KEYS TO BIOREACTOR SELECTIONS

Tradicionalmente, los microbiólogos han jugado elpapel dominante en el desarrollo biorreacción,con la asistencia de las personas en múltiples disci-plinas, incluidos los bioquímicos, genetistasy los ingenieros químicos. Y mientras que la fermentaciónproceso - el precursor de bioreactions modernas - tieneha utilizado desde tiempos prehistóricos, el mayor avanceción de los últimos cincuenta años han tenido mucho que vercon la tecnología como con la biología. Es nuestro objetivoilustrar la relevancia de la química establecida inge-niería prácticas y procesos que se aplican a la actualingeniería biorreacción, como ingenieros químicos hacennuevas incursiones en el campo una vez que cree que el únicodominio de los científicos basados en la biología.Este artículo discutirá las cuestiones clave de ingenieríaen el diseño del biorreactor y funcionamiento, centrándose en lasimilitudes entre reactor químico tradicional inge-niería y la ingeniería biorreacción. Nuestro objetivo esde no trivializar el campo de los procesos biológicos basados;es simplemente para demostrar que existen fuertes paralelismosentre los dos campos. De hecho, también vamos a discutir ladiferencias fundamentales que se deben tener en cuentapara bioreactions exitosas. Al hacer esto, vamos a pro-vide ingenieros químicos con mayor confianza enla aplicación de sus conocimientos y experiencia con quí-

reactores de cal para influir en los problemas y oportunidadesdisponible en la ingeniería biorreactor.El pasado lejano y recienteMucho antes de que nadie entiende el concepto debiorreacción, los seres humanos se aprovechan de su re-resultados. El pan, el queso, el vino y la cerveza estaban hechos pos-sible a través de lo que tradicionalmente se conoce como fermentación-ción - un proceso poco comprendido, más éxitopor casualidad que el diseño. Fue, de hecho, el fracaso y lafrustración de viticultores franceses que descubrieron que eran demasiadoproduciendo a menudo el vinagre no vino, que llevó a la famosaQuímico y microbiólogo francés Louis Pasteur

estudiar el proceso de fermentación que lo soliciten.¿Qué Pasteur descubrió fue que la fermentación OC-INCURRIDOS como resultado de la actividad biológica de un micro-planta escópica llama levadura. Cuando los microbios no deseados en-se filtró y el vino "alimentado" en el alcohol producido por

la levadura, los microbios dejó atrás desagradabley los residuos nocivos, que arruinaron del vinosabor. El trabajo de Pasteur sentó las bases parabiorreactores como los conocemos hoy en día, debido auna vez que se identificó y se entiende el proceso,que pudiera ser controlada. Y es el control deel proceso que se refiere a los ingenieros químicosen primer lugar. El ámbito de aplicación de bioingenieríaha crecido desde la simple botella de vino microbioló-gía a la industrialización, no sólo de la cerveza,vino, queso y la producción de leche, sino también laproducción de nuevos productos de la biotecnología- Antibióticos, enzimas, hormonas esteroides, vi-Tamins, azúcares y ácidos orgánicos.Biorreactores vs reactores químicosPor definición, un biorreactor es un sistema en ella que se efectúa una conversión biológica. Al-aunque esta definición puede aplicarse a cualquier conversiónsión que intervienen enzimas, microorganismos, ycélulas animales o vegetales, para los fines de la presente ar-tículo, limitaremos la definición. Los biorreactores-tores mencionados aquí son sólo mecánicoslos buques en el que (a) los organismos se cultivan ende forma controlada y / o (b) son materialesconvertido o transformado por medio de reacciones específicas.Muy similar a los reactores químicos convencionales,biorreactores difieren en que son específicamente de-firmado para influir en las vías metabólicas. Tradi-modelos de reactores químicos nacionales y los diseños quepuede ser utilizado para biorreacción así incluir:reactores de tanque agitado continuo, continuoflujo de reactores de tanque agitado y de flujo de pistón de reaccióntores, individualmente o en serie; ebullized-cama (es decir, "burbujeante y") reactores de ebullición, y reactores de lecho fluidizado. El término"Biorreactor" se utiliza a menudo como sinónimo de "fermentación";

Sin embargo, en la definición estricta, un fermentador es un sistemaque proporciona un proceso anaeróbico para la producción de alcohola partir de azúcar.Biorreactores difieren de reactores químicos convencionalesya que apoyan y controlan entidades biológicas. Como tal,sistemas de biorreactores deben ser diseñados para proporcionar una mayor de-grado de control sobre las alteraciones del proceso y contaminaciones,ya que los organismos son más sensibles y menos estables que losproductos químicos. Los organismos biológicos, por su naturaleza, se mu-Tate, que puede alterar la bioquímica de la biorreacción olas propiedades físicas del organismo. Análogo a het-catálisis heterogéneo, la desactivación o la mortalidad se producen ypromotores o coenzimas influyen en la cinética de la biorreactoracción. Aunque la mayoría de biorreactor fundamental en-cuestiones ingeniería y el diseño son similares, el mantenimiento de la de-deseada actividad biológica y la eliminación o minimización de las Naciones Unidas-actividades deseadas a menudo presenta un reto mayor que el tra-reactores químicos tradicionales requieren normalmente.Organismos, influidos por su morfología y la medio biorreacción, son sensibles al cizallamiento en diversos grados.

Un número de bacterias, levaduras y hongos culturas que pueden serrelativamente tolerante con ambientes de alto cizallamiento presentan una ro-tez en recipientes de mezcla de alta energía. Animales, peces, insectosy células vegetales son delicados y requieren generalmente bajo cizallamientoentornos de viabilidad. Las viscosidades de biorreacciónmasas pueden cambiar durante el crecimiento y las fases de producción,y, a menudo, el medio se convierte en no-newtoniano como un cicloprogresado. Mezcla en el biorreactor es parte integral de la efi-ciente calor y transferencia de masa durante las fases de producción,que pone restricciones adicionales en la agitación adecuadamecanismo y la reología del medio de biorreacción.Otras diferencias entre los reactores químicos ybiorreactores son la selectividad y velocidad. En biorreactores, mayorselectividad - es decir, la medida de la capacidad del sistemapara producir el producto preferido (más de otros resultados)- Es de importancia primordial. De hecho, la selectividad es especial-LY importante en la producción de relativamente complejomoléculas tales como antibióticos, esteroides, vitaminas, proteínasy ciertos azúcares y ácidos orgánicos. Con frecuencia, la activi-

Ty y selectividad deseada se producen en una sustancialmente menorgama de condiciones que están presentes en convencional Chemi-reactores de cal. Además, la desactivación de la biomasa a menudoplantea consecuencias más graves que un trastorno químico.El precio es de importancia secundaria. Para muchos sistemas biológicos-tems, se necesita un período de incubación de preparar un cultivo utilizadopara inocular el biorreactor con los microbios que producen osus precursores. Aunque biorreacción puede ser breve, en el sistema deTEMS los que es necesaria organismo o crecimiento de la biomasa, losbiorreacción puede tardar 10-20 d para completar el lote. Fur-Ther, el biorreactor no debe considerarse como una unidad aislada,sino como parte de una operación de unidad integrada con tanto aguas arriba(Preparación) y las operaciones de downstream (recuperación).Artículos de bioreactionsProductos de biorreacción están formados por tres procesos básicos:1. Procesos en los que el producto se produce por lacélulas es ya sea extracelulares, por ejemplo, alcoholes o ácidos crítico, ointracelular, por ejemplo, una producción de metabolito o enzima. deproductos celulares se dividen en dos tipos, en función de cuándoque se producen dentro de un ciclo biológico. Primariometabolitos se producen durante el crecimiento y son esencialespara continuar con el crecimiento. Se producen metabolitos secundariosdespués de que haya finalizado el crecimiento. Metabolitos primarios incluyen aminoácidos, nucleótidos, ácidos nucleicos, proteínas, lípidos y carbo-hidratos. Ejemplos de productos primarios para uso industrialincluyen etanol, ácido cítrico, acetona, butanol, lisina,polisacáridos y vitaminas.Productos celulares secundarios se forman a partir de la inter-media y productos de metabolismo primario, y tienden aser específicas para una especie o grupo de organismos. No todos los mi-microorganismos producen metabolitos secundarios, pero songeneralizada entre los hongos filamentosos y las plantas. Muchosproductos secundarios tienen propiedades tóxicas o antibiótico yson, como tal, la base de gran parte de la industria de los antibióticos.La producción de enzimas a través bioreactions ha desplazado ine-técnicas de extracción cientes con mutación genética y ma-nipulación. Enzimas industriales encuentran su hogar en la cocción,elaboración de la cerveza, de procesamiento de grano, la fabricación de productos lácteos, y en el pro-la producción de detergentes, jugos, vinos y otros productos.

2. Los procesos que producen una masa de células. Bakers'yeast, utilizanen la industria de la panificación, es un ejemplo de una célula producidamasa. Otros incluyen proteínas unicelulares de las fuentes de alimentos.3. Los procesos que modifican un compuesto que se añade ael proceso de fermentación se denominan biotransforma-ciones. Biotransformaciones se producen utilizando la enzi-inherentematic capacidad de la mayoría de las células. Las células de todos los tipos pueden ser em-pleados para biocatalyze una transformación de cierta com-libras a través de la deshidratación, oxidación, hidroxilación, amina-ción o isomerización. Conversiones enzimáticas frecuenciaexhibir energías de activación más bajos y una mayor selectividad desus equivalentes químicos. Los esteroides, antibióticos yprostaglandinas todas se pueden producir mediante biotransformacion

Cuestiones clave en el diseño de bioreactor y operaciónEl objetivo de un biorreactor es eficaz para controlar, contenere influir positivamente en la reacción biológica. Para lo-grar esto, el ingeniero químico debe tomar en consideraciónción dos áreas. Uno de ellos es los parámetros del reactor adecuados parala deseada biológicos, químicos y físicos (macrokinet-ic) del sistema. El sistema incluye macrokinetic microbianael crecimiento y la producción de metabolitos. Los microbios pueden incluirbacterias, levaduras, hongos y animales, plantas, peces e insectoscélulas, así como otros materiales biológicos.La otra área de gran importancia en el diseño del biorreactorimplica los parámetros de biorreacción, incluyendo:• Temperatura controlada• pH óptimo• sustrato suficiente (por lo general una fuente de carbono), tales comoazúcares, proteínas y grasas• Disponibilidad de agua• Sales de nutrición• Vitaminas• oxígeno (para procesos aeróbicos)• La evolución de gas y• producto y la eliminación subproducto.Además de controlar estos, el biorreactor debe serdiseñado tanto para promover la formación de la morfología óptima-gía del organismo y de eliminar o reducir la contaminación-ción por organismos no deseados o mutación del organismo.

Este artículo proporcionará una descripción y resumen de unvariedad de sistemas de biorreacción, incluyendo ambos biorreactoresque son la producción orientada y los que se utilizan para la am-el control mental. Vamos a discutir las ventajas y desventajas-tajas de los diferentes sistemas, con una breve mención de laaplicaciones típicas para cada uno. También vale la pena señalar aquíque existe una amplia variedad de sistemas de biorreacción, y cualquiertratar de clasificarlos por sus diversos atributos senaturalmente a cierta superposición de las características del sistema.No vamos a incluir a todos los diferentes sub-temas que pueden serrelevante, ya que el estudio de bioreactions es tan expansivo quesería imposible incluir subtemas aquí en cualquier de-cola. Los sub-temas no cubiertos incluyen: microbiología,esterilización, reología, mezcla, diseño de agitador, fluidización,transferencia de calor, transferencia de masa, los fenómenos de superficie y trans-mejoras portuarias, la cinética, la hidrodinámica, scaleup, mod-Control eling, instrumentación y proceso. Para la mayorparte, existe una gran cantidad de literatura sobre estos convencionalprocesos químicos, y el tratamiento es con frecuencia directamenteaplicable a biorreactores con sólo ligeras modificaciones aadaptarse a los organismos vivos que participan en el pro-proceso. Para una lectura más a fondo sobre estos temas, consulte la sec-ción sobre lecturas adicionales al final de este artículo.Tecnologías biorreacción / fermentaciónAhora vamos a discutir los aspectos de ingeniería y aplicaciónciones para una variedad de tecnologías de biorreacción / fermentación,incluyendo los desafíos de cada uno y las ventajas y desventajasventajas de las respectivas tecnologías. Los diversos tiposde los sistemas de biorreacción cubiertos aquí son lotes, conti-ous, semi-continuo, superficie / bandeja, sumergido, circuito de aire-lifty configuraciones de lecho percolador. Como se dijo antes, no se superponencaracterísticas en varias de las tecnologías discutidas.Bioreactions lotesLa mayoría de los bioreactions son lotes. La primerafase de biorreacción lote es comúnmente la esterilización, después deque se inocula el medio de cultivo estéril con microorganismos-nismos que se han cultivado para lograr un resultado específico.Durante este periodo de reacción dinámica, las células, los sustratos (incluyendoción las sales nutrientes y vitaminas) y las concentraciones de laproductos varían con el tiempo. Mezcla adecuada mantiene las diferenciasen la composición y temperatura a niveles aceptables.

Para promover el cultivo aeróbico, el medio se airea aproporcionar un flujo continuo de oxígeno. Subproductos gaseososformado, como el CO2, Se retiran, y la aireación y gas-re-procesos de remoción tienen lugar semicontinua.A continuación, se añade un ácido o álcali, si el pH debe sercontrolado. Para evitar la formación de espuma a niveles aceptables, an-agentes tifoaming se pueden añadir cuando se indica por una espumadel sensor. Una gran fermentador lote de acero inoxidable para la produc-ING cerveza se muestra en la Figura 1. (Un fermentador por lotes es simi-lar al biorreactor mostrado en la Figura 3, pero sin la re-bucle ciclo.) Uno de los primeros tipos de sistemas de lotes es lafermentador bandeja (Figura 2), que se utiliza en los primeros días de la com-bioreactions aeróbicos comerciales para productos como cítricosácido y la penicilina. En este sistema, se cargan las bandejascon el medio de cultivo y los organismos, y el aire-flujo produce la biorreacción, durante el cual los gases de escape esdescargada. Cuando la biorreacción es completa del producto, finalse retira de las bandejas. Debido a que este método es inefi-ciente para producir grandes cantidades comerciales, cayórápidamente a la vera del camino con la aparición del sumergidasistemas de tanques, que están diseñados para manejar significativamentemayores volúmenes.En general, los sistemas de biorreacción por lotes proporcionan un número deventajas, entre ellas:• Reducción del riesgo de contaminación o mutación de las células, debido a laun tiempo relativamente breve período de crecimiento.• Menor inversión de capital en comparación con conti-procesos sas para el mismo volumen del biorreactor.• Mayor flexibilidad con diferentes sistemas de productos / biológico.• Los niveles de conversión de materias primas superior, como resultado deun período de crecimiento controlado.Las desventajas incluyen:• Los niveles de productividad más bajos por falta de tiempo para el llenado, el calor-ING, esterilización, enfriamiento, vaciar y limpiar el reactor.• Mayor enfoque en la instrumentación debido a los frecuentesesterilización.• Mayor gasto incurrido en la preparación de varias subculturas-ras para la inoculación.

• Mayores costos de mano de obra y / o control de procesos para esteproceso no estacionario.• Los riesgos de higiene industrial más grande debido al posible contactocon microorganismos patógenos o toxinas.Las aplicaciones más comunes para biorreactores lotes incluyen:• Los productos que deben ser producidos con un riesgo mínimo decontaminación o mutación organismo.• Operaciones en las que sólo una pequeña cantidad de productose producen.• Los procedimientos que utilizan un reactor para hacer varios productos.• Procesos en los que por lotes o semicontinuo productoseparación es adecuada.Bioreactions continuasLa característica definitoria de biorreacción continua esun proceso de alimentación perpetua. Un medio de cultivo que puede ser estéril o compuesto de microorganismos es continuamente introduce en el biorreactor para mantener el estado estacionario. De Por supuesto, el producto también se extrae continuamente de la re-

actor. Las variables de reacción y parámetros de control siguen siendocoherente, estableciendo un estado constante de tiempo dentro de la re-actor. El resultado es la productividad y la producción continua.Estos sistemas proporcionan una serie de ventajas, incluyendo:• Mayor potencial para la automatización del proceso.• Reducción del costo de trabajo, debido a la automatización.• Menos tiempo improductivo gasta en vaciar, llenar-ING y esterilizar el reactor.• Calidad constante del producto debido a la invariable servi-parámetros ing.• Disminución de los riesgos de toxicidad para el personal, debido a la automatización.• Reducción del estrés en los instrumentos debido a la esterilización.Las desventajas de biorreactores continuos incluyen:• flexibilidad mínima, ya que sólo ligeras variaciones en laproceso son posibles (rendimiento, composición del medio,concentración de oxígeno y temperatura).• Uniformidad obligatoria de calidad de la materia prima es nece-sario para asegurar que el proceso sea continuo.• Mayores costos de inversión en control y automatizaciónequipos, y el aumento de los gastos de continua steril-zación del medio.

• Mayores costos de procesamiento con continua reposición deción de sustratos insolubles y sólidos, como la paja.• Mayor riesgo de contaminación y la mutación de las células, debido a lael relativamente breve período de cultivo.Biorreacción continua se utiliza con frecuencia para procesoscon la producción de alto volumen, para los procesos que utilizan gas, líquidoo sustratos sólidos solubles, y para procesos que implican millas-microorganismos con alta estabilidad de la mutación. Finales típicos prod-ductos como el vinagre, levadura de panadero y aguas residuales tratadas.Continuo vs lotesHay varias ventajas principales de utilizar continuobioreactions en oposición a la modalidad por lotes. En primer lugar, conti-reacciones sas ofrecen mayores oportunidades para el sistema en-vestigación y análisis. Dado que las variables siguen sincambió, un punto de referencia puede ser determinado para el procesoresultados, y luego los efectos de incluso pequeños cambios en phys-cos o químicos variables pueden ser evaluados. También, porcambiando el crecimiento limitantes de nutrientes, cambios en la celdacomposición y actividad metabólica pueden ser rastreados. Laconstancia de biorreacción continua también proporciona un másimagen precisa de constantes cinéticas, la energía de mantenimientoy los verdaderos rendimientos de crecimiento.En segundo lugar, biorreacción continuo proporciona un mayor de-grado de control que hace por lotes. Las tasas de crecimiento pueden ser regu-Lated y se mantiene durante largos períodos de tiempo. Mediante la variación de latasa de dilución, la concentración de biomasa se puede controlar. Sec-producción de metabolito secundario se puede sostener simultáneamente-viamente junto con el crecimiento. En continua en estado estacionario biorreactoracción, cultivos mixtos se puede mantener mediante chemostatculturas - a diferencia de biorreacción lotes, en los que un organismogeneralmente crece más otra. Quimiostatos son continua-

flujo de biorreactores de tanque agitado (CFSTRs) en una idealizadaen estado estacionario, es decir, las composiciones de alimentación y de salida de la corrientey los flujos son constantes, y perfecta mezcla se produce dentro deel recipiente de RFCTA. En quimiostatos, la corriente de salida compo-sición se considera que es el mismo que dentro del biorreactor.Biorreactores operados como quimiostatos se pueden utilizar para mejorarla selectividad para termófilos, cepas osmotolerantes, o

organismos mutantes con altas tasas de crecimiento. Asimismo, la medi-um composición puede ser optimizado para la biomasa y productoformación, utilizando un método de pulso-y-cambio que inyecta nu-trientes directamente en el chemostat. Como los cambios son ob-servido, se añade el nutriente para el suministro del medio de reser-Se establece voir y un nuevo estado de equilibrio.Una tercera ventaja es la calidad del producto. Debido ael estado estacionario de biorreacción continua, los resultados no sonsólo es más fiable, pero también más fácilmente reproducible. Esteproceso también se traduce en una mayor productividad por unidad de volumen,porque el tiempo de las tareas que consumen, como la limpieza y la esterilizaciónción, son innecesarios. La capacidad de automatizar el proceso tambiénla hace menos mano de obra, y, por lo tanto, más costo-eficien-eficiente y menos sensible a los efectos del error humano.Además de los puntos fuertes de biorreacción continua,hay desventajas inherentes que pueden hacer que este pro-acceso inadecuado para algunos tipos de biorreacción. Por ejem-plo, un desafío consiste en el control de la producción dealgunos productos no relacionados con el crecimiento. Por esta razón, laproceso continuo a menudo requiere el cultivo de alimentación por lotes,y un suministro continuo de nutrientes. El crecimiento de la pared celular y ag-congregación también puede causar wash-out o prevenir óptimacrecimiento de estado estacionario.Otro problema es que la cepa original del producto puedese pierde con el tiempo, si es superado por un crecimiento más rápido uno.La naturaleza heterogénea de la viscosidad y la mezcla puedetambién hacen que sea difícil mantener organismos filamentosos.Largos períodos de crecimiento no sólo aumentan el riesgo de contaminaciónnación, sino que también dictan que el biorreactor debe ser extrema-mente fiable y consistente, incurriendo en una potencialmente mayor ini-gastos cial en equipos de mayor calidad.Bioreactions semicontinuosEste híbrido de operaciones por lotes y continua se encuentraen muchos tipos de procesos. Uno de los más frecuentementeused está iniciando la biorreacción en el modo por lotes, hastael sustrato de crecimiento de limitación de que se ha consumido. Entonces,el sustrato se alimenta al reactor como se especifica (por lotes) o esmantenida por un período de cultivo prolongado (continua). Paraproducción de metabolitos secundarios, en el que el crecimiento celular yformación de producto a menudo se producen en fases separadas, el sustrato se añade típicamente a una velocidad especificada. Como reacción por lotes

tores, los reactores semicontinuos son no estacionarias. Estossistemas proporcionan una serie de ventajas, incluyendo:• Mayor rendimiento, como resultado de un cultivo bien definidoperíodo durante el cual las células no se añaden o eliminan.• Aumento de la oportunidad para la optimización del medio ambiente condiciones de los microorganismos en lo que se refiere a la fase de

crecimiento o la producción y la edad del cultivo.• Operación casi estacionaria, importante, con algo mu-Tating microorganismos y aquellos en riesgo de contaminación.Las desventajas incluyen:• Los niveles de productividad más bajos debido al tiempo pro-procedimientos de llenado, calentamiento, esterilización, enfriamiento, vaciary la limpieza del reactor.• Mayores gastos en mano de obra y / o proceso dinámico con-control para el proceso.Bioreactores semicontinuos se utilizan típicamente cuandométodos continuos no son factibles, por ejemplo, aquellos en losque ligera mutación o la contaminación de la microorga-ism ocurre. Tales biorreactores también se utilizan cuando lotemétodos no ofrecen los niveles de productividad deseados.Biorreactores de tanque agitado sumergidos -El tipo más común de biorreactor aerobio en usohoy es el reactor de tanque agitado, que puede presentar una específi-configuración interna IC diseñado para proporcionar un cir-específicapatrón de cálculo. Ideal para aplicaciones industriales, esta unidadofrece a los fabricantes tanto de bajo capital y costos de operación.Para los experimentos de laboratorio con volúmenes más pequeños, la mezcla-ING recipiente está hecho típicamente de vidrio. Tanque de acero inoxidableconstrucción es el estándar para aplicaciones industriales en-Rotatorio volúmenes más grandes. La relación altura-diámetro de labuque puede variar, dependiendo de los requisitos de eliminación de calor.Los principios de funcionamiento del biorreactor de tanque agitado sonrelativamente simple. Como se muestra en la Figura 3, el medio estéril yinóculo se introduce en un tanque esterilizado, y el aire sup-capas típicamente entra en la parte inferior. Para el mezclado óptimo, el tanquecaracterísticas no sólo un sistema de agitador, sino también deflectores, que ayudanevitar un efecto de remolino que podría impedir una mezcla adecuada. Enlas primeras etapas del proceso, el agua caliente se podrán distribuira través de los deflectores para calentar el sistema; más adelante, agua fría puede

se distribuirá dentro de ellos para mantener el proceso de sobrecalentamientoing. El número de deflectores varía típicamente de cuatro a ocho.A medida que la biorreacción progresa, las burbujas producidas porel suministro de aire se divide por el agitador mientras viajanhacia arriba. Actualmente se usan muchos tipos de agitadores, conla más común es la turbina de disco de cuatro palas.Los nuevos diseños que ofrecen 12 o 18 hojas, o los cóncavos,También se han mostrado para mejorar la hidrodinámica. Enla parte superior del tanque, el gas de escape se descarga y el prod-UCT fluye de nuevo hacia abajo, donde es drenada desde el tanque.En el reactor de tanque agitado de un flujo continuo, el sustrato esalimentó de forma continua en el sistema y el producto es conti-manualmente sacado y separado, con la producción de órganosismo posterior reciclado en el depósito para su reutilización. Al igual que con convencionalesreactores químicos cionales, biorreactores pueden ser colocados en serieo en paralelo con corrientes de reciclado controlados.Sistemas de reactor puente aéreoTambién conocido como un reactor de torre, un biorreactor de transporte aéreo puedeser descrito como una columna de burbujas que contiene un tubo de aspiración

Existen muchos tipos de biorreactores de transporte aéreo están actualmente en uso en la actualidad.

El aire se alimenta típicamente a través de un anillo rociador en la parte inferiorde un tubo de aspiración central que controla la circulación de airey el medio (Figura 4). El aire fluye por el tubo, formandoburbujas, y el gas de escape desacopla en la parte superior de la col-lumna. El líquido desgasificado a continuación, fluye hacia abajo y elproducto se drena desde el tanque. El tubo puede ser diseñadopara servir como un intercambiador de calor interno, o un intercambiador de calorse puede añadir a un bucle de circulación interna.Sistemas del puente aéreo ofrecen algunas ventajas frente más con-biorreactores convencionales, tales como el fermentador estándar:• Diseño simple, sin partes móviles, o el agitadorsellos del eje, para un menor mantenimiento, menor riesgo de defectos ymás fácil esterilización.• Baja velocidad de corte, de una mayor flexibilidad - el sistemase puede utilizar tanto para el cultivo de células vegetales y animales.

• separación de fase gaseosa eficiente.•, zona de contacto interfacial específica grande con bajaentrada de energía.• Flujo bien controlada y eficiente de mezcla.• bien definido el tiempo de residencia para todas las fases.• Aumento de la transferencia de masa debido al aumento de oxígeno soluciónbilidad logra en tanques grandes con mayores presiones.• Los tanques de gran volumen posible, aumentando la producción.• Mayor del calor-retiro vs tanques agitados convencionales.Las principales desventajas son:• Las inversiones iniciales de capital más altos debido a la granprocesos a escala.

• Mayor caudal de aire y presiones más altas necesarias,en particular para operación a gran escala.• Baja fricción con un diámetro hidráulico óptimo parael tubo ascendente y descendente.• Baja eficiencia de compresión de gas.• intrínsecamente imposible mantener niveles consistentes desustrato, nutrientes y oxígeno con los organismos circu-Lating través del biorreactor y condiciones cambiantes.• separación de gas / líquido ineficiente cuando se produce la formación de espuma.Sin embargo, estas desventajas pueden y deben ser minimizados en el diseño de los sistemas de transporte aéreo. Por ejemplo, si sólo unoubicación sirve como la fuente de alimentación, el organismo haría expe-riencia ciclos continuos de alto crecimiento, seguidos por inaniciónción, lo que resulta en la producción de subproductos indeseables,bajos rendimientos y altas tasas de mortalidad. Un diseño con múltiplespuntos de alimentación elimina este riesgo, especialmente para las de gran escala op-ciones. Los mismos riesgos que son inherentes a un solo punto de entradapara el oxígeno, que deben ser entregados en diferentes lugares dentroel recipiente, con la mayoría del aire que entra en la parte inferiorhacer circular el fluido a través del reactor.Puente aéreo reactores de bucle externoOtro tipo de sistema de transporte aéreo es el puente aéreo externo-loopsistema de reactor (AELR; Figura 5), que se utiliza principalmente para el loteoperación. La figura 5 muestra una vista de corte transversal, es decir, el VES-sel y bajante son en realidad más alto que se muestra para elespecialmente diámetro dibujado. Una variación del sistema de transporte aéreo,

el AELR utiliza la circulación inducida para dirigir el aire y el líquidoa través del recipiente. Este sistema consiste en un tubo ascendente yun tubo vertical de bajada externa, que están conectados en la parte inferiory la parte superior, respectivamente. A medida que el aire inyectado en la parte inferiorde la columna ascendente crea burbujas de gas que comienzan a subir a través deel tanque principal, el gas de escape se desacopla en la parte superior y la re-solución más pesado resultante desciende a través del tubo de descenso.El AELR tiene algunas ventajas sobre transporte aéreo estándar:• A partir de transferencia de calor y el control eficiente de temperatura.• Baja fricción con un diámetro hidráulico óptimo paratanto el tubo ascendente y descendente.• El tiempo de residencia muy bien definido en la sección individualde la AELR.• Aumento de la oportunidad para la medición y control enel tubo ascendente y el tubo de descenso.• Control independiente del gas de entrada a tanto y líquidos ve-locity por un dispositivo de estrangulamiento entre ascendente y descendente.Bioreactions anaeróbicosBioreactions anaeróbicas se utilizan en aplicaciones tales comola producción de etanol, vinificación, elaboración de cerveza ytratamiento de aguas residuales. Las tecnologías están bien establecidos envino, etanol y la producción de cerveza, con mejoras de re-resultante de las mejoras del producto y el coste de fabricaciónreducciones. Biorreactores continuos para cerveza han sidocomercializado, sin embargo, fermentadores de proceso por lotes para volver a continuarceive inversiones de capital. El tratamiento de residuos es un campo en gran medidaconsidera que ha madurado completamente funcional con tecnología  en el lugar, por lo que no toda la atención se ha prestado

para el desarrollo de los procesos de tratamiento de aguas residuales más nuevos.Tecnologías en desarrolloSe están desarrollando una serie de nuevos procesos. Unoimplica el uso de enzimas aisladas en lugar de todolas células para llevar a cabo un cambio químico. La ventaja es queEste proceso no requiere que atienden a los requisitos especiales-ción de las células vivas. Sin embargo, las enzimas también pueden someterse acambios y, por lo tanto, requieren que determinan la óptima con-condiciones para expresar su actividad catalítica. Un problema adicional-

blema es que el uso de enzimas aisladas es con frecuencia un costosola realización de una aplicación de uso.Por consiguiente, largos tiempos de reacción pueden ser necesarios sifactores de costo que requieren enzimas costosas deben ser utilizadossólo en bajas concentraciones. Hay otras desventajassu uso, también, tales como la necesidad de eliminar la enzima a partirel producto una vez que la biorreacción deseada ha tenido lugar.Tecnología de enzima inmovilizada es ahora con éxitoresolver algunas de estas dificultades. Con la enzima im-movilizado en una cama o un tubo, la solución de sustrato paraconversión se hace pasar a continuación a través de la conversión de pro-ducto. El producto se recoge como efluente continuamentedel biorreactor. El diseño y el funcionamiento de un im-sistema movilizado es similar a la de los procesos emplean-ING catálisis heterogénea. Sistemas heterogéneos en-recuperación de productos capaces de reducir los costos de separación que hacersistemas homogéneos correspondientes.Gas líquido-sólido-biorreactores de contacto han sido inves-tigated con un número de sistemas de enzimas inmovilizadas. En-enzima inmovilización puede tomar una variedad de formas diferentesy se ha estudiado en una variedad de soportes. El métodoutilizado en una aplicación particular depende de las carac-tics de la enzima, su sistema, el sustrato y el biorreactores-tor de fluido. Las enzimas pueden ser apoyadas en un tipo de malla oestructura de transferencia de masa convencional, encapsulado en una película,con el apoyo de sistemas de gel de sílice o derivado, en macroporosaLas resinas de intercambio iónico, o en otros soportes poliméricos.Un sistema que emplea actualmente esta tecnología esel biorreactor de lecho de goteo (Figura 6). No a diferencia de ciertostipos de biofiltros utilizados tradicionalmente para el control de emisiones,este sistema cuenta con una pantalla en la que la enzima es ad-Hered e inmovilizado, y a través del cual el sustratosolución se pasa a la conversión.Las membranas y fibras huecas han sido probados para siste-movilizados sistemas biorreacción. Un ejemplo son las fibras huecascon las enzimas incorporadas en sus paredes. La difusión de losel sustrato a través de la pared del tubo permite el contacto con laenzima gelificado y la conversión en producto. Tras dife-fusión del producto proporciona la separación necesaria parasu recuperación. Bajo la influencia de la presión diferenciala través de la pared del tubo, el producto fluye a través de la parte interior

del tubo, con el tiempo van a recopilarse en un encabezado multitubular.La producción de etanol se ha logrado en el laboratorio conenzimas inmovilizadas en de lecho fijo y reactores de membrana.Las enzimas ya se han probado con éxito para el azúcarconversión a etanol.Isomerización de glucosa a fructosa es un bien estable-proceso establecido, de alto volumen comercial para la produc-ción de jarabe de maíz de alta fructosa (JMAF). Tecnologíascon glucosa isomerasa inmovilizada en la cama fija ybiorreactor fluidizado se sigue elaborando.ResumenBiorreactores serán parte integral del desarrollo de muchosnuevos productos de alto valor y la sustitución de los actualesprocesos de las materias primas de base química. La adecuada selecciónción y el diseño del biorreactor determinarán la óptimacomercial bioprocesos y la capital correspondiente en-inversión. El biorreactor no debe ser considerada como un iso-unidad lada, sino como parte de una operación de unidad integrada contanto aguas arriba (preparación) y aguas abajo (separaciones)operaciones de la unidad