tipos de biorreactores

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

Tema 5 Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación

Clasificación de los BiorreactoresBiorreactores con biocatalizadores en suspensión: Agitación Mecánica y Agitación NeumáticaBiorreactores con biocatalizadores inmovilizados: Enzimas y Células. Biorreactores especiales

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

ContenidosObjetivos


Características Generales

• Condiciones de operación suaves (Poco aporte energético)• Transformación isoterma (Resolución BM y BE no acoplado)• Productividad (actividad y estabilidad biocatalizador, rdto producto)

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

que interviene un biocatalizador

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Clasificación de Biorreactores


Clasificación

Tipo de operaciónFasesForma

Tubos h >> Ø

Tanques h ≅ Ø

Otros

Homogéneos

Heterogéneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo

Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodosBiorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores,

TIPOS de BIORREACTORES

Clasificación de Biorreactores


Clasificación


Tubos h >> Ø

Tanques h ≅ Ø

Otros

Homogéneos

Heterogéneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo


Biocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)


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Biorreactores con biocatalizadores en suspensión


Tipo de agitación

Agitación mecánica: equipo mecánico

Agitación neumática: gas a presión

Distribución homogénea del catalizador: Agitación



Tipo de agitación





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Reactor tipo TANQUE AGITADOAgitación MecánicaCaracterísticas generales

• Tipo de Flujo (ideal): Flujo en Mezcla Perfecta• Relación h/Ø: 1• Versátiles: permite cambios, uso multipropósito• Los más empleados • Agitados mecánicamente (tipos de agitadores):

consumo relativamente elevado de potencia

• Otros elementos: bafles deflectores, rompe-espumas

• Aireados (células aerobias): Distribuidores de aire• Transferencia de calor: Serpentines, camisas

• Tipo de operación: Discontinua, Semicontinua, Continua



Tipo de agitación





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Reactores tipo COLUMNAAgitación NeumáticaCaracterísticas generales

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

Agitados neumáticamente (gas a presión)Aireados: Distribuidores de aireTransferencia de calor: Serpentines,

Cambiador externoTipo de operación: Discontinua, ContinuaAccesorios: recirculación (AIR-LIFT)Células susceptibles daño



Columna de burbujeo Régimen de Flujo

Flujo HeterogéneoFlujo Homogéneo

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Columna de burbujeo

Características

Fase sólida (microorganismo) “disuelta” en fase líquidaCélulas susceptibles de daño celularMicroorganismos floculantes (Lecho fluidizado trifásico)Procesos: Producción cerveza, vinagre,

levadura panadería, SCP, aguas residualesCaracterísticas de diseño:

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

Control por velocidad de transporte de oxígeno→Sistemas bifásicos(control película líquida)

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



Características

Fase sólida (microorganismo) “disuelta” en fase líquida

Células susceptibles de daño celular (células superiores)Características de diseño:

- distribuidores o inyectores de gas - Elementos mecánicos internos (externos)→Movimiento del líquido

Control por velocidad de transporte de oxígeno→Sistemas bifásicos(control película líquida)

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

Air-lift

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Air-lift Características

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

Dos ZONAS (ASCENDENTE y DESCENDENTE): Diferente densidad: Separación gas zona superior.Movimiento líquido ascendente y descendente separados físicamenteGas se introducido en zona ascendente.

CONFIGURACIONES: Recirculación internaRecirculación externa.



Air-lift Configuraciones: Recirculación interna

Salida gas Salida gas

Tubo o bafle

Descendente

Ascendente

Distribuidos de gas

Entrada gas (aire) Entrada gas (aire)

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Air-lift ConfiguracionesRecirculación externa

Salida gas

Descendente

Ascendente

Distribuidos de gas

Entrada gas (aire)



Características

Comparación Agitación Mecánica y Neumática

Bajo

Elevado

Dañocelular

Generación baja(todo tipo de

sistemas)ModeradaElevadoBaja Neumática

Generación elevada

(sistemas no muy exotérmicos)

ElevadaPequeñoBaja y AltaMecánica

Transferenciacalor

PotenciaVolumen reactorViscosidad

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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados


Clasificación


Tubos h >> Ø

Tanques h ≅ Ø

Otros

Homogéneos

Heterogéneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo



Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodos



Tipo de biocatalizador

Enzimas

Células

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Enzimas Reactores Heterogéneos

• Elevadas producciones, calidad constante• Mayor estabilidad E que en suspensión. Inmovilización• Reutilización catalizador (Alto precio)

•Tanques agitados• Lechos



Tanque agitado (CSTR)

• Equipos cilíndricos h≈D• Agitación mecánica• Mezcla perfecta (líquidos con baja viscosidad)• Homogeneización: Elevada N (P/V)⇒posible abrasión • Bajos costes producción• Gran automatización• Equipos versátiles• Enzimas inmovilizadas: configuraciones

• partículas suspendidas (filtro)• Partículas retenidas (agitador, bafles)• Circulación partículas

Enzimas

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Tanque slurry

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



Lecho fijo

•Elevadas [E]•Alto inmovilizado •Bajos costes producción (automatización)•Flujo pistón: 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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Células

Tipo de inmovilización

Pasiva

Activa



INMOVILIZACIÓN PASIVA

Crecimiento células en superficies materiales rugososOperación en continuo

- VENTAJAS:- No pre-producción células- Gran capacidad de TM- Partículas reutilizables- Cambio de escala no complicado

- DESVENTAJAS:- No esterilidad: tratamiento residuos

Células

Filtro biológico

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Ejemplos

PenicilinaEspuma de poliuretanoPenicillium chrisogenum

LipasaEspuma de poliuretanoRizopus chimensis

Ác γ-linolénicoEspuma de poliuretanoMucor ambiguus

CelulasaAceroTrichoderma viride

Acetona, butanol, etanolEsponja naturalClostridium acetobutilicum

EtanolAcero o espuma de poliesterS. cerevisiaeAmilasaEspuma de siliconaE. coli

MetanoEspuma de poliuretanoMicroorganismos metanogénicosTratamiento de residuosEspuma de poliuretanoCultivo mixto

ProductoSoporteCélulas

INMOVILIZACIÓN PASIVACélulas



Tanque agitado

- Robustez biocatalizador: diseños agitador- Proceso aerobio: limitaciones

Lecho fijo- VENTAJAS:

- facilidad operación- ↑velocs reacción

- DESVENTAJAS:- Taponamiento lecho:

Células no viables o resting cells- No gran aporte de O2

- Eliminación CO2

- Tratamiento L-S

Lecho fluidizado

- MO aerobios y anaerobios- MO susceptibles de daño celular- Fácil Control y medida- Introducción catalizador activo- Veloc. mínima fluidización con recirculación líquido- Pequeñas partículas con elevada área- Mala estabilidad- Complejidad diseño- No esterilidad

INMOVILIZACIÓN ACTIVA

Células

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Anticuerpos monoclonales---Células animalesTanque

agitado

Lecho fluidizado

Lecho fijo

Reactor

Tratamiento aguas---Cultivo mixto

Ácido glutámicoColágenoBrevibacterium flavum

EtanolAlginato cálcicoS. cerevisiaefumárico⇒aspárticoGel poliacrilamidaE. coli

ProductoInmovilizaciónCélulas

INMOVILIZACIÓN ACTIVA

Ejemplos

Células



- Membranas preformadas: separación células del medio-Operación continuaMEMBRANAS:

- ultrafiltración (poliméricas) - cerámicas, siliconas- intercambio iónico

⇒tamaño: 0,1 y 5 µm; f(tamaño celular)⇒Material: acetato y nitrato celulosa

polipropilenopoliacrilonitrilo, etc

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

Reactores de membrana

Células

INMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento)

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VENTAJAS:- Método inmovilización no daña metabolismo: “en suspensión”- Empleo para células viables con o sin crecimiento (resting cells)- No wash-out- Resting cells: combinación reacción y regeneración- Mayor pureza producto: Down-stream- Posibilidad de permeabilidad selectiva:

- No a inhibidores- Componentes de fases L y G por membranas diferentes (no oxigenación L)

- Entada de nutrientes por membranas diversas- Empleo de medios no acuosos sin emulsión (y separación de fases)

- Protección contra stress hidrodinámico

Células

INMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento) Reactores de membrana



DESVENTAJAS:- Transferencia de Materia:

- Distribución heterogénea de células, mo móviles- Distribución heterogénea de sustratos: empleo resting cells- Transporte por difusión.

- Compatibilidad células con membranas sintéticas: metabolismo- Monitorización y control

Ácido lácticoLactobacillus delbrenkriβ-lactamasaE. coli

ProductoCélulas

Células

Reactores de membranaINMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento)

Ejemplos

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Biorreactores especiales


Clasificación


Tubos h >> Ø

Tanques h ≅ Ø

Otros

Homogéneos

Heterogéneos

Discontinuo

Semicontinuo

Continuo

Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodosBiorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores, intensificación de procesos


Biocatalizadores especiales: estado sólido, fotobiorreactores



Tipo de transformación

Fermentación en estado sólido

Fotobiorreactores

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Agitación Mecánica: Tanques agitadosFermentadores rotatoriosBiorreactores pulsantes

Operación continua o discontinua

BIORREACTORES ESPECIALES Estado Sólido



- Sustratos sólidos- Bajos niveles de humedad (40%, <80%)- Procesos anaerobios y microaerófilos- Ambiente selectivo (actividad agua)⇒Mohos, bacterias, levaduras- Excreción de enzimas extracelulares- Procesos: Vino, Salsa de soja, Tratamiento residuos (Discontinuo)

VENTAJAS:- Volumen pequeño (economía)- ↓Posibilidad de contaminación (%H2O)- Separación producto sencilla (líquido, gas, sólido)- Desarrollo de estructuras microbianas morfológicas diferenciadas

DESVENTAJAS:- Medio heterogéneo: mala mezcla- Dificultad de control- Volúmenes mayores⇒gradientes (rotura micelios)

Reactores rotatoriosBIORREACTORES ESPECIALES Estado Sólido

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BIORREACTORES PULSANTES

- Agitación pos pulsos: movimiento elementos equipo (platos, émbolo)- Procesos aerobios- Elevada viscosidad- Aplicaciones: Operación continua

Producción MetabolitosTratamiento de residuos

Aerobio, anaerobioTratamiento de residuosCultivo mixtoaerobioSCPLevadura

Aerobio, inmovilización

----Aerobio, elevada viscosidadAerobio, elevada viscosidad

Características proceso

Ácido acéticoAcetobacter aceti

EtanolZymomonas mobilisÁcido cítricoAspergillus nigerAntibióticosCyathus striatus

ProductoCélulas

BIORREACTORES ESPECIALES



- CO2→Metabolitos (autótrofo)- Energía luminosa (fotótrofo)- Compuesto dador de e- (H2O)- Organismos fotosintéticos: bacterias fotosintéticas, microalgas, cianobacterias,

FOTOBIORREACTORES

⇒Complemento alimentario (biomasa)⇒Espacio: O2 y alimento

⇒Producción metabolitos de valor añadido⇒Pigmentos, antioxidantes, prods farmacéuticos

⇒Medioambiente⇒Eliminación sustancias tóxicas (metales pesados, fijación CO2)⇒Inóculos suelos contaminados⇒Regeneración atmósfera sistemas cerrados

BIORREACTORES ESPECIALES

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ACTIVIDAD BIOSINTÉTICA:- Eficacia sistema iluminación: µ

- Luz natural - Luz artificial

- Veloc. Volumétrica absorción luz:- ↑Superficie de T.E.- ↑I luz incidente

ContinuosBuen control condicionesCalidad cte productoPermiten esterilizaciónElevado gasto energéticoDificultad cambio de escala

Poco gasto energéticoDifícil controlPurezaFases luz-oscuridadMenor productividad

BIORREACTORES ESPECIALES FOTOBIORREACTORES


Bibliografía recomendada

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

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.Godiá, Casasblancas, F. y López Santín, J. (eds.). 1998. Ingeniería Bioquímica.

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

Hall. 245-290

Tema 5 Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación

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