2. Biorreactores

8/13/2019 2. Biorreactores

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BIOREACTORES

TIPOS Y FUNCIONAMIENTODr, Blgo Carlos E. Villanueva A.


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MicrobiologaIndustrial

Bioqumica

Ingeniera Qumica

Ingeniera Gentica

BIOTECNOLOGIA

REACTORESBIOQUIMICOS


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Biorreacto r

Es el corazn de cualquierproceso de fermentacin o

conversin enzimtica

! EL CEREBRO !

HardwareSoftware
http://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://es.cetotec.com/bilder/DSC_1421.JPG.jpg&imgrefurl=http://es.cetotec.com/2/fermenter.stm&h=451&w=300&sz=140&hl=es&start=7&tbnid=t3D2jvXsAZy0jM:&tbnh=127&tbnw=84&prev=/images%3Fq%3Dfermentador%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://rgcb.res.in/images/index_pic.jpg&imgrefurl=http://portartificios.blogspot.com/2008/02/mas-all-del-silicio.html&h=222&w=230&sz=9&hl=es&start=21&tbnid=ZfXOBUdozCEhuM:&tbnh=104&tbnw=108&prev=/images%3Fq%3Dbiorreactor%26start%3D20%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://rgcb.res.in/images/index_pic.jpg&imgrefurl=http://portartificios.blogspot.com/2008/02/mas-all-del-silicio.html&h=222&w=230&sz=9&hl=es&start=21&tbnid=ZfXOBUdozCEhuM:&tbnh=104&tbnw=108&prev=/images%3Fq%3Dbiorreactor%26start%3D20%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://es.cetotec.com/bilder/DSC_1421.JPG.jpg&imgrefurl=http://es.cetotec.com/2/fermenter.stm&h=451&w=300&sz=140&hl=es&start=7&tbnid=t3D2jvXsAZy0jM:&tbnh=127&tbnw=84&prev=/images%3Fq%3Dfermentador%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://rgcb.res.in/images/index_pic.jpg&imgrefurl=http://portartificios.blogspot.com/2008/02/mas-all-del-silicio.html&h=222&w=230&sz=9&hl=es&start=21&tbnid=ZfXOBUdozCEhuM:&tbnh=104&tbnw=108&prev=/images%3Fq%3Dbiorreactor%26start%3D20%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DN


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Tipos debiorreactores


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SU FUNCION PRINCIPAL

Proveer un medio controlado para alcanzar elcrecimiento y formacin de productos ptimos

Su funcionamiento: depende bsicamente de :

1. B iom asa : concentracin

2. Co ndic io nes estr iles : mantenimiento3. A gitac in : efectiva4. Calo r : eliminacin5. Corte : condiciones correctas


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Se utilizan tres grupos de biorreactores en labioindustria.

1. No agitados sin aireacin 86 %

2. No agitados con aireacin 11 %

3. Agitados con aireacin 13 %


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Ingeniera de Biorreactores

Configuracin Tamao

Condiciones del proceso Modo de operar


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Biorreactores: configuracin Tanque agitado ( agitacin mecnica) Columna de burbujeo Air lift (de elevacin con aire) Lecho empaquetado Lecho fluidizado Lecho de goteo Fibra hueca


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Reactor de TanqueAgitado

Typical stirred-tank fermenter foraerobic culture

S ll d idl d d

BIOREACTOR DE TANQUE


11/47Entrada del agua de Difusor

Entrada deaire

Turbina depalas planas

Deflectores

Serpentn de

refrigeracin

Separador deespuma

Sellado aspticoagitadorSalida de gas

Salida de agua

de refrigeracin

Relacin altura / dimetro: 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 industriapor bajos costos de operacin.Reacciones con enzimas librese inmovilizadas, Cultivo declulas en suspensin einmovilizadas.

BIOREACTOR DE TANQUECON AGITACION

MECANICA


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Mezclado Combinacin de componentes solubles. Dispersin de gases en pequeas burbujas. Mantenimiento en suspensin de partculas slidas (clulas). Dispersin de lquidos inmiscibles para formar emulsin o

suspensin fina. Mejora de la transferencia de calor hacia y desde el lquido.

DifusoresPorosos.De orificiosDe boquilla


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Baffles

Impeller


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Baffle arrangements.

(a) Baffles attached to thewall for low. viscosityliquids.

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

(c) Baffles set away fromthe wall and at an anglefor high-viscosity liquids .


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Radial flow impeller :


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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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Transmisin de Calor

Equipos de Transmisin de Calor

Intercambiadores de tubos concntricos(operacin en contracorriente y cocorriente).

Intercambiadores de carcasa y tubos .

Calentamiento (vapor). Enfriamiento (agua de refrigeracin).

Annulus fluid in


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Double-pipe heat exchanger

Annulus fluid out

Tubefluidin

Tubefluidout


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Coil Interno: Desventajas

Interferencia en el mezclado.

Dificultades en la limpieza.

Posibilidad de crecimiento celularen la superficie.


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Reactor de Columnade BurbujeoBubble Column Bioreactor

BIOREACTOR DE COLUMNA DESalida de gas


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BURBUJASg

Suministro de aire

El flujo depende de: Caudal de aire.

Diseo del difusor.

Dimetro de la columna.

Propiedades del lquido.


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BIORREACTOR DE COLUMNA DE BURBUJAS

Estructura sencilla: cilindros: alturasdobles al dimetro.

Agitacin, aireacin y mezcla; porinyeccin de gas (aire) con difusor.

Estructuras internas No presentan.

Costo: baratos, sin partes mviles.

Rendimiento: adecuado en la transferencia

de materia y transmisin de calor.

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

HETEROGENEOUS FLOW IN

A BUBBLE COLUMN


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Reactor Air LiftBIOREACTOR DE ELEVACION CON AIRE

Gas exhaust Gas exhaust Gas exhaust


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Airlift reactor configurations

Drafttube

Downcomer

Riser

sparger

Riser

AirAir Airsparger

Downcomer


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Estructura sencilla

Agitacin : por inyeccin de aire

Bajo shear

Rasgo caracterstico: separacin fsica de corrientes ( flujo liquido)

ascendente y descendente) El gas se inyecta por el r iser y baja a travs del downcomer por

diferencia de densidad.

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

Relacin altura dimetro: 10.1

Usos: produccin de protena unicelular de metanol y gasoil,cultivo de clulas animales, vegetales, tratamiento de aguas,procesos con catalizadores inmovilizados

A Comparison of Mechanically and


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A Comparison of Mechanically andPneumatically 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 mechanicalcomplexity; greater possibility ofcontamination over extended operation

5)

Turbulence confined to impeller zone enviscous on-Newtonian media. Gas channelsthrougth the impeller zone while the rest ofreactor remains stagnant

6) Operationally flexible (controlled by impellerspeed and by gas flow rate)

Mechanically simple and robust

Gentle, low shear levels (suitable for tissueculture, plant cells, fragile genetically

engineered microorganisms)High gas throughputs possible (particularyin airlift devices)Easy to clean. Extended asceptic operationpossible (useful in continuous operation)

More uniform distribution of turbulence

Limited operational flexibility. Require morecareful design.


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Reactor de LechoEmpaquetado

BIORREACTOR DE LECHO EMPAQUETADO


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Salida de gas

Aire

Recipienteagitado

DifusorAgitador

Bomba

LECHORELLENO

DEPARTICULASDE

CATALIZADOR

Medio recirculado

Packed-bed reactorwith medium recycle.

BIOREACTOR DE LECHO EMPAQUETADO


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BIOREACTOR DE LECHO EMPAQUETADO

Estructura: tubos verticales rellenos empaquetados con conbiocatalizadores inmovilizados o en forma de partculas. Laspartculas deben ser incompresibles.

Medio de recirculacion: debe ser lmpido.Se alimenta por la parte

superior o inferior y se recircula. Pantallas: a la salida para evitar la salida de partculas.

La agitacin y aireacin: en recipientes separados. La aireacinno debe realizarse en el lecho empaquetado (columna).

Uso: No apta para procesos productores de gas. Clulas yenzimas inmovilizadas para producir aspartato y fumarato.Conversin de penicilina a 6 - aminopenicilnico. Resolucin deismeros de aminocidos.


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Reactor de LechoFluidizado

Fluidised-bed reactor

Salida de gas Catalizadores empaquetados


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BIOREACTOR

DELECHOS FLUIDIZADOS

Recircu-lacindeliquido

pump

Catalizadores empaquetadosse mantienen en suspensinpor movimiento ascendentedel liquido impulsado por

gas.

El medio es recirculado

Modificacin del biorreactor

de lecho empaquetado. Uso: tratamiento de residuos

con arena o material similarque soporta mezclas de

poblaciones microbianas.Uso organismos floculantesen la fabricacin de cerveza yvinagre.

Entrada de gas


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Reactor de Lecho deGoteo

Trickle-bed reactor

BIOREACTORCON LECHOSSalida de gas


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CON LECHOSDE GOTEODistribuidor por

nebulizacin o spray

Recircu-lacindeliquido

pumpEntrada de gas

Liquido: se roca (spray) sobrela parte superior delempaquetado y las gotasdescienden a travs del lecho

como pequeas corrientes. Aire o gas: se introduce por labase y sube con facilidad ya quela fase liquida no es continua atravs de la columna.

Modificacin del biorreactor delecho empaquetado.

Uso: tratamiento aerobio deaguas residuales.


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Reactor de FibraHueca

inoculation port water jacket product


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Hollow fiber erfusion bioreactor

nutrients product

nutrients

cells inannularspace

inner membraneouter membranelumen


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Parameters Measured or Controlled


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Parameters Measured or Controlledin Bioreactors

Physical Chemical BiologicalTemperaturePressure

Reactor weightLiquid levelFoam level

Agitator speedPower consumptionGas flow rateMedium flow rateCulture viscosityGas hold - up

PHDissolved O 2Dissolved CO 2Redox potentialExit gas compositionConductivityBroth composition(substrate, product,ion, concentrations,etc.)

Biomass concentrationEnzyme concentration

Biomass composition(such as DNA, RNA,protein, ATP/ADP/AMPNAD/NADH levels)

ViabilityMorphology


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Bibliografa

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

2. Scragg, A. (ed). (1966) Biotecnologa paraingenieros. Sistemas biolgicos en procesos

tecnolgicos. Editorial Limusa S.A. De C.V.Mxico


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Parameters and Other Factors in


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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

Los Dispositivos de medida usados en la Industria


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

Precisin dentro del 1 - 2 % de la escalacompleta.

Operacin fiable durante al menos 80 % deltiempo. Bajo costo de mantenimiento.

Esterilizables por vapor. Sencillez de manejo.


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