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7/21/2019 Modos de Operación Biorreactores
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DEL CENTRO
Ing. en Biotecnología 7mo. cuatrimestre
Ingeniería de Biorreactores
Profesora: I.B.Q. Fanny Guadalupe Jáuregui Gonzáles.
lumno: lan Ga!riel "argas #i$as %atrícula:&&'()(
Periodo *uatrimestral: +eptiem!re , -iciem!re
Investigación.- Modos de
Operación de losBiorreactores.
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"illaermosa/ 0a!asco a '1 de 2ctu!re de 1&'3
El biorreactor es el centro de todo proceso biotecnológico. El diseño y análisis del
comportamiento de un biorreactor dependen del conocimiento de la cinética de lasreacciones biológicas y de los balances de materia y energía. En la práctica, esta
metodología se hace muy compleja debido a la naturaleza de la catálisis biológica
y del caldo de fermentación, los cuales puede tener propiedades que arían con el
tiempo y presentar patrones cinéticos y de flujo muy complejos. !demás, los
procesos de la transferencia de masa y calor añaden complejidad al problema.
En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones
ambientales propicias "p#, temperatura, concentración de o$ígeno, etcétera% al
organismo o sustancia química que se cultia. En función de los flujos de entrada
y salida, la operación de un biorreactor puede ser de tres modos distintos& mododiscontinuo o batch "por lote% , modo semicontinuo o fed 'batch y modo continuo.
Esta es una clasificación operatia y se aplica a cualquier reactor, sea químico o
biológico "biorreactor%. En los reactores biológicos el modo de operación define el
sistema de cultio que es el mismo y delimita la clasificación procesal(productia
del bioproceso "cultio%. !l operar un biorreactor en una determinada categoría
"discontinuo, semicontinuo, continuo%, automáticamente queda determinado el
modo de cultio del sistema y se definen los parámetros y las características
operatias y de diseño que interienen en el proceso productio del sistema.
Modo discontinuo o batch (por lote).
Es el más utilizado por su sencillez. El crecimiento de microorganismos en batch
se refiere a que las células se cultian en un recipiente de concentración inicial, sin
que sea alterada por nutrientes adicionales o el laado, por lo que el olumen
permanece constante y sólo las condiciones ambientales del medio "p#,
temperatura, la elocidad de agitación, etc.% son controladas por el operador. El
proceso finaliza cuando todo el sustrato es consumido por la biomasa. Esta forma
de cultio es simple y se utiliza e$tensamente tanto en el laboratorio como a
escala industrial.
)e trata de sistemas cerrados en los que no se arían e$ternamente las
condiciones iniciales "lo que supone que la composición del medio a ariando
continuamente en el tiempo conforme se desarrolla el cultio%, con la e$cepción
de&
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a% !dición de antiespumantes, debido a que la espuma puede generar
diferencias de temperatura y concentraciones dentro del tanque.b% !dición de o$ígeno.c% !dición de buffers, para eitar las ariaciones de p# originadas por la
actiidad microbiana, que pueden alterar el
desarrollo microbiano y la producción.
Es simplemente un reactor con un agitador
que homogeneiza la mezcla. Es esencialmente un
tanque en el que se ha permitido que ocurra una
reacción.
*as entajas del reactor mienten con su
fle$ibilidad. +n solo recipiente puede realizar una secuencia de diersas
operaciones sin la necesidad de romper la contención. Esto es particularmente til
cuando se procesan tó$icos o componentes altamente potentes.
! pesar de que estos reactores son muy usados en procesos industriales y
aplicaciones de control de contaminación, para el tratamiento de aguas residuales
son poco prácticos pues se necesita tener entrada y salida de agua para que se
puedan tratar olmenes de agua residual considerables.
-ara entender un poco más estos reactores, se plantea la ecuación de balance de
masa de la siguiente manera&
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En un reactor atch no hay flujo de entrada ni de salida, por tanto los / primeros
términos de la ecuación son cero.
Semicontinuo o fed-batch.
En un culto semicontinuo o fed(batch, los
nutrientes son alimentados al biorreactor en forma
continua o semicontinua, mientras que no hay
efluente en el sistema. )egn sea el objetio de laoperación, la adición intermitente del sustrato
mejora la productiidad de la fermentación
manteniendo baja la concentración del sustrato. +n
proceso de este tipo es restringido por la capacidad
olumétrica del reactor.
El sustrato se aporta de forma secuencial "no todo
el sustrato es añadido al principio%. )e debe a que, en ciertos procesos, la
concentración de nutrientes ejerce efectos inhibitorios sobre el proceso o el
crecimiento del microorganismo0 lo que se eita haciendo un aporte secuencial delos nutrientes.
*a ariación de la adición de sustrato puede estar condicionada por una estrategia
que haga aumentar la producción del etanol o tomando como criterio la medida de
diferentes ariables como la concentración de producto, sustrato, el p#, el o$ígeno
disuelto
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El control de la concentración de sustrato, siendo éste limitante, resulta de interés
para los casos en que se quiere controlar el crecimiento celular o para la obtención
de producto dependiente de una determinada concentración de sustrato. )e suele
usar para la producción de leaduras de pan y antibióticos.
El sustrato se a añadiendo a medida que se a consumiendo y se mantiene su
concentración en alores que permitan alcanzar elocidades de reacción
aceptables, buscando un equilibrio entre el aumento de elocidad por incremento
de concentración de nutrientes y disminución causada por la inhibición del etanol.
*a adición del sustrato puede efectuarse en forma cíclica o en continuo.
*a ecuación de balance de masa durante el proceso se plantea de la siguiente
manera, pues no e$isten salidas mientras el reactor está en funcionamiento&
Continuo.
1aracterizada por el hecho que el medio
de cultio se alimenta continua y
homogéneamente al biorreactor y debe ser
constante, si se opera en estado
estacionario0 el medio añadido puede ser
estéril o contener los microorganismos que
se an a utilizar. -ara ello, cuentan con
diersos sistemas que permiten conocer
cuándo se obtiene el niel de producción
adecuado, para poder empezar a retirar
caldo fermentatio e introducir sustratofresco. *as células que quedan actan
como inóculos.
!unque teóricamente es el régimen de trabajo ideal, presentan numerosos
inconenientes técnicos. Estos inconenientes son, entre otros, que sólo podemos
conocer el niel de crecimiento del microorganismo, y ciertos productos sólo se
sintetizan en la fase estacionaria, por lo que no sabemos cuándo se habrá
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alcanzado el niel de producción deseado.
!demás, las condiciones óptimas para el
crecimiento y para la producción serán diferentes,
lo que complica an más el proceso.
*a forma de operar continua indica que e$iste unacorriente de entrada y otra de salida de tal modo
que el olumen de líquido en el interior del reactor
permanece constante. ajo ciertas condiciones el cultio puede alcanzar un
estado estacionario, donde no e$iste ariación con el tiempo del olumen del
biorreactor. 2e esta manera se puede utilizar para producir sustancias biológicas
a condiciones óptimas y para estudios fisiológicos.
*os tipos de biorreactores para cultio continuo son los de 3ipo 3anque
1ompletamente !gitado "1)34% que comprenden al quimiostato y al turbidistato y
el de 3ipo 3ubo con 5lujo 3apón "-54%.
*as entajas de la operación continua son&
• 6randes posibilidades para la mecanización y la automatización
• ajos costos
• 7enor olumen del reactor, ya que no se presentan períodos de tiempo no
productios dedicados a la descarga, carga y esterilización.
• *a calidad del producto es constante puesto que las condiciones de
operación permanecen inariables.
• 7enor posibilidad de e$posiciones peligrosas del personal de sericio a
microorganismos patógenos o materiales tó$icos, debido a la mayor
mecanización del proceso.
• 7enor desgaste y maltrato de los instrumentos en la esterilización.
*as desentajas de la operación continua son&
• poca ersatilidad puesto que sólo es posible efectuar ligeros cambios en las
ariables de proceso "homogeneidad, composición del medio,
concentración de o$ígeno, temperatura%,
• la calidad de las materias primas debe ser uniforme ya que las condiciones
de operación no pueden acondicionarse fácilmente,
• eleados costos de inersión, debidos principalmente a los equipos de
control y automatización y a la esterilización continua del medio,
• alto riesgo de contaminación y de mutación de los microorganismos debido
a los largos períodos de cultio.
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En la siguente tabla, se resumen algunas de las distintas formas de operación deun reactor biológico y considerando su productiidad en relación al tiempo&
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En la siguente tabla, se resumen algunas de las distintas formas de operación deun reactor biológico y considerando su productiidad en relación al tiempo&
Modo deoperación
Comentarios Curva: concentración-tiempo
Balance de masaen un reactor ideal
Por lotes
Inoculación y cara detodos los nutrimentosy sustratos al mismo
tiempo y hastaconsumo total
Por lotes conalimentaciónintermitente
!arios es"uemasvolumen # tiempo y
velocidades dealimentación
Cultivo continuo(quimiostato)
Con flu$os de entrada yde salida del medio dereacción. %l reactor sedenomina quimiostato&en a"uellos casos en
los cuales la densidad
celular y laconcentraciónpermanecenconstantes
'ntes de estadoestacionario: 'ntes de estado
estacionario:
%n estadoestacionario:
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%n estadoestacionario:
Reactor continuo de tanque agitado conrecirculación de biocatalizador
Combinación dereactores(Reactor
continuo detanque agitado y reactor de flujo
en pistón)
%l reactor continuo detan"ue aitado sirvecomo un reactor de
inoculación& ya "ue laoperación en estadoestacionario de unreactor de flu$o en
pistón no es posibledebido al
desplaamiento delbiocataliador
)
*)
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Biblioraf+a:
SC,'& 'lan (**). /BI01%C20304' 5',' I2%2I%,0S:SIS1%M'S BI036IC0S %2 5,0C%S0S 1%C2036IC0S7.%ditorial 3imusa. Me8ico.
!'9;%9& 0,09C0 < 3%0B',=0 (*>). /M'2;'3 =%5,?C1IC'S: 3'B0,'10,I0 =% BI0,,%'C10,%S7. Instituto5olit@cnico 2acional. Colombia.
=iseAo de una planta piloto para la producción de bioetanol:'ne8o > # Biorreactores. ,ecuperado de:http:bibin.us.esproyectosabreproy*Dfichero'ne8oE*F*G'2%H0>.pdf
