35643224 Tipos de Biorreactores

1ARQTema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operacin

Tema 5 Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operacin

Clasificacin de los BiorreactoresBiorreactores con biocatalizadores en suspensin: Agitacin Mecnica y Agitacin NeumticaBiorreactores con biocatalizadores inmovilizados: Enzimas y Clulas. Biorreactores especiales

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

ContenidosObjetivos

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

Caractersticas Generales

Condiciones de operacin suaves (Poco aporte energtico) Transformacin isoterma (Resolucin BM y BE no acoplado) Productividad (actividad y estabilidad biocatalizador, rdto producto)

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

que interviene un biocatalizador

2Clasificacin de Biorreactores


Clasificacin

Tipo de operacinFasesForma

Tubos h >>

Tanques h

Otros

Homogneos

Heterogneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo

Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensin: enzimas (homogneos) y clulas (heterogneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y clulas, mtodosBiorreactores especiales: estado slido, fotobiorreactores,

TIPOS de BIORREACTORES

Clasificacin de Biorreactores


Clasificacin


Tubos h >>

Tanques h

Otros

Homogneos

Heterogneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo


Biocatalizadores en suspensin: enzimas (homogneos) y clulas (heterogneos, G-L-S)


3Biorreactores con biocatalizadores en suspensin


Tipo de agitacin

Agitacin mecnica: equipo mecnico

Agitacin neumtica: gas a presin

Distribucin homognea del catalizador: Agitacin

Biorreactores con biocatalizadores en suspensin


Tipo de agitacin







Reactor tipo TANQUE AGITADOAgitacin MecnicaCaractersticas generales

Tipo de Flujo (ideal): Flujo en Mezcla Perfecta Relacin h/: 1 Verstiles: permite cambios, uso multipropsito Los ms empleados Agitados mecnicamente (tipos de agitadores):

consumo relativamente elevado de potencia

Otros elementos: bafles deflectores, rompe-espumas Aireados (clulas aerobias): Distribuidores de aire Transferencia de calor: Serpentines, camisas Tipo de operacin: Discontinua, Semicontinua, Continua



Tipo de agitacin







Reactores tipo COLUMNAAgitacin NeumticaCaractersticas generales

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

Agitados neumticamente (gas a presin)Aireados: Distribuidores de aireTransferencia de calor: Serpentines,

Cambiador externoTipo de operacin: Discontinua, ContinuaAccesorios: recirculacin (AIR-LIFT)Clulas susceptibles dao



Columna de burbujeo Rgimen de Flujo

Flujo HeterogneoFlujo Homogneo



Columna de burbujeo

Caractersticas

Fase slida (microorganismo) disuelta en fase lquidaClulas susceptibles de dao celularMicroorganismos floculantes (Lecho fluidizado trifsico)Procesos: Produccin cerveza, vinagre,

levadura panadera, SCP, aguas residualesCaractersticas de diseo:

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

Control por velocidad de transporte de oxgenoSistemas bifsicos(control pelcula lquida)

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



Caractersticas

Fase slida (microorganismo) disuelta en fase lquida

Clulas susceptibles de dao celular (clulas superiores)Caractersticas de diseo:

- distribuidores o inyectores de gas - Elementos mecnicos internos (externos)Movimiento del lquido

Control por velocidad de transporte de oxgenoSistemas bifsicos(control pelcula lquida)

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

Air-lift



Air-lift Caractersticas

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

Dos ZONAS (ASCENDENTE y DESCENDENTE): Diferente densidad: Separacin gas zona superior.Movimiento lquido ascendente y descendente separados fsicamenteGas se introducido en zona ascendente.

CONFIGURACIONES: Recirculacin internaRecirculacin externa.



Air-lift Configuraciones: Recirculacin interna

Salida gas Salida gas

Tubo o bafle

Descendente

Ascendente

Distribuidos de gas

Entrada gas (aire) Entrada gas (aire)



Air-lift ConfiguracionesRecirculacin externa

Salida gas

Descendente

Ascendente

Distribuidos de gas

Entrada gas (aire)



Caractersticas

Comparacin Agitacin Mecnica y Neumtica

Bajo

Elevado

Daocelular

Generacin baja(todo tipo de

sistemas)ModeradaElevadoBaja Neumtica

Generacin elevada

(sistemas no muy exotrmicos)

ElevadaPequeoBaja y AltaMecnica

Transferenciacalor

PotenciaVolumen reactorViscosidad

9Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados


Clasificacin


Tubos h >>

Tanques h

Otros

Homogneos

Heterogneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo



Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y clulas, mtodos

Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados


Tipo de biocatalizador

Enzimas

Clulas

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Enzimas Reactores Heterogneos

Elevadas producciones, calidad constante Mayor estabilidad E que en suspensin. Inmovilizacin Reutilizacin catalizador (Alto precio)

Tanques agitados Lechos



Tanque agitado (CSTR)

Equipos cilndricos hD Agitacin mecnica Mezcla perfecta (lquidos con baja viscosidad) Homogeneizacin: Elevada N (P/V)posible abrasin Bajos costes produccin Gran automatizacin Equipos verstiles Enzimas inmovilizadas: configuraciones

partculas suspendidas (filtro) Partculas retenidas (agitador, bafles) Circulacin partculas

Enzimas

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Tanque slurry

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



Lecho fijo

Elevadas [E]Alto inmovilizado Bajos costes produccin (automatizacin)Flujo pistn: f(z), no f(r)Enzimas inmovilizadas: configuraciones

lecho fijo lecho de fibra monolito

Lecho fijo

Lecho de fibra

Monolito

Enzimas Reactores tubulares

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Clulas

Tipo de inmovilizacin

Pasiva

Activa



INMOVILIZACIN PASIVA

Crecimiento clulas en superficies materiales rugososOperacin en continuo

- VENTAJAS:- No pre-produccin clulas- Gran capacidad de TM- Partculas reutilizables- Cambio de escala no complicado

- DESVENTAJAS:- No esterilidad: tratamiento residuos

Clulas

Filtro biolgico

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Ejemplos

PenicilinaEspuma de poliuretanoPenicillium chrisogenum

LipasaEspuma de poliuretanoRizopus chimensis

c -linolnicoEspuma de poliuretanoMucor ambiguusCelulasaAceroTrichoderma viride

Acetona, butanol, etanolEsponja naturalClostridium acetobutilicum

EtanolAcero o espuma de poliesterS. cerevisiaeAmilasaEspuma de siliconaE. coli

MetanoEspuma de poliuretanoMicroorganismos metanognicosTratamiento de residuosEspuma de poliuretanoCultivo mixto

ProductoSoporteClulas

INMOVILIZACIN PASIVAClulas



Tanque agitado

- Robustez biocatalizador: diseos agitador- Proceso aerobio: limitaciones

Lecho fijo- VENTAJAS:

- facilidad operacin- velocs reaccin

- DESVENTAJAS:- Taponamiento lecho:

Clulas no viables o resting cells- No gran aporte de O2- Eliminacin CO2

- Tratamiento L-S

Lecho fluidizado

- MO aerobios y anaerobios- MO susceptibles de dao celular- Fcil Control y medida- Introduccin catalizador activo- Veloc. mnima fluidizacin con recirculacin lquido- Pequeas partculas con elevada rea- Mala estabilidad- Complejidad diseo- No esterilidad

INMOVILIZACIN ACTIVA

Clulas

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Anticuerpos monoclonales---Clulas animales

Tanque agitado

Lecho fluidizado

Lecho fijo

Reactor

Tratamiento aguas---Cultivo mixto

cido glutmicoColgenoBrevibacterium flavum

EtanolAlginato clcicoS. cerevisiaefumricoasprticoGel poliacrilamidaE. coli

ProductoInmovilizacinClulas

INMOVILIZACIN ACTIVA

Ejemplos

Clulas



- Membranas preformadas: separacin clulas del medio-Operacin continuaMEMBRANAS:

- ultrafiltracin (polimricas) - cermicas, siliconas- intercambio inico

tamao: 0,1 y 5 m; f(tamao celular)Material: acetato y nitrato celulosa

polipropilenopoliacrilonitrilo, etc

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

Reactores de membrana

Clulas

INMOVILIZACIN ACTIVA (atrapamiento)

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VENTAJAS:- Mtodo inmovilizacin no daa metabolismo: en suspensin- Empleo para clulas viables con o sin crecimiento (resting cells)- No wash-out- Resting cells: combinacin reaccin y regeneracin- Mayor pureza producto: Down-stream- Posibilidad de permeabilidad selectiva:

- No a inhibidores- Componentes de fases L y G por membranas diferentes (no oxigenacin L)- Entada de nutrientes por membranas diversas- Empleo de medios no acuosos sin emulsin (y separacin de fases)

- Proteccin contra stress hidrodinmico

Clulas

INMOVILIZACIN ACTIVA (atrapamiento) Reactores de membrana



DESVENTAJAS:- Transferencia de Materia:

- Distribucin heterognea de clulas, mo mviles- Distribucin heterognea de sustratos: empleo resting cells- Transporte por difusin.

- Compatibilidad clulas con membranas sintticas: metabolismo- Monitorizacin y control

cido lcticoLactobacillus delbrenkri-lactamasaE. coli

ProductoClulas

Clulas

Reactores de membranaINMOVILIZACIN ACTIVA (atrapamiento)

Ejemplos

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Biorreactores especiales


Clasificacin


Tubos h >>

Tanques h

Otros

Homogneos

Heterogneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo

Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensin: enzimas (homogneos) y clulas (heterogneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y clulas, mtodosBiorreactores especiales: estado slido, fotobiorreactores, intensificacin de procesos


Biocatalizadores especiales: estado slido, fotobiorreactores



Tipo de transformacin

Fermentacin en estado slido

Fotobiorreactores

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Agitacin Mecnica: Tanques agitadosFermentadores rotatoriosBiorreactores pulsantes

Operacin continua o discontinua

BIORREACTORES ESPECIALES Estado Slido



- Sustratos slidos- Bajos niveles de humedad (40%,

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BIORREACTORES PULSANTES

- Agitacin pos pulsos: movimiento elementos equipo (platos, mbolo)- Procesos aerobios- Elevada viscosidad- Aplicaciones: Operacin continua

Produccin MetabolitosTratamiento de residuos

Aerobio, anaerobioTratamiento de residuosCultivo mixtoaerobioSCPLevadura

Aerobio, inmovilizacin

----Aerobio, elevada viscosidadAerobio, elevada viscosidad

Caractersticas proceso

cido acticoAcetobacter aceti

EtanolZymomonas mobiliscido ctricoAspergillus nigerAntibiticosCyathus striatus

ProductoClulas

BIORREACTORES ESPECIALES



- CO2Metabolitos (auttrofo)- Energa luminosa (fottrofo)- Compuesto dador de e- (H2O)- Organismos fotosintticos: bacterias fotosintticas, microalgas, cianobacterias,

FOTOBIORREACTORES

Complemento alimentario (biomasa)Espacio: O2 y alimento

Produccin metabolitos de valor aadidoPigmentos, antioxidantes, prods farmacuticos

MedioambienteEliminacin sustancias txicas (metales pesados, fijacin CO2)Inculos suelos contaminadosRegeneracin atmsfera sistemas cerrados

BIORREACTORES ESPECIALES

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ACTIVIDAD BIOSINTTICA:- Eficacia sistema iluminacin:

- Luz natural - Luz artificial

- Veloc. Volumtrica absorcin luz:- Superficie de T.E.- I luz incidente

ContinuosBuen control condicionesCalidad cte productoPermiten esterilizacinElevado gasto energticoDificultad cambio de escala

Poco gasto energticoDifcil controlPurezaFases luz-oscuridadMenor productividad

BIORREACTORES ESPECIALES FOTOBIORREACTORES


Bibliografa recomendada

Asenjo, J.A. y Merchuck, J.C. 1994. Bioreactor System Design. Marcel Dekker. 139-206.Atkinson, B. 1986. Reactores Bioqumicos. Revert. 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. 2

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.Godi, Casasblancas, F. y Lpez Santn, J. (eds.). 1998. Ingeniera Bioqumica.

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

Hall. 245-290

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