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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE

ACAYUCAN

INGENIERÍA BIOQUÍMICA

701-B

INGENIERÍA DE BIORREACTORES

OPERACIONES AUXILIARES

ING. ÉRIKA DEL CARMEN REYES GÓMEZ

PRESENTAN:

SANTOS OSORIO OSCAR

LEDESMA MAYORAL UZZIEL

RODRÍGUEZ SANTIAGO JUAN

RODRÍGUEZ REYES VÍCTOR RANGEL

15 DE DICIEMBRE DEL 2012 ACAYUCAN, VERACRUZ

UNIDAD 4

INGENIERIA DE BIORREACTORES

ING. ERIKA REYES GOMEZ Página 2 de 38

CONTENIDO

Objetivos .......................................................................................................................... 4

Introducción.................................................................................................................. 5

4. Operaciones auxiliares ....................................................................................... 7

4.1 Esterilización.................................................................................................... 15

4.1.1 Del medio de cultivo continúo. .................................................................... 16

4.1.2 Esterilización del aire ................................................................................... 19

4.2 Instrumentación y control del biorreactor ...................................................... 21

4.2.1 Sensores físicos y químicos ....................................................................... 22

4.2.1.1 Sensores físicos........................................................................................ 25

4.2.1.2 Sensores quimicos ................................................................................... 27

Conclusión .............................................................................................................. 37

Bibliografía ............................................................................................................. 38



ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. ......................................................... 22

Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. ......................................................... 22

Figura 4.2 Componentes de termómetro de resistencia. ....................................... 26

Figura 4.3 Tipos de termistores ............................................................................ 27

Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio ................................................... 28

Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto .............................................. 29

Figura 4.6 Rotámetro............................................................................................. 31

Figura 4.7 Tacometro ........................................................................................... 32

Figura 4.8 Medidor de nivel .................................................................................. 33

Figura 4.9 Medidor de presión ............................................................................... 35

Figura 4.10 Medidor de gases .............................................................................. 36

Figura 4.11 Espectrómetro de masas................................................................... 36



OBJETIVOS

Identificara los servicios auxiliares necesarios para la operación de un

biorreactor.

Describir sus componentes y explicar su funcionamiento.

Dar a conocer su aplicación industrial.



INTRODUCCIÓN

El equipo donde se realiza el proceso se denomina biorreactor o fermentador. El

mismo provee todos los servicios que son necesarios para el cultivo, tales como

mezclado, termostatización, suministro de oxígeno, entradas para adición de

nutrientes, control del pH, etc. Por otra parte, cuando se habla de sistemas de

cultivo o, también, métodos de cultivo, se hace referencia al modo de operar del

biorreactor, esto es en forma continua, discontinua o semicontinua. Para un

componente cualquiera del cultivo, incluida la biomasa, se puede plantear el

siguiente balance de materia en el biorreactor.

Velocidad de Acumulación = Velocidad de Ingreso –Velocidad de Salida +

Velocidad de Formación – Velocidad de Consumo

Según sea el modo de operación, es decir, continuo, discontinuo o semi-continuo,

se tendrán unos términos de la ecuación u otros, así se plantearán los balances

del proceso.

Para poder llevar a cabo una fermentación con éxito es imprescindible y

obligatorio tener en todas las etapas cultivos libres de contaminantes, desde el

cultivo preliminar hasta el fermentador de producción. Por lo tanto, el fermentador

y su equipamiento, así como el medio de cultivo deben estar estériles antes de la

inoculación. Además, el aire que se suministra durante la fermentación debe ser

estéril y no deben existir roturas mecánicas en el fermentador que podrían permitir

la entrada de microorganismos. También se deben esterilizar los aditivos

(antiespumantes), sin embargo los ácidos y bases concentrados no es necesario

esterilizarlos.



Un biorreactor puede ser esterilizado, destruyendo los microorganismos, con algún

agente letal como calor, radiación o un producto químico o bien separando los

organismos viables mediante un procedimiento físico como la filtración.

Durante la fermentación se deben observar dos puntos para asegurar la

esterilidad:

Esterilidad en el medio de cultivo

Esterilidad del aire que entra y sale

Para lo cual es necesaria una construcción apropiada del biorreactor que facilite la

esterilización así como la prevención de la contaminación durante la fermentación.

La importancia de la instrumentación de un biorreactor radica en la necesidad de

tener en los cultivos un control que permita optimizar el proceso. La estrategia de

control comienza con la medición de las variables que proveen un ambiente

adecuado en un proceso de fermentación. El diseño y construcción de los

elementos necesarios para el monitoreo de las variables del biorreactor,

requirieron conocimientos de las necesidades del biorreactor y su operación

específica, así como de los circuitos electrónicos involucrados en los dispositivos

de medición.



4. OPERACIONES AUXILIARES

Los servicios auxiliares necesarios en la operación de un biorreactor incluyen aire

comprimido, diversos gases comprimidos (nitrógeno, oxígeno, etc.), agua de

enfriamiento (agua helada y agua de torre), agua para servicios varios, vapor de

planta y energía eléctrica.

Aire:

El aire tiene varios usos en un biorreactor, entre ellos por orden de importancia:

1. Proveer oxigeno al medio de cultivo.

2. Como fuerza motriz para la transferencia de momento y masa.

3. Como fuerza motriz para transferir líquidos de un recipiente a otro.

4. Para accionar instrumentación de control de tipo neumático.

5. Como medio de enfriamiento para los recipientes después de la

esterilización.

La elección de aire a utilizar del uso que se haga de él. El aire debe ser seco y

libre de aceite. Además, cuando se requiera que el proceso o producto no se

afecte por la introducción de microorganismos ajenos, contenidos en la corriente

de aire, será necesario que este sea estéril.



Vapor:

El vapor de planta es utilizado como el medio principal de calentamiento en miles

de industrias, y para la generación de energía eléctrica como uso secundario.

Además el vapor limpio o puro se utiliza en el procesamiento de alimentos y

medicinas, en la esterilización de productos y equipos, etc. Su uso generalizado se

debe a las siguientes razones:

1. La generación de vapor es una de las formas más económicas de

generación de energía.

2. El vapor puede controlarse de manera relativamente sencilla debido a que

circula de una zona de alta presión a una de menor presión sin necesidad

de otro equipo.

3. El vapor es fácil de producir, ya que se obtiene del agua que además puede

ser reutilizable.

Un generador de vapor o caldera es aquel que transforma el agua en vapor

aprovechando el calor generado por la combustión de un material combustible,

teniendo como característica principal que es un recipiente cerrado sujeto a una

presión mayor a la atmosférica.

Existen dos tipos de generadores de vapor:

1. Generadores de tubo de agua: En estos el agua circula al interior de una

serie de tubos (serpentín), mientras que el calor se transfiere de la cámara

de combustión hacia el interior de los tubos, así el agua contenida dentro de

los tubos comienza a elevar su temperatura hasta evaporarse. Este es el

tipo más común.



2. Generadores de tubo de humo: En forma totalmente opuesta, en este tipo

de generadores los gases de combustión circulan por los tubos, mientras

que el agua se encuentra almacenada en la cámara exterior. Asi el calor se

transfiere del interior de los tubos hacia el agua almacenada alrededor de

estos.

La capacidad de un generador de vapor se mide bajo un estándar internacional

llamado Caballo Caldera el cual es equivalente a generar a 15.65 kg/h de vapor

con una temperatura de 100°C a presión atmosférica y que es alimentado con

agua a 100°C.

Las calderas generalmente vienen como paquetes en tamaños estandarizados

que incluyen:

1. El tanque de condensados que se instala generalmente 2 m arriba de la

bomba de alimentación de agua al generador.

2. La bomba de agua que envía el agua a presión hacia el serpentín del

generador.

3. El generador de vapor de tubos de agua por donde circulan en sentido

contrario el agua y los gases de combustión, de tal manera que a medida

que el agua avanza en su recorrido encuentra temperaturas más altas, por

lo que incrementa su temperatura hasta convertirse en vapor. los

componentes básicos del generador son:

o Serpentín

o Quemador-ventilador

o Cámara de combustión



4. El separador de vapor en donde por medios mecánicos se provoca el

desprendimiento de pequeñas partículas de agua (humedad) que arrastra el

vapor.

5. La trampa de vapor que desaloja los condensados removidos del vapor y

los envía de regreso al tanque de condensados para repetir nuevamente el

ciclo.

6. Sistemas de control y de seguridad entre los que destacan: válvulas de

alivio y de seguridad, manómetros, control principal de temperatura con

termopar, interruptores del termostato, interruptor de presión de vapor e

interruptor del nivel de aceite.

El agua que entra a una caldera requiere de un acondicionamiento previo (ver

tabla 1) para proteger los equipos contra la incrustación, la corrosión y otras

complicaciones. Por eso es necesario acoplar a este un sistema de

acondicionamiento previo del agua que generalmente incluye un suavizador y un

tanque de salmuera

El suavizador consiste en una columna empacada con una resina catiónica

depositada sobre un lecho de grava que le sirve de soporte y a la vez de filtro. En

la resina se lleva a cabo el intercambio de los iones calcio y magnesio que son los

responsables de la dureza del agua por iones de sodio que contiene la resina. El

tanque de salmuera tiene como función regenerar la resina a fin de que recupere

su capacidad de intercambio iónico.



.

El sistema de distribución de vapor se realiza por medio de tuberías, generalmente

de acero al carbón de cédula 40, cuidando que las velocidades y caídas de

presión estén comprendidas en los intervalos recomendados para el

dimensionamiento de las mismas. El vapor puro requerirá de tuberías de acero

inoxidable con acabado sanitario.

En adición al sistema de distribución de vapor deberán preverse los sistemas de

manejo de condensados, ya que estos pueden realizarse con un importante ahorro

en el acondicionamiento del agua de alimentación a la caldera y en la energía

requerida para el calentamiento de la misma hasta el punto de ebullición.

Agua de enfriamiento:

El agua como servicio auxiliar se utiliza como fluido de enfriamiento para el control

de la temperatura del caldo de fermentación en los biorreactores. Esta agua, a

diferencia del agua de proceso, nunca entra en contacto con las materias primas o

productos de la biorreacción, ni con las superficies en contacto con estos, sino que

circula a través de las chaquetas o serpentines según el diseño del biorreactor.



Agua para servicios varios:

Este tipo de agua se utiliza para las operaciones de lavado y limpieza del

biorreactor y del área de procesado. Esta agua puede ser potable, debe estar libre

de sedimentos, pero no requiere ningún tratamiento adicional.

Energía eléctrica:

La instalación eléctrica tiene como propósito proporcionar la energía para accionar

bombas, comprensores, motores eléctricos y otros equipos mecánicos,

instrumentos, tableros de control y alumbrado. El sistema se debe adecuar para

entregar en el punto que se requiera la energía necesaria sin causar

sobrecalentamiento o cambios de voltaje innecesarios.

Esto se logra a través de líneas de alambrado que unen el generador con el punto

donde se necesita la energía conectada todos los componentes y que se dividen

en secciones según el servicio y el área dando lugar a los circuitos. El sistema

eléctrico básico esta constituido por la fuente, el equipo de transformación, los

dispositivos de protección, las líneas de distribución y los puntos de uso.

Voltajes de distribución:

La energía comparada o generada se suministra a voltajes muy altos y para

usarse en la planta debe ser reducida al voltaje de utilización, para esto se

requiere el uso de subestaciones reductoras o transformadores. El voltaje de

operación recomendado por los fabricantes de motores y demás equipo eléctrico

aparece en la placa o en las instrucciones de operación de dicho equipo.



La especificación típica para motores eléctricos y demás equipos accionados

eléctricamente es de 120 V, 240 V y algunos casos hasta 480 V, los instrumentos

generalmente necesitan voltaje 12-24 V.

Corriente:

La corriente puede ser de dos tipos: la corriente al terna (CA) que es periódica con

pequeñas oscilaciones, desde un valor máximo en un sentido hasta el mismo valor

pero en sentido contrario, de tal manera que su intensidad media es nula; y la

corriente continua o directa (DC ó CC) que proporciona un valor constante todo el

tiempo, como la producida por dinamos, pilas y acumuladores.

Dispositivos de protección:

Los circuitos y equipos deben ser protegidos por dispositivos que abran los

circuitos para que la corriente no fluya en condiciones de sobrecarga o falla. Esto

se hace por medio de interruptores. Mediante los transformadores se obtienen

voltajes reducidos que alimentan los diferentes circuitos, cada uno de los cuales

debe tener su interrupción de desconexión.

Equipo eléctrico para áreas peligrosas:

Cuando las materias primas o productos de la biorreacción son potencialmente

peligrosos, es decir, que emiten a la atmosfera grandes cantidades de partículas

muy pequeñas que pueden penetrar hacia los circuitos eléctricos e iniciar una

chispa (por ejemplos; polvos, solventes, etc.), tanto el equipo eléctrico como los

transformadores, mecanismos de distribución y motores deben ser especificados a

prueba de explosión.



Conductores:

Del punto de suministro al punto de utilización (equipos, comprensores, bombas,

etc.), la corriente eléctrica distribuye por medio de conductores que pueden ser

alambres, cordones o cables, los cuales pueden ser vistos como las arterias y

venas por donde viaja la corriente:

o Hilo de alambre: Es un conductor constituido por único alambre macizo,

generalmente de cobre.

o Cordón: Es un conductor constituido por varios hilos unidos eléctricamente

enrollados helicoidalmente alrededor de uno o varios hilos centrales.

o Cable: Es un conductor formado por uno o varios hilos o cordones aislados

eléctricamente entre si. Según el numero hilos o cordones que lleva un

cable se denomina unipolar, bipolar, tripolar, etc.

Los cables son canalizados en las instalaciones dentro de tuberías metálicas o

canales para protegerlos de agentes externos como la humedad, la corrosión los

golpes, etc., que se sujetan al techo o paredes por medio de soportes. En algunos

lugares se entierran dichas tuberías bajo el piso, aunque esto lo hace de difícil

acceso y mantenimiento.



4.1 ESTERILIZACIÓN

En todo proceso de fermentación se requiere la esterilización de los equipos a

usar para así evitar la contaminación biológica. La contaminación biológica es la

invasión de microorganismos extraños, sin interés industrial, del proceso. Con ello

se disminuye la productividad porque se da el crecimiento celular de la cepa

productora también del contaminante biológico. Además si se opera en continuo

el microorganismos extraño puede desplazar al de interés.

A parte de estos problemas, el contaminante biológico puede degradar el producto

final o producir la lisis celular. Se deben de usar inóculos puros, esterilizar el

medio de cultivo, el reactor, conductos, válvulas, aditivos y corrientes del proceso.

Se debe mantener las condiciones de esterilización durante el proceso de

operación.

El proceso de esterilización consiste en la eliminación o destrucción de todos los

microorganismos presentes capaces de competir con el organismo deseado.

Sabiendo las características específicas del cultivo de interés se pueden encontrar

las condiciones de operación más extremas que permitan desarrollarse a este

cultivo y no a ningún otro microorganismos. Se suele jugar con la temperatura y

con el pH. Este procedimiento sería de desinfección más que de esterilización.

La esterilización puede hacerse mediante calor húmedo o través de la filtración.



4.1.1 DEL MEDIO DE CULTIVO CONTINÚO.

El medio nutritivo que se prepara inicialmente contiene una variedad de células

vegetativas diferentes y de esporas que proceden de los constituyentes del medio,

del agua y del recipiente. Estos microorganismos deben ser eliminados por un

procedimiento adecuado antes de la inoculación. Existen un conjunto de

procedimientos para la esterilización, pero en la práctica, para instalaciones a gran

escala, el calor es el principal mecanismo utilizado.

Un conjunto de factores influyen en el éxito de la esterilización por calor: el número

y tipo de microorganismos presentes, la composición del medio de cultivo, el valor

del pH y el tamaño de las partículas en suspensión. Las células vegetativas son

eliminadas rápidamente a temperaturas relativamente bajas, pero para la

destrucción de las esporas se necesitan temperaturas de 121°C.

La esterilización por filtración se utiliza frecuentemente para todos los

componentes de la solución de nutrientes que son sensibles al calor y que serían

por tanto desnaturalizados durante el proceso de esterilización por vapor utilizado

normalmente en fermentación industrial. Las vitaminas, los antibióticos o los

componentes de la sangre son ejemplos de compuestos lábiles al calor que deben

ser esterilizados por filtración.



Esterilización continúa:

La esterilización continua se lleva a cabo normalmente en 30-120 segundos a

140° C. El calentamiento del medio de cultivo para la esterilización continua puede

ser llevado a cabo mediante inyección de vapor o mediante intercambiadores de

calor. La esterilización con inyección de vapor se hace inyectando vapor en la

solución de nutrientes. La temperatura se eleva rápidamente a 140° C y se

mantiene durante 30-120 segundos.

Debido a la formación de condensados la solución nutritiva se diluye; para corregir

esto la solución caliente se bombea a través de una válvula de expansión a un

vaporizador y el condensado se retira mediante bombas de vacío de forma que la

solución esterilizada de nutrientes tiene la misma concentración después del

proceso de enfriamiento que antes. La desventaja de este proceso es la

sensibilidad que presenta a cambios en la viscosidad del medio y a variaciones en

la presión.

En el proceso continuo que utiliza intercambiadores de calor, la solución de

nutrientes, en el primer intercambiador de calor, se precalienta a 90-120° C

durante 20-30 segundos por la solución nutritiva previamente esterilizada que sale.

Luego, en el segundo intercambiador de calor, se calienta indirectamente con

vapor a 140° C. Esta temperatura se mantiene durante 30-120 segundos en una

tubería de mantenimiento antes de que sea colocada en el primer intercambiador

mediante enfriamiento preliminar y posteriormente en un tercer cambiador para

refrigeración a la temperatura del fermentador. La fase de enfriamiento es sólo de

20-30 segundos.



En el proceso que utiliza intercambiadores de calor el 90% del aporte de energía

se recupera. La desventaja de este método es que con algunas soluciones de

nutrientes se forman sales insolubles (p. ej. fosfato cálcico u oxalato cálcico) y

aparecen incrustaciones en el primer intercambiador de calor debido a las

diferencias de temperatura entre la solución de nutrientes esterilizada y la solución

fría que entra.

Si se produce una precipitación, el coeficiente de transferencia de calor disminuye

por lo que el sistema se debe detener y tratar con agentes que limpian (ácido o

base) y re-esterilizarlo. Esterilizando separadamente los componentes críticos de

la solución de nutrientes se mantiene constante el coeficiente de transferencia de

calor por lo que el período útil puede extenderse durante semanas.

Las soluciones que contienen almidón, que se hacen viscosas cuando se

calientan, son difíciles de utilizar en procesos de esterilización continua. Antes de

la esterilización real debe llevarse a cabo una licuefacción e hidrólisis parcial

mediante ácidos o amilasas. Además, si hay partículas en suspensión en la

solución de nutrientes, los cortos tiempos de esterilización en el proceso continuo

pueden ser insuficientes para que el calor permanezca completamente a través de

ellas. El tiempo de calentamiento para partículas de 1 mm es de 1 segundo; para

partículas de 1 cm es de 100 segundos. Por consiguiente el tamaño de las

partículas debería estar restringido a 1-2 mm en procesos continuos de

esterilización.



4.1.2 ESTERILIZACIÓN DEL AIRE

La mayor parte de las fermentaciones industriales operan en condiciones de

agitación vigorosa y el aire que se suministra al fermentador debe ser esterilizado.

El número de partículas y microorganismos en el aire varía en gran medida

dependiendo de la localización de la planta, el movimiento del aire y el tratamiento

previo del aire. Como media, el aire exterior tiene 10 - 100.000 partículas por m3 y

5 - 2.000 microorganismos por m3. De estos, el 50% son esporas de hongos y el

40% son bacterias G (-).

Los fermentadores funcionan generalmente con velocidades de aireación de 0,5 -

1,0 vvm (volumen de aire/volumen de líquido por minuto). Un fermentador que

tenga un volumen de trabajo de 50 m3 con una velocidad de aireación de 1 vvm

necesita 3.000 m3 de aire estéril por hora. La importancia crítica de la

esterilización del aire en la microbiología industrial puede ser deducida a partir de

estos valores.

Los métodos existentes para la esterilización de los gases incluyen la filtración,

inyección de gas (ozono), depuración de gas, radiación (UV) y calor. De todos

estos, solamente la filtración y el calor son prácticos a escala industrial. Durante

muchos años el aire se esterilizó pasándolo sobre elementos calentados

eléctricamente, pero debido al alto coste de la electricidad a partir de la crisis del

petróleo de los años 70, este proceso ha sido reemplazado por la filtración.



Actualmente, en los sistemas industriales el aire se esteriliza por filtración. En los

sistemas más antiguos se instalaban filtros en profundidad como los de lana de

vidrio en los que las partículas son atrapadas por una combinación de efectos

físicos (inercia, bloqueo, difusión, gravedad y atracción electrostática). Los dos

últimos mecanismos tienen un efecto mínimo sobre la eliminación de las

partículas. Las desventajas de los filtros de lana de vidrio incluyen el arrugamiento

y la solidificación durante la esterilización por vapor.

Actualmente están siendo reemplazados por filtros de cartuchos que utilizan

membranas plegadas. Las ventajas de estos filtros es que son sustancialmente

más pequeños, debido a la construcción de los cartuchos es fácil reemplazar los

elementos filtrantes utilizados, al poseer una estructura membranosa (ésteres de

celulosa, polisulfona o nylon) tienen un efecto de filtros absolutos. La desventaja

de la mayor parte de los sistemas instalados actualmente es que no existen

todavía, para uso industrial, filtros absolutos para bacteriófagos.

Los bacteriófagos pueden ocasionar el fallo total de un sistema como por ejemplo

en la producción de ácido glutámico por Corynebacterium glutamicum o al trabajar

con Escherichia coli. El aire que sale del fermentador también debe ser

esterilizado, sobre todo si se trabaja con organismos recombinantes. No sólo

como medida de seguridad, sino también para prevenir que las cepas industriales

se liberen al medio ambiente y por lo tanto estén disponibles de una forma gratuita

para los competidores. De nuevo, se utiliza la filtración.



4.2 INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DEL BIORREACTOR

La instrumentación y control de un biorreactor requiere de sensores que midan las

variables de un proceso fermentativo, y sistemas que ajusten el equipo a un punto

óptimo de operación. Idealmente, los sensores deben de estar en línea, para

medir las propiedades físicas del cultivo, estos sensores deben ser esterilizables

para asegurar la asepsia del proceso.

Sin embargo, no todas las mediciones pueden ser hechas en línea, algunas

medidas fuera de línea, requieren de tomar muestras y analizarlas, lo cual

consume tiempo y hace lenta la respuesta de control (biomasa, sustrato,

metabolitos, etc.). En la Figura 1, podemos observar los principales instrumentos

de medición en un biorreactor.

Los sensores de propiedades físicas pueden ser monitoreados continuamente, y

son la temperatura, presión, poder de agitación, velocidad de agitación, viscosidad

del medio, flujo y concentración de gases y fluidos, espuma, volumen y masa.

Para la medición de las propiedades químicas se utilizan electrodos esterilizables

al vapor, de pH, redox, oxígeno disuelto y CO2. El más utilizado es el de pH,

aunque no tiene utilidad para todas las fermentaciones, sólo en las de tipo

continuo donde se necesita mantener un valor estable de acidez o basicidad. Para

ello, contamos con sensores de pH y oxígeno disuelto.



4.2.1 SENSORES FÍSICOS Y QUÍMICOS

Para llevar a cabo durante la fermentación medidas para el análisis de datos y el

control del proceso se han desarrollado sensores especiales para biorreactores

que difieren en cierto modo de los de las industrias químicas:

1) Todos los sensores localizados en el área estéril deben ser esterilizables.

2) Algunos sensores deben estar específicamente adaptados a las necesidades

bioquímicas.

Los parámetros físicos y químicos que se indican en la Tabla 2 pueden ser

medidos directamente en muchas plantas piloto o fermentadores de producción o

pueden ser medidos in situ en el laboratorio.

Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. Ilustración 1Figura 1. Instrumentación de un biorreactor.

Ilustración 2 Figura 1. Instrumentación de un biorreactor.



Tabla 2. Parámetros que pueden ser medidos en un proceso de fermentación.

Parámetros

físicos

Parámetros

Químicos

Parámetros

biológicos

Temperatura

Presión

Consumo de potencia

Viscosidad

Velocidad de flujo (aire

y líquido)

Turbidez

Peso del fermentador

pH

Oxígeno disuelto

O2 y CO2 en los

gases de salida

Potencial redox

Concentración de

sustrato

Concentración de

producto

Fuerza iónica

Productos biológicamente

activos

Actividad enzimática

Contenido en DNA y RNA

Contenido en NADH2 y ATP

Contenido en proteína

Los parámetros biológicos que se indican deben ser medidos fuera del

fermentador, con la excepción de la medida del NADH2 que puede ser medido in

situ por métodos fluorescentes. Existen interesantes novedades en el campo de

los electrodos enzimáticos, los denominados biosensores. Tales sensores, sin

embargo, no pueden ser esterilizados.



Un procedimiento normal es determinar en el aire que entra y que sale el O2 y el

CO2 por separado mediante las propiedades paramagnéticas del O2 y el espectro

de absorción en infrarrojos del CO2. Los sensores para medir estos gases están

bien desarrollados y funcionan con pocas interrupciones.

Es fácil encontrar equipos para la medida precisa del pH. Existen combinaciones

de electrodos (electrodos de cristal, electrodo de referencia y compensador de

temperatura en una sola mitad) capaces de soportar las temperaturas de

esterilización y las tensiones mecánicas o debidas a la presión. El tiempo de

respuestas y la sensibilidad de estos electrodos es satisfactoria para los

requerimientos normales de los fermentadores.

Uso de ordenadores

Los ordenadores pueden facilitar el control y análisis de un conjunto de funciones

en los procesos de fermentación:

Optimización mediante ordenador. Los ordenadores se utilizan en el salto

de escala y evalúan los parámetros de la fermentación y miden los efectos

de parámetros individuales sobre el comportamiento metabólico de los

cultivos.

Control mediante ordenador. Los ordenadores pueden controlar los

procesos de fermentación. El control in situ de la fermentación se utiliza

ampliamente por muchas compañías a escala de producción.



La aplicación de ordenadores en biotecnología se utilizan primariamente para la

adquisición de:

a) Adquisición de datos

b) Análisis de datos

c) Desarrollos de modelos de fermentación

4.2.1.1 SENSORES FÍSICOS

Temperatura

Es un parámetro de regulación importante para el proceso ya que muchos

microorganismos tienen un determinado intervalo de temperatura y la energía

calorífica es rápidamente absorbida por la célula. Los termómetros de resistencia y

los termistores son los que se encuentran en la mayoría de las instalaciones.

Termómetros de resistencia

Se suelen designar con sus siglas inglesas RTD (Resistance Temperature

Detector). Se basan en el principio de que la resistencia de los metales incrementa

con la temperatura. Cuando la corriente pasa a través del rollo, un cambio de

voltaje se produce y éste a su vez, se relaciona con la temperatura. Los

termómetros de resistencia industriales se construyen siempre de platino, cobre o

níquel.



Termistores

Son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en

conductores como las RTD, sino en semiconductores. Si su coeficiente de

temperatura es negativo NTC (negative temperature coefficient), mientras que si

es positivo, se denominan PTC. Son semiconductores los cuales exhiben un

incremento en su conductividad con la temperatura.

De la misma forma que los termómetros de resistencia, los termistores no guardan

una relación lineal entre la resistencia y la temperatura, pero si se adecuan a los

pequeños cambios de temperatura que exhiben las fermentaciones, ésta relación

puede considerarse lineal. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel,

manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio y titanio.

Figura 4.2 Componentes de termómetro de resistencia. Ilustración 3Figura 4.2 Componentes de termómetro de resistencia.



4.2.1.2 SENSORES QUIMICOS

pH

El electrodo de vidrio es el elemento detector primario de las mediciones de pH. El

principio de medición se basa en el desarrollo de un potencial en la membrana de

vidrio sensible al pH, como resultado de la diferencia en la actividad del ion

hidrógeno en la muestra y una solución estándar de referencia (solución de cloruro

de potasio) contenida dentro del electrodo. El potencial del electrodo proporciona

un voltaje que se expresa como pH.

Figura 4.3 Tipos de termistores Ilustración 4 Figura 4.3 Tipos de termistores



Medición de oxígeno disuelto

Los sensores de medición de oxígeno disuelto (OD) consisten básicamente de una

camisa de acero inoxidable o de cristal que contiene dos electrodos y un electrolito

adecuado. Para separar los electrodos y los electrolitos del caldo de fermentación,

el sensor está cubierto por una membrana.

El oxígeno difunde a través de la membrana y se reduce en el cátodo, que está

polarizado negativamente con respecto al ánodo. Esto produce una corriente que

puede ser traducida como concentración de oxígeno. Habitualmente se recurre al

uso de sondas de tipo polarigráfica y galvánica. La diferencia entre ellas es que

éstas últimas son más baratas. Las sondas polarigráficas pueden ser

fraccionablemente más rápidas y tener una vida útil más larga. Realmente las

sondas OD no miden la concentración de oxígeno disuelto, sino la actividad o la

presión parcial del oxígeno.

Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio Ilustración 5Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio



Por esta razón las sondas OD son frecuentemente calibradas para leer el

porcentaje de saturación utilizando aire y nitrógeno libre de oxígeno como los

puntos de 0-100% de calibración. Es posible sin embargo relacionar la presión

parcial del oxígeno con la concentración de oxígeno disuelto utilizando la Ley de

Henry, ya que la solubilidad del oxígeno en los caldos de fermentación es muy

baja.

Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto

Ilustración 6Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto

Nivel de espuma

La formación de espuma representa un problema serio en las fermentaciones ya

que se fomenta la contaminación mermando el rendimiento u obstaculizando

filtros. Comúnmente muchos medios de cultivo fomentan la formación de espuma,

principalmente en los cultivos aerobios por la producción de agentes espumantes

como proteínas, polisacáridos y ácidos grasos. El control puede realizarse por

métodos mecánicos, químicos o una combinación de los dos.



Métodos mecánicos

Consisten de adaptaciones de disco rotatorios montados sobre el eje principal de

agitación. Estos dispositivos aseguran una buena eliminación de espuma, con la

desventaja de que consumen elevadas cantidades de energía, lo cual se refleja en

un incremento en los costos de producción.

Métodos químicos

Se realizan con la ayuda de agente antiespumantes los cuales pueden ser

suministrados de forma automática. Algunos antiespumantes son metabolizados

por los microorganismos, por lo cual pueden ser considerados como una fuente de

carbono adicional.

Nivel de agitación

Son comunes los rotámetros los cuales determinan las revoluciones por minuto

mediante mecanismos de inducción, generación de voltaje, sensores de luz o

fuerzas magnéticas (tacómetros eléctricos). Éstos permiten una medición directa

de las señales para alimentar los instrumentos registradores o controladores de

panel. El tacómetro eléctrico se emplea un transductor que produce una señal

analógica o digital como conversión de la velocidad de giro de la máquina.



Flujo de aire

En fermentaciones aerobias el aire es transportado a través del fermentador para

suministrar oxígeno y también para remover CO2, lo cual de otro modo podría

afectar la actividad enzimática. En reactores de columna de burbujeo, promueve la

mezcla del medio de cultivo. Normalmente las velocidades de flujo de aire se

encuentran en el rango de 0.5-1.5 vvm (volúmenes de air por volumen de reactor

por minuto.

La medición de flujo de gas, incluye el suministro de aire al fermentador, para la

toma de muestras de gas para el análisis y para el suministro de gas de amoniaco

en el control de pH. Los instrumentos más usados para la medición de flujo son los

rotámetros u los medidores térmicos de flujo de masa. En los rotámetros la

velocidad de flujo e determina por medio de un flotador que se mueve libremente

en el interior de un tubo graduado, creciente y montado verticalmente.

Los medidores de flujo de aire másico determinan el flujo de gas detectando las

diferencias de temperatura a lo largo de un dispositivo calefactor colocado en el

paso del gas.

Figura 4.6Tacómetro Ilustración 7Figura 4.5 Sensor de

medición de oxígeno disuelto



El principio de este medidor de flujo radica en que el calor transferido es

directamente proporcional a la cantidad del flujo másico.

Figura 4.7 Rotámetro Ilustración 8Figura 4.6 Rotámetro

Medidor de nivel

Los indicadores de nivel pueden ser de nivel de vidrio y medidores de presión

diferencial. En los indicadores de nivel de vidrio se instala en forma de que el

líquido se comunique con el indicador de vidrio paralelo al reactor. En los

medidores de presión diferencial, una celda de presión diferencial se puede usar

como transmisor de nivel, ya que el nivel del líquido se refleja como una

presión equivalente a la altura del líquido asociado con la densidad de este.

Otra forma de conocer el nivel del líquido, es por medio de un sensor del nivel del

líquido, que mide la capacidad del condensador formado por un electrodo

sumergido en el líquido y en las paredes del tanque. La capacitancia registrada

depende linealmente del nivel del líquido.



Presión

Las variaciones excesivas de presión no solo pueden provocar pérdidas de

producto sino que también daño a l equipo y al personal de operación. El

biorreactor suele someterse a presiones de esterilización con el fin de prevenir

posibles riesgos de contaminación por residuos remanentes.

Algunas veces el medio de cultivo se esteriliza en el interior del birreactor, por lo

cual es indispensable el control de la presión, con el fin de evitar el deterioro de los

componentes del medio de cultivo. Para el control de la presión suelen usarse

manómetros de presión o de Bourdon.

Figura 4.8 Medidor de Nivel Ilustración 9Figura 4.6 Rotámetro



Análisis del gas de salida

El gas que abandona el reactor contiene diversos tipos de gases, dependiendo del

tipo de reacción. En reacciones biológicas, los principales gases presentes en el

gas de salida con CO2 y O2. La determinación de las concentraciones de estos

gases es un indicativo de la actividad metabólica presente en el interior del reactor

durante la reacción. La diferencia del contenido de oxígeno a la entrada en la

corriente de salida es igual a la cantidad de oxígeno transferido al sistema.

El contenido de oxígeno se puede determinar por medio de analizadores de gas

de tipo paramagnéticos. Los analizadores más populares son los de viento

magnético (termomagnético) y el de deflexión (magnetodinámico). Las moléculas

paramagnéticas tales como el oxígeno presentan electrones no apareados los

cuales giran alrededor del núcleo. Cuando un flujo magnético es aplicado, los

átomos tienen a orientarse en la dirección del campo.

Figura 4.9 Medidor de Presión



La medición de CO2 se puede realizar con analizadores de infrarrojos, los cuales

consisten en una fuente de luz, una sección óptica y el sensor principal.

Espectrómetros de masa

Se basan en la separación de las moléculas ionizadas en el vacío. La separación

basada en la relación de masa a carga se consigue en instrumentos magnéticos o

de cuadrapolo. Potencialmente los espectrómetros de masas pueden ser

utilizados tanto para el análisis continuo de gases en línea como de líquidos. Para

el análisis de líquidos, una sonda que soporte una fuerte membrana permeable, se

inserta en el caldo de fermentación y las sustancias disueltas como el O2 y el CO2

y cualquier líquido de suficiente volatilidad son arrastradas fuera de la solución

aplicando vació.

Los espectrómetros de masas pueden ser utilizados para el análisis

simultáneamente de cualquier componente de la fase gaseosa; sin embargo en las

fermentaciones está restringido tradicionalmente a oxígeno y bióxido de carbono

como un sofisticado analizador de gases.

Figura 4.10 Analizador de Gases Ilustración 10Figura 4.9 Analizador de Gases



La principal desventaja del espectrómetro de masas es su elevado consto,

alrededor de diez veces más que la de cualquier analizador de gas.

Pero el espectrómetro de masas es más versátil, ya que puede medir también

N2, NH3, metanol y etanol simultáneamente, así como dar información cuantitativa

y cualitativa sobre el intercambio de O2 y CO2. Mediante el uso de membranas

permeables a los gases es posible medir los gases disueltos en el medio nutritivo.

Se han desarrollado instrumentos que analizan hasta 8 gases simultáneamente en

la fermentación.

Figura 4.11 Espectrómetro de masas Ilustración 11Figura 4.10 Espectrómetro de masas



CONCLUSIÓN

En un biorreactor es donde se realiza el proceso en donde provee los servicios

necesarios para los cultivos y hace referencia su modo de operación ya se de

forma continua o discontinua. En todo proceso se requiere la esterilización de los

equipos a utilizar, para así evitar que haya contaminación hacia mis medios. En

donde la esterilización consiste en la eliminación o destrucción de todos los

microorganismos presentes en el medio. La esterilización puede hacerse mediante

calor húmedo o a través de una filtración.

Un buen manejo de los biorreactores depende de gran parte de su

instrumentación y control, que estas a su ves son ayudados por sensores que

ayudan a encontrar las variables dentro de un proceso fermentativo. Dentro de los

sensores físicos podemos encontrar lo que son la temperatura, presión,

viscosidad, etc. Dentro de los sensores químicos son el pH, la fuerza iónica



BIBLIOGRAFÍA

G:\Instrumentación y control del proceso for Bases de Microbiología

Industrial.mht.

G:\Esterilización.mht.

G:\Pagina nueva 5.htm