Tema 5. bio-reactoresDefinicin. Clasificacin de los
bio-reactores. Reactores discontinuos y de flujo continuo.
Reactores de tanque agitado y flujo continuo (TAFC). Reactores de
lecho empaquetado, fluidificado y fibra hueca. Parmetros para
evaluar el rendimiento de bio-reactores. Problemas en el
funcionamiento ideal: prdida de estabilidad, regeneracin,
mantenimiento de productividad constante, problemas fsicos
(abrasin, empaquetamiento y compresin.
Definicin de bio-reactor.
BIO-REACTOR Recipiente en el que tiene lugar una reaccin
catalizada por enzimas libres o inmovilizadas y el que existen
sistemas para la toma de muestras y el control de la reaccin
Considerar: Control del pH y t Suministro y eliminacin de
compuestos gaseosos Presencia de partculas slidas Estabilidades
qumicas y biolgicas de sustratos y productos Recambio del
catalizador Existencia de inhibicin por sustrato o productos Tamao
de la operacin y uso del producto Funcin: retener el complejo
inmovilizado y asegurar un contacto eficiente y controlado entre
catalizador y sustrato Finalidad: mxima formacin de producto en
poco tiempo y con coste mnimo Caractersticas: trabajan a
temperatura y presin bajas, consumen poca energa Fermentador:
Funcionamiento a temperaturas y presiones moderadas Autocataltico:
Crecimiento microbiano Reactor enzimtico: Funcionamiento a
temperaturas y presiones moderadas No autocatalticos Reactor
qumico: Funcionamiento a altas temperaturas Funcionamiento a altas
presiones
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Clasificacin de los bio-reactores
a.- Contenido: Homogneo (una fase) Heterogneo (ms de una fase):
reactores enzima inmovilizada b.- Grado de mezcla: Mezcla perfecta:
constante estado de agitacin Composicin reactivos vara con el
tiempo, no con la posicin Efectividad vara con el tiempo
(disminucin sustrato con el tiempo) Flujo pistn: movimiento fluido
a lo largo del reactor: no mezcla anterior y posterior Composicin
vara con la posicin, no dependiente del tiempo Efectividad alta a
la entrada, baja a la salida (disminucin sustrato) c.- Modo de
operacin: Discontinuo (por cargas) Continuos
XS - K m ln(1 - X) =
kEt V
S
S1
XS - K m ln(1 - X) =qsX: proporcin de substrato convertido KE:
actividad total de la enzima S y S1: concentracin inicial y final
de substrato q: velocidad de flujo dentro del reactor T: tiempo de
operacin Km: cte Michaelis-Menten V: volumen de trabajo del
reactor
kE kE = q Vqs1
Discontinuo Continuo Mezcla total Flujo pistn
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Reactores discontinuos
A.- Reactores discontinuos: Grandes tanques de agitacin Final de
la reaccin: Vaciado y separacin producto y enzima Usos: Enzimas
solubles baratos Sustrato de consistencia slida o coloidal (no
apropiados para enzimas inmovilizados) No ideales para procesos
integrados
Reactores de flujo continuo
B.- Reactores flujo continuo: Biocatalizador permanece en
reactor Adicin de sustrato / recogida producto Apropiados para la
integracin Catalizador: Mantenimiento en reactor:
Tipos de bio-reactores: B.1.- Reactor tanque agitado y flujo
continuo (TAFC) B.2.- Reactor lecho empaquetado B.3.- Reactores
lecho fluidificado B.4.- Reactores fibra hueca
inmovilizacin forma soluble + unidad de ultrafiltracin en la
salida
Productividad y % conversin: Ajuste de concentracin de sustrato
Velocidad de flujo Actividad del catalizador
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Reactores de tanque agitado y flujo continuo (TAFC)
B.1.- Reactor tanque agitado y flujo continuo (TAFC) Catalizador
+ corriente de sustrato + retencin del catalizador: filtracin
sedimentacin fuerzas magnticas fijacin a palas de agitacin
Caractersticas: Fcil construccin y control Fcil sustitucin
catalizador gastado Buen mezclado (reduccin limitaciones difusin)
Permiten uso de sustrato slido o coloidal
de
Inconvenientes: No en catalizador inmovilizado mecnicamente
frgil Elevado volumen vaco (98% vs 2%): Necesidad gran tamao
Productividad global baja % conversin sustrato-producto Bajo
Posibilidad de INHIBICIN POR PRODUCTO
Reactores de lecho empaquetado
B.2.- Reactor lecho empaquetado Caractersticas: Pequeo tamao
Elevada productividad (incluso en inhibicin por producto) Pequeo
volumen vaco Facilidad de automatizacin Inconvenientes: Difcil
sustitucin catalizador agotado Dificil control condiciones
ambientales (pH) Costes de fabricacin altos No apto para lquidos
con partculas o muy viscosos: bloqueo flujo, canalizaciones
Presentaciones: Lmina flexible espiral Madejas de fibras Variables:
velocidad de flujo Mezclado sustrato-enzima (problemas de difusin
limitada) Aumento velocidad de flujo: Descenso productividad y tasa
de conversin Aumento longitud reactor Reciclaje flujo Posibilidad
de INHIBICIN POR SUBSTRATO
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Reactores de lecho fluidificado
B.3.- Reactores lecho fluidificado Caractersticas: Chorro de
solucin de sustrato en base del reactor (alta presin): mezclado No
formacin de canales Posibilidad de empleo para sustratos coloidales
o slidos Inconvenientes: Alto gasto energtico Dificultad de
prediccin prestaciones a gran escala
Reactores de fibra hueca
B.4.- Reactores fibra hueca Caractersticas: A partir de unidades
de ultrafiltracin Enzima separado del sustrato por membrana
semipermeable Posibilidad de empleo con enzimas solubles
Posibilidad de empleo con coenzimas Costo aceptable
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Parmetros para evaluar el rendimiento de bio-reactores
PARMETROS PARA EVALUAR RENDIMIENTO DE LOS BIOREACTORES
Actividad
Actividad Estabilidad SelectividadGramos de producto
formado/litro de volumen de reactor/hora de operacin (actividad
volumtrica) productividad tiempo dimensin del reactor Necesidad
actividad alta: Sustrato o producto inestable Formacin de
compuestos secundarios (no deseables) Factores que afectan
actividad: Concentracin del enzima Actividad del enzima: Actividad
del enzima nativo Cantidad de enzima en el soporte Actividad del
enzima tras la inmovilizacin
Parmetros para evaluar el rendimiento de bio-reactores
PARMETROS PARA EVALUAR RENDIMIENTO DE LOS BIOREACTORES
Estabilidad
Actividad Estabilidad Selectividad
Tiempo en el que la actividad del reactor decae a la mitad del
valor inicial (vida media) estabilidad Renovacin enzima
(inmovilizado/no inmovilizado) poco frecuente
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Parmetros para evaluar el rendimiento de bio-reactores
PARMETROS PARA EVALUAR RENDIMIENTO DE LOS BIOREACTORES
Selectividad
Actividad Estabilidad Selectividad
Proporcin en que el producto deseado se encuentra frente al
total de productos formados selectividad Uso eficiente del sustrato
Altos rendimientos Simplificacin procesos aislamiento/purificacin
producto
Problemas en el rendimiento de bio-reactores
PROBLEMAS EN EL RENDIMIENTO DE BIOREACTORES
PRDIDA DE ESTABILIDAD REACTORES BIOQUMICOS Causas: Inhibicin
irreversible: sustancias presentes en el sustrato desnaturalizacin
por pH, t, fuerza inica rozamientos mecnicos ataque microbiano
liberacin del soporte autodigestin Vida media = 0.693/
ln2/ln(No/N)
Prdida de estabilidad:
Regeneracin de la actividad del biocatalizador Mantenimiento de
la productividad constante Abrasin Compresin-empaquetamiento
Problemas fsicos
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Problemas en el rendimiento de bio-reactores
PROBLEMAS EN EL RENDIMIENTO DE BIOREACTORES Prdida de
estabilidad: Regeneracin de la actividad del biocatalizador
Mantenimiento de la productividad constante Problemas fsicos
Abrasin Compresin-empaquetamiento
REGENERACIN ACTIVIDAD DEL BIOCATALIZADOR No posible (excepcin
enzimas con desnaturalizacin reversible) Actuacin: Desorcin enzima
inactivo e inmovilizacin enzima fresco (inmovilizacin por adsorcin)
Eliminacin biocatalizador inmovilizado y sustitucin por nuevo
Problemas en el rendimiento de bio-reactores
PROBLEMAS EN EL RENDIMIENTO DE BIOREACTORES Prdida de
estabilidad: Regeneracin de la actividad del biocatalizador
Mantenimiento de la productividad constante Problemas fsicos
Abrasin Compresin-empaquetamiento
MANTENIMIENTO PRODUCTIVIDAD CONSTANTE Adecuacin salida de
productos del bioreactor/actividad de equipos de
purificacin/aislamiento de productos Mtodos para mantener una
productividad constante: Adicin de catalizador fresco Reduccin
flujo Aumento temperatura Empleo bateras de bio-reactores de
distintas edades
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Problemas en el rendimiento de bio-reactores
PROBLEMAS EN EL RENDIMIENTO DE BIOREACTORES Prdida de
estabilidad: Regeneracin de la actividad del biocatalizador
Mantenimiento de la productividad constante Problemas fsicos
Abrasin Compresin-empaquetamiento
PROBLEMAS FSICOS Reactores agitados: ABRASIN Causas: Aumento con
agitacin Aumento con velocidad de flujo Aumento con porcin de
volumen ocupado por partculas de biocatalizador
Solucin: Disminucin viscosidad del fluido Aumento rigidez del
soporte
Problemas en el rendimiento de bio-reactores
PROBLEMAS EN EL RENDIMIENTO DE BIOREACTORES Prdida de
estabilidad: Regeneracin de la actividad del biocatalizador
Mantenimiento de la productividad constante Problemas fsicos
Abrasin Compresin-empaquetamiento
PROBLEMAS FSICOS Columnas empaquetadas: COMPRESIN Y
EMPAQUETAMIENTO Compresin: cada de presin en columna: friccin
fluido/partculas de soporte Bloqueo parcial por materiales
particulados (partculas pequeas en columnas largas y durante tiempo
prolongado) Ruptura partculas por presin
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Parmetros para evaluar el rendimiento de bio-reactores
PROBLEMAS EN EL RENDIMIENTO DE BIOREACTORES Prdida de
estabilidad: Regeneracin de la actividad del biocatalizador
Mantenimiento de la productividad constante Problemas fsicos
Abrasin Compresin-empaquetamiento
PROBLEMAS FSICOS Efectos de los fenmenos de compresin y
empaquetamiento Prdida actividad biocatalizador (disposicin sobre o
alrededor soporte) Taponamiento filtros (reactores agitados)
Taponamiento espacios vacos y poros (lecho empaquetado) Grado de
taponamiento: Presencia Cantidad Tamao Naturaleza fsica y
qumica
Parmetros para evaluar el rendimiento de bio-reactores
PROBLEMAS EN EL RENDIMIENTO DE BIOREACTORES Prdida de
estabilidad: Regeneracin de la actividad del biocatalizador
Mantenimiento de la productividad constante Problemas fsicos
Abrasin Compresin-empaquetamiento
PROBLEMAS FSICOS Mtodos para evitar/disminuir compresin y
empaquetamiento Partculas de soporte grande No compresibles Pared
lisa Esfricas Homogeneamente empaquetadas Fluidizando lecho
empaquetado regularmente Disminucin relacin altura/dimetro Solucin:
Clarificacin solucin del sustrato: filtracin o centrifugacin
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