UNIVERSIDAD DE AMÉRICA INGENIERIA QUÍMICA - BIOPROCESOS
Análisis de Biorreact Biorreactores ores
CRISTIAN YAIR HERNANDEZ
Que es un un biorreactor Un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra microorganismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aerobio o anaerobio. Los biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable.
Biorreactores El biorreactor es el centro de todo el procesamiento bioquímico. Combinando nuestro conocimiento de la cinética de las reacciones bioquímicas con balances de materia se puede en principio analizar y diseñar el comportamiento de un biorreactor.
Biorreactores En esta sección de estudio solo vamos a considerar el modo de operación de biorreactores biorreactores ideales: •
Biorreactor continuo de mezcla perfecta.
•
Biorreactor discontinuo, discontinuo, Batch o por lotes.
•
•
Biorreactor en semicontinuo.
lote
Biorreactor flujo pisto pi ston. n.
alimentado
o
Biorreactores
Operación por lotes de reactores perfectamente agitados El proceso discontinuo opera en sistemas cerrados. El sustrato se agrega al inicio y los productos se remueven solo al final. Si no hay fugas o evaporación del tanque el volumen del líquido puede considerarse constante.
Balance de Materia reactor discontinuo
á á á ó á
Balance de biomasa en reactor discontinuo
Balance de sustrato en reactor discontinuo
Balance de sustrato en reactor discontinuo
Balance de producto en reactor discontinuo
Ejercicios
Ejercicios
Tiempo total para un ciclo de en un biorreactor discontinuo
Biorreactor en continuo perfectamente agitado Los biorreactores que operan en continuo y están perfectamente agitados, pueden ser representados mediante el esquema que se encuentra al lado.
Balance de biomasa en reactor continuo
Balance de sustrato en reactor continuo
Balance de producto en reactor continuo
Productividad de Biomasa
Productividad de Biomasa La velocidad de producción de biomasa en un biorreactor en continuo es igual a la velocidad a la cual las células salen de este, entonces la velocidad volumétrica es igual a este parámetro dividido entre el volumen del reactor, de esta manera la productividad se expresa mediante la siguiente relación:
Productividad de Biomasa
Ejercicios
Ejercicios
Operación Fed-Batch En la operación fed-Bach, se realiza una alimentación continua o por pulsos del medio de cultivo para suplementar en biorreactor y hacer un control sobre la concentración de sustrato. Esto con el fin de trabajar a concentraciones bajas de sustrato. El uso del reactor fed-Bacth, es ampliamente utilizado en la producción de levadura y penicilina.
Balance reactor fed-Bacth
Balance células reactor fed-Bacth
Balance sustrato reactor fed-Batch
Balances totales de biomasa y producto en un reactor fed-Bacht La cantidad de biomasa total en el biorreactor es igual a = ∗ . integrando = + La concentración de biomasa a cualquier tiempo es igual a = /
Balances totales de biomasa y producto en un reactor fed-Bacht
=
=
= ( +)
+ +
2
=
= ( +)
+
+
2
Ejercicio En un cultivo semi-continuo que opera con una adición de solución de glucosa intermitente se establecen los siguientes parámetros para un tiempo de 2 horas de trabajo, cuando el sistema esta en estado casi estacionario. V= 1000 ml; F= dv/dt = 200 ml/h; = 100 g glucosa/l; = 0,3ℎ− ; = 0,1 g glucosa/l; / = 0,5 g células/g de glucosa; = 30 g. a) Calcular el volumen inicial del cultivo b) Determinar la concentración y la cantidad total de biomasa en el tanque para un tiempo de 2 h en el estado casi estacionario. c) Si es igual a 0,2 g producto/gramos de biomasa*h, P=0, determinar la concentración de producto en el reactor a 2 h.
Operación de quimiostato con reciclo celular La concentración celular puede ser incrementada en un quimiostato mediante la recirculación de biomasa. Con mas catalizador presente en el reactor, se pueden obtener mayores velocidades de consumo de sustrato y formación de producto. La dilución critica del lavado se aumenta también permitiendo una mayor flexibilidad en la operación del biorreactor. La principal aplicación es en el tratamiento de aguas.
Operación de quimiostato con reciclo celular
X1, S v
Balance de células quimiostato con reciclo
where µ=µnet=µg-kd
Un quimiostato puede operar a velocidades de dilución mas altas que la velocidad específica de crecimiento cuando hay recirculación de céluas.
Balance de células quimiostato con reciclo
Balance de células quimiostato con reciclo FS 0 FS V g X 1
1 M
Y X / S
(1 ) FS V
dS dt
At steady state, dS/dt 0, X1
D g
M
Y X / S ( S 0 S )
S
Since g [1 (1 C )] D, M
X1
Y X / S ( S 0 S ) 1 C
K s D(1 C ) m D(1 C )
M
, X1
Y X / S [1 (1 C )]
[ S 0
K s D(1 C ) m
D(1 C )
]
Balance de materia en el concentrador
X1, S v
(1 ) FX 1
FX 2 FCX 1
Ejercicio En un quimiostato con recirculación de células el flujo de alimentación y el volumen son F = 100 ml y V = 1000 ml, respectivamente. El sistema es operado bajo condiciones limitantes de glucosa. El coeficiente de rendimiento de biomasa con respecto al sustrato es 0,5 g celulas/g sustrato consumido. La concentración de glucosa en la alimentación es 10 g/l. Las constantes cinéticas del microorganismo es = 0,2 ℎ− , = 1 . El Valor C = 1,5 y la proporción de reciclo = 0,7. El sistema trabaja en estado estacionario. a) b) c) d)
Calcule la concentración de sustrato a la salida del reactor. Calcule la velocidad específica de crecimiento . Calcula la concentración de biomasa a la salida del reactor Calcule la concentración de biomasa en el efluente ( )
Quimiostato de múltiples etapas La unión de dos o mas reactores en continuo produce un proceso de múltiples etapas, en las cuales las condiciones de pH, temperatura y composición del medio pueden variar en cada reactor. Un ejemplo de la aplicación de esta forma de operación es en la producción de proteínas recombinantes y muchos otros metabolitos no acoplados directamente al metabolismo energético.
Quimiostato de múltiples etapas
Balances quimiostato de múltiples etapas Balance de componentes de la primera etapa.
Balances quimiostato de múltiples etapas Balance de componentes de la segunda etapa. FX 1
Cell mass:
At steady state
Limiting substrate:
At steady state
2
FX
2
D2 (1
S 2
S 1
2 X 2
X 1 X 2
FS 1 FS 2 V 2
2 X 2
Y
2 X 2 M
D Y
2
dt
where D 2
)
M X / S
V
dX 2
V
F
q p X 2 Y P / S
q p X 2 D Y
V2
V 2
dS 2 dt
Balances quimiostato de múltiples etapas Balance de componentes de la segunda etapa.
Product:
At steady state
FP 1 FP 2 V 2 q p X 2
P 2
P 1
q p X 2 D2
V 2
dP 2 dt
Balances quimiostato de múltiples etapas Balance de componentes de la etapa n.
n
Dn (1
X n
1
X n
P n
)
S n
P n
1
S n
1
n X n M n X / S
D Y
q p X n DnY P / S
q p X n Dn
Si μn (modelo de monod) and q p son funciones conocidas, X n , Pn, and Sn en la etapa n pueden ser determinadas mediante las ecuaciones anteriores.
Balances quimiostato de múltiples etapas Cuando las cinéticas de crecimiento no pueden ser expresadas analíticamente, utilizamos la metodología gráfica y datos de un cultivo por lotes para determinar los parámetros (X,S,P), en cada etapa. Haciendo Balance de componentes de la etapa n. FX n 1
at steady state
dX n dt
FX n n X nV n
0,
r x , n ( X x , S n ) Dn ( X n X n 1)
V n
n X n
dX n dt
Dn ( X n
( X n
X n 1)
r x
n
1
X n )
( X n
X n 1)
dX dt
Balances quimiostato de múltiples etapas FP n
1
FP n r p ,nV n
V n
dP n
dt dS n FS n 1 FS n r s ,nV n V n dt
at steady state
r p ,n ( X x , S n ) r s , n ( X x , S n )
Dn ( P n
Dn ( S n
P n 1 )
S n
)
1
( P n P n 1 )
r p ,n
( S n
S n 1)
r s , n
( P n P n 1 ) dP dt
( S n
S n 1)
dS dt
Balances quimiostato de múltiples etapas
