BiorreactoresUniversidad Politécnica Metropolitana de

PueblaIngeniería en Biotecnología

Definición

• Definición: un biorreactor es el centro de todo proceso biotecnológico, el cual es un recipiente en el que se lleva a cabo una transformación bioquímica, por medio de enzimas o microorganismos en el cual interviene un biocatalizador.

• La función principal de un biorreactor diseñado adecuadamente es proporcionar un entorno controlado para lograr un crecimiento óptimo y / o la formación de producto en el sistema celular particular empleado

• Para diseñar un biorreactor, algunos objetivos tienen que ser definidos. Las decisiones tomadas en el diseño del biorreactor puede tener un impacto significativo en el rendimiento general del proceso.

El rendimiento de cualquier biorreactor depende de muchas funciones, incluyendo:

• En un biorreactor existen factores que deben ser atendidos de manera estricta para poder obtener el producto deseado, entre ellas:• Temperatura • Agitación • PH• Presión nutrientes• Flujo de aire• Oxígeno disuelto• Redox

El rendimiento de cualquier biorreactor depende de muchas funciones , incluyendo:

• La concentración de biomasa debe permanecer lo suficientemente alto como para mostrar un alto rendimiento.

• Condiciones estériles deben mantenerse para el sistema de cultivo puro.• Se requiere una agitación eficaz para la distribución uniforme del sustrato y los

microbios en el volumen de trabajo del biorreactor .• Se necesita transferencia de calor para operar el biorreactor a temperatura

constante, como la temperatura deseada de crecimiento microbiano óptimo .• Creación de las condiciones de corte correctos. Alta tasa de cizalladura puede ser

perjudicial para el organismo y alterar la pared celular; bajo cizallamiento también puede ser indeseable debido a la floculación no deseado y la agregación de las células, o incluso el crecimiento de bacterias en la pared del reactor y el agitador.

• El control de estos y otros parámetros generalmente se realiza en recipientes de fermentación que son diseñados específicamente para tal fin y con capacidad para distintos volúmenes de trabajo, según los requisitos de rendimiento y producción.

• Para proporcionar el ambiente deseado, las propiedades del sistema deben ser monitoreadas y medidas, para corregir cualquier desviación de los valores deseados.

PARAMETROS CINÉTICOS:

Clasificación operativa

• Al operar un biorreactor en una determinada forma de operación, automáticamente queda definido el modo de cultivo de sistema y se definen los parámetros y las características operativas y de diseño que intervienen en el proceso productivo de sistema.

• A su vez, el metabolismo de los microorganimos define los parámetros y características operativas-biológicas de diseño y de operación del biorreactor.

Clasificación operativa

• Discontinuo (batch): También conocido por lotes, sin alimentación, dentro del biorreactor se coloca la carga total del proceso, cultivo o fermentación y se deja que se lleve a cabo el proceso productivo o la fermentación por el tiempo estimado o necesario el cual se denomina tiempo de retención.

Clasificación operativa

• Semicontinuo (feed batch): También llamado por lotes alimentados, que tiene una alimentación de entrada para que el sistema de cultivo tenga un producto (biomasa) con máximo crecimiento y aumente la productividad

Clasificación operativa

• Continuo: Por quimioestato, es alimentado por una línea de entrada o alimentación y se drena una línea de salida o lavado, de manera que los flujos o caudales de ambas líneas sean iguales y la producción sea continua

Tipos de agitación

Existen distintos tipos de Biorreactores, entre los principales se encuentran:

• Tanque agitado• Columna de burbujeo• De circularión (Air-lift)• Lechos empacados• Lechos fluidizados• Lechos de goteo• Aireados y agitados

Fermentador de tanque agitado• Es el tipo más común de biorreactor utilizado en la industria. Se utilizan

generalmente para cultivos aeróbicos que proporciona un patrón de circulación definida .

• Características:• Versátiles: permiten cambios para uso multipropósito• Agitación mecánica : consumo relativamente alto de potencia• Otros elementos: bafles deflectores, rompe-espumas• Transferencia de calor: Serpentines o camisas• Tipo de operación: discontinua, semicontinua y continua

Columna de burbujeo

• Es el fermentador más sencillo• No cuenta con agitación mecánica• Su hidrodinámica y demás características dependen de las

burbujas formadas en el difusor.• Células susceptibles de daño celular• Características de diseño: Distribución de gas• Control por velocidad de transporte de

Corriente de aire (Air-lift)• La corrientes de flujo del líquido están más definidas debido a la

separación física de las corrientes ascendentes y descendentes.• Utilizado en procesos de: • Cultivo de células superiores• Tejidos u órganos de células vegetales• Tratamiento de aguas• Diferente densidad: Separación de gas en la zona superior• Configuraciones para recirculación interna y externa.

Lechos empacados• Se utilizan en biocatalizadores inmovilizados o en forma de partículas.• Consiste en un tubo vertical, relleno o empacado con partículas de

catalizador.• El medio de cultivo puede alimentarse por la parte superior o inferior de la

columna y formar una fase líquida continua entre las partículas.• El daño debido al desgaste de las partículas es mínimo en comparación con

los reactores agitados.• Se emplea a nivel comercial con células y enzimas inmovilizadas para la

producción de aspartato y fumarato y en la separación de isómeros de aminoácidos.

Lechos fluidizados• El fundamento de operación se basa en el

flujo hacia arriba de un líquido sobre un lecho empacado de partículas de catalizador de tamaño y densidad apropiados, éste se expande debido al movimiento ascendente de las partículas.

• Se utilizan en el tratamiento de residuos con arena o un material similar que soporta la mezcla de poblaciones microbianas.

• Para procesos de elaboración de cerveza o vinagre

Lecho de goteo

• Es una variación del lecho empacado.• El sustrato se hace pasar lentamente por la

matriz empaquetada que contiene al microorganismo ( un proceso semi-continuo y discontinuo), lo que supone considerar el tiempo de residencia.

• Líquido suministrado en forma de spray• Este tipo de biorreactor es ampliamente

utilizado para el tratamiento aeróbico de aguas residuales .

Biorreactores especiales

• BIORREACTORES PULSANTES

• Agitación por pulsos• Procesos aerobios• Para viscosidades elevadas

y de operación continua

• BIORREACTORES ROTATORIOS• Sustratos sólidos• Bajos niveles de humedad • Procesos anaerobios y microarofilos • Ambiente selectivo: Mohos, bacterias, levaduras• Volumen pequeño• Baja posibilidad de contaminación• Separación de producto sencilla (líquido, gas,

sólido

Aplicaciones

Conclusión

Referencias

• DORAN, Paulina (1998), Principios de ingeniería de los bioprocesos, Editorial Acribia, España.

• ATKINSON, B.,(2002) Reactores químicos, Reverté, 2° Edición, España.

• NAJAFPOUR, G., (2006), Biochemical Engineering amd Biotechnology, 1st Edition, Elsevier Science, Oxford.