente de :

1. Biomasa: concentración 2. Condiciones estériles: mantenimiento 3. Agitación: efectiva4. Calor: eliminación5. Corte: condiciones correctas

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Modo de operación Continuo

Régimen estacionario o no estacionario Discontinuo (por lotes, tachadas, batch) Lote alimentado (fed-batch, zulauf) Semi-continuo (secuencial, lotes repetidos, cíclicos)

Tipo de medio Líquido Líquido con alto concentración de sólidos (barro, slurry) Substrato sólido (fase sólida)

2.0 Aspectos tecnológicos: clasificación y descripción de fermentadores

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Mezcla completa

Flujo pistón

VerticalAscendenteDescendente

Horizontal

Tipo de flujo

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Movilidad de la biomasa

Células únicas libres en suspensión

Células aglomeradas libres en suspensión

Células inmovilizadas a soportes inertes

Soporte fijo Soporte en movimiento

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Geometría

Tanque(largo/diámetro = 1 a 3)

Columna(largo/diámetro mayor que 6)

Otras: anular, canal, etc.

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Ingeniería de Biorreactores

•Configuración•Tamaño•Condiciones del proceso•Modo de operar

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Biorreactores: configuración

• Tanque agitado (agitación mecánica)

• Columna de burbujeo• Air lift (de elevación con aire)• Lecho empaquetado• Lecho fluidizado• Lecho de goteo• Fibra hueca

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2.1. Cultivo en medio líquidos

DiscontinuoSimpleRepetido (secuencial, cíclico)

Continuo (en estado estacionario: quimiostato)SimpleMultietapaCon recirculación de célulasCon retención (confinación de células)

Lotes alimentados (fed-batch)SimpleRepetido o secuencialAlimentación intermitente o incrementalAlimentación continua

Velocidad constanteVelocidad exponencial

Tanque agitado

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Reactor de Tanque Agitado

Typical stirred-tank fermenter for aerobic culture

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Tanque agitado

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Tanque agitado

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2002-03-04 Ingeniería Bioquímica 22Entrada del agua de

refrigeración

Difusor

Entrada de aire

Turbina de palas planas

Deflectores

Serpentín de refrigera

ción

Separador de espuma

Sellado aséptico

agitador

Salida de gas

Salida de agua de

refrigeración

Relación altura / diámetro: variable, la mas barata es 1

Enfriamiento: serpentines internos.

De acero inoxidable > 20 L.

Poseen rodetes (agitadores)

Capacidad: se utiliza solo al 70-80 % para dar espacio a espuma.

Uso: El mas utilizado en la industria por bajos costos de operación. Reacciones con enzimas libres e inmovilizadas, Cultivo de células en suspensión e inmovilizadas.

BIOREACTOR DE TANQUE CON AGITACION

MECANICA

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Tanque agitado con recirculación de células (reactor de lodos activados con recirculación)

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Mezclado• Combinación de componentes solubles.• Dispersión de gases en pequeñas burbujas.• Mantenimiento en suspensión de partículas sólidas (células).• Dispersión de líquidos inmiscibles para formar emulsión o

suspensión fina.• Mejora de la transferencia de calor hacia y desde el líquido.

DifusoresPorosos.De orificiosDe boquilla

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Baffles

Impeller

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Baffle arrangements.

(a) Baffles attached to the wall for low. viscosity liquids.

(b) Baffles set away from the wall for moderate-viscosity liquids.

(c) Baffles set away from the wall and at an angle for high-viscosity liquids.

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Anchor Propeller

Helical screwGate AnchorPaddle

6-flat-blade dise turbine

Impeller designs.

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Viscosity ranges for different impellers.

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Tipos De Flujo• Axial

• Radial. Depende de:– Diseño de la paleta.– Propiedades el

fluido.– Tamaño y

proporciones del recipiente, bafles y agitador.

Circular flow in an unbaffled stirred tank viewed from above.

Circular flow: formation of

vortex

Circular

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Radial-flow impeller : Flow pattern produced by a in a baffled tank.

(a) side view (b) bottom view.

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Axial-flow impeller:Flow pattern produced by an in a baffled tank

(a) side view (b) bottom view

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Transmisión de Calor

Equipos de Transmisión de Calor

• Intercambiadores de tubos concéntricos (operación en contracorriente y cocorriente).

• Intercambiadores de carcasa y tubos.

• Calentamiento (vapor).• Enfriamiento (agua de refrigeración).

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Jacketed vesel External coil Internal helicoidal coil

Internal baffle-type coil

External heat exchanger

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Reactor de Columna

Column Bioreactor

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Reactor de columna

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Torre

Columna de burbujeo (bubble - column)

Con células inmobilizadas

Con células floculadas o pellets

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BIOREACTOR DE COLUMNA DE BURBUJAS

Salida de gas

Suministro de aire

• El flujo depende de:

– Caudal de aire.

– Diseño del difusor.

– Diámetro de la columna.

– Propiedades del líquido.

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BIORREACTOR DE COLUMNA DE BURBUJAS

• Estructura sencilla: cilindros: alturas dobles al diámetro.

• Agitación, aireación y mezcla; por inyección de gas (aire) con difusor.

• Estructuras internas No presentan.

• Costo: baratos, sin partes móviles.

• Rendimiento: adecuado en la transferencia de materia y transmisión de calor.

• Usos: producción de levaduras, cerveza, vinagre y tratamiento de aguas residuales.

HETEROGENEOUS FLOW IN

A BUBBLE COLUMN

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Biorreactores de células inmovilizadas

n Lecho de células fijo (lecho empacado)

Verticales

Flujo ascendente

Flujo descendente

Horizontales

n Lecho de células fluidizado (expandido)

n Lecho de células de disco rotatorio (biodisco)

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Lecho fijo Lecho fluidizado

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Reactor de Lecho Empaquetado

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BIORREACTOR DE LECHO EMPAQUETADOSalida de gas

Aire

Recipiente agitado

DifusorAgitador

Bomba

LECHO RELLENO

DE PARTICULAS

DE CATALIZADOR

Medio recirculado

Packed-bed reactor with medium recycle.

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BIOREACTOR DE LECHO EMPAQUETADO

• Estructura: tubos verticales rellenos empaquetados con biocatalizadores inmovilizados o en forma de partículas. Las partículas deben ser incompresibles.

• Medio de recirculacion: debe ser límpido.Se alimenta por la parte superior o inferior y se recircula.

• Pantallas: a la salida para evitar la salida de partículas.

• La agitación y aireación: en recipientes separados. La aireación no debe realizarse en el lecho empaquetado (columna).

• Uso: No apta para procesos productores de gas. Células y enzimas inmovilizadas para producir aspartato y fumarato. Conversión de penicilina a 6 - aminopenicilánico. Resolución de isómeros de aminoácidos.

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Reactor de Lecho Fluidizado

Fluidised-bed reactor

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BIOREACTOR DE

LECHOS FLUIDIZADOS

Salida de gas

Recircu-lación deliquido

pump

• Catalizadores empaquetados se mantienen en suspensión por movimiento ascendente del liquido impulsado por gas.

• El medio es recirculado

• Modificación del biorreactor de lecho empaquetado.

• Uso: tratamiento de residuos con arena o material similar que soporta mezclas de poblaciones microbianas. Uso organismos floculantes en la fabricación de cerveza y vinagre.

Entrada de gas

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Biodisco

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Reactor de Lecho de Goteo

Trickle-bed reactor

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BIOREACTOR CON LECHOS

DE GOTEODistribuidor por nebulización o spray

Salida de gas

Recircu-lación deliquido

pumpEntrada de gas

Liquido: se rocía (spray) sobre la parte superior del empaquetado y las gotas descienden a través del lecho como pequeñas corrientes.

• Aire o gas: se introduce por la base y sube con facilidad ya que la fase liquida no es continua a través de la columna.

• Modificación del biorreactor de lecho empaquetado.

• Uso: tratamiento aerobio de aguas residuales.

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Reactor Air Lift

BIOREACTOR DE ELEVACION CON AIRE

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Air-lift (agitación por aire)

Con reciclo externo (loop)

Con reciclo interno

(tubo de tiraje, draugh/draft tube)

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2002-03-04 Ingeniería Bioquímica 51Airlift reactor configurations

Draft tube

Downcomer

Riser

sparger

Riser

Air

Air Air

Gas exhaust Gas exhaust Gas exhaust

sparger

Downcomer

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• Estructura sencilla

• Agitación: por inyección de aire

• Bajo shear

• Rasgo característico: separación física de corrientes (flujo liquido) ascendente y descendente)

• El gas se inyecta por el riser y baja a través del downcomer por diferencia de densidad.

• Tipos: de bucle interno y bucle externo (el mas efectivo).

• Relación altura diámetro: 10.1

• Usos: producción de proteína unicelular de metanol y gasoil, cultivo de células animales, vegetales, tratamiento de aguas, procesos con catalizadores inmovilizados

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A Comparison of Mechanically and Pneumatically Agitated Bioreactors

Pneumatic Agitation (Airlifts, Bubble Columns)

Mechanical agitation (Stirred Tank)

1) Mechanically complex (stirrers, shaft, seals,

bearings) 2) Often high shear 3) Gas throughput limited by impeller flooding 4) Difficult to clean due to mechanical

complexity; greater possibility of contamination over extended operation

5) Turbulence confined to impeller zone en viscous on-Newtonian media. Gas channels througth the impeller zone while the rest of reactor remains stagnant

6) Operationally flexible (controlled by impeller speed and by gas flow rate)

Mechanically simple and robust Gentle, low shear levels (suitable for tissue culture, plant cells, fragile genetically engineered microorganisms) High gas throughputs possible (particulary in airlift devices) Easy to clean. Extended asceptic operation possible (useful in continuous operation) More uniform distribution of turbulence Limited operational flexibility. Require more careful design.

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Reactor de Fibra Hueca

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Hollow fiber perfusion bioreactor

nutrients

product

inoculation port water jacket product

nutrients

cells inannularspace

inner membraneouter membrane

lumen

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Reactores con cultivo en medio líquido con alta concentración de sólidos (fase “barro”, “slurry”)

Tanque agitado

Laguna

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2.2. Cultivo en fase sólida

Biorreactor de bandejas Lecho empacado Tambor rotatorio Tanque agitado

Horizontal

Vertical Lecho fluidizado aire - sólido Biopilas Tratamiento en tierra (land farming)

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Biorreactor de bandejas

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Tratamiento en suelo

Biopilas

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• Se utilizan tres grupos de biorreactores en la bioindustria.

1. No agitados sin aireación 86 %

2. No agitados con aireación 11 %

3. Agitados con aireación 13 %

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Parameters Measured or Controlled in Biorreactors

Physical Chemical Biological Temperature Pressure Reactor weight Liquid level Foam level Agitator speed Power consumption Gas flow rate Medium flow rate Culture viscosity Gas hold - up

PH Dissolved O2

Dissolved CO2

Redox potential Exit gas composition Conductivity Broth composition (substrate, product, ion, concentrations, etc.)

Biomass concentration Enzyme concentration Biomass composition (such as DNA, RNA, protein, ATP/ADP/AMP NAD/NADH levels) Viability Morphology

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Los Dispositivos de medida usados en la Industria tienen que cumplir los siguientes requisitos:

• Precisión dentro del 1 - 2 % de la escala completa.

• Operación fiable durante al menos 80 % del tiempo.

• Bajo costo de mantenimiento.• Esterilizables por vapor.• Sencillez de manejo.

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Bibliografía

1. Doran, P. (1988) Bioprocess Engineering Principles. Academic Press Limited. London

2. Scragg, A. (ed). (1966) Biotecnología para ingenieros. Sistemas biológicos en procesos tecnológicos. Editorial Limusa S.A. De C.V. México

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Gracias

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Parameters and Other Factors in rDNA Fermentation

• Inoculum preparation– Stable maintenance of recombinant cells during inoculum development.

• Media desing– Medium desing for maintenance of recombinant cells

• Oxygen transfer– Increased oxygen demand– Sensitivity to oxygen perturbation.

• Process control and optimization– Fine control of process variables (pH, temperature, DO level, etc.)

• Other – Reduced shear rate when protein is secreted into medium.– Optimization of dilution rate in continuous fermentation– Biosafety guidelines

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