Instituto Tecnológico de Durango.
Ingeniería Bioquímica.
Biorreactores.
Informe unidad ii
Cabral Salazar María Graciela. 11040730 7°F Dr. Nicolás óscar soto cruz viernes 17 de octubre octubre del del 2014.
Biorreactores. Función y características generales. 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 las reacciones 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 varían con el tiempo y presentar patrones cinéticos y de flujo muy complejos. Además, los procesos de la transferencia de masa y calor añaden complejidad al problema. Un biorreactor es un recipiente en el cual se llevan a cabo reacciones catalizadas por enzimas o células, libres o inmovilizadas, junto con los mezcladores equipos de toma de muestra y aparatos de control. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico, estos biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mm hasta 3 y son usualmente fabricados en acero inoxidable. Este sistema también puede incluir una cámara de carga y nivelación del agua residual antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el biogás y cámaras de presión hidrostática y pos tratamiento (filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida del reactor. Hay muchos tipos de plantas de biogás pero los más comunes son el domo flotante y el domo fijo. La baja aceptación de muchos de estos biorreactores ha sido principalmente debida a los costos altos, la dificultad de instalación y problemas en la consecución de las partes y repuestos. -Utilizado en procesos industriales de producción de medicamentos, enzimas o commodities. - Provee un ambiente óptimo para el crecimiento celular y la productividad asegurando el control de distintos parámetros tales como temperatura, pH, etc. Funcionamiento La función principal de un biorreactor es la de proveer un medio controlado para alcanzar el crecimiento y la formación de productos óptimos.
.Su funcionamiento depende básicamente de: -
La concentración de biomasa.
-
Mantenimiento de condiciones estériles.
-
Agitación efectiva.
-
Eliminación de calor.
-
Creación de las condiciones correctas de corte.
La actividad metabólica involucrada en el proceso se ve afectada por diversos factores. Debido a que cada grupo de bacterias intervinientes en las distintas etapas del proceso responde en forma diferencial a esos cambios, no es posible dar valores cualitativos sobre el grado que afecta cada uno de ellos a la producción de productos en forma precisa. Entre los factores más importantes a tenerse en cuenta se desarrollarán los siguientes:
Tipo de sustrato (nutrientes disponibles).
Temperatura del sustrato; la carga volumétrica.
Tiempo de retención.
Nivel de acidez (pH).
Relación C/N.
Concentración del sustrato; el agregado de inoculantes.
Grado de mezclado.
Presencia de compuestos inhibidores del proceso.
El biorreactor ideal debe: -
Mantener las células uniformemente distribuidas en el volumen de cultivo.
-
Mantener constante y homogénea la temperatura.
-
Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
-
Mantener el cultivo puro.
-
Mantener un ambiente aséptico.
-
Maximizar el rendimiento de producción.
-
Minimizar el gasto y costo de producción.
-
Reducir al máximo el tiempo de proceso.
Es importante debido a esto tener en cuenta muchas factores para obtener un biorreactor que cumpla la función que nosotros deseemos de una manera óptima, aprovechando todo lo posible disminuyendo el tiempo del proceso o el volumen necesario para un sistema.
Tipos de biorreactores y modos de operación. Se utilizan tres grupos de biorreactores en la industria. -
No agitados sin aireación 86%.
-
No agitados con aireación 11%.
-
Agitados con aireación 13%
Clasificación de los biorreactores. 1.- Por su forma y tipo de agitación: a) Agitación mecánica: utilizada en equipos mecánicos. b) Agitación neumática: utilizan gas a presión. -
Biorreactor de tanque con agitación mecánica.
-
Biorreactor de columna de burbujas.
-
Biorreactor de elevación con aire.
-
Biorreactor de lecho empaquetado.
-
Biorreactores de lechos fluidizados.
-
Biorreactores con lecho de goteo.
Biorreactor de tanque con agitación mecánica.
o
Es el más utilizado en la industria por
tener
bajos
costos
de
operación. o
Son de acero inoxidable >20 l.
o
Poseen rodetes (agitadores).
o
Se utilizan solo al 70-80% de su capacidad para dar espacio a espuma.
o
La relación altura y diámetro es variable aunque la más barata es de 1.
o
El enfriamiento se da por medio de serpentines internos.
o
Se utilizan en reacciones con enzimas libres e inmovilizadas así como para cultivo de células en suspensión e inmovilizadas.
Biorreactor de columna de burbujas.
o
La agitación, aireación y mezcla se logran por medio de inyección de gas con un difusor.
o
Son cilíndricos con alturas dobles al diámetro.
o
No presentan estructuras internas.
o
Son baratos, no tienen partes móviles y tiene un adecuado rendimiento en la transferencia de materia y transmisión de calor.
o
Se utilizan para la producción de levadura, cerveza, vinagre y tratamiento de aguas residuales.
Biorreactor de elevación con aire.
o
Su rasgo característico es que las corrientes de flujo (ascendente y descendente) líquido están separadas.
o
El gas se inyecta por el riser y baja a través del down comer por diferencia de densidad.
o
Hay reactores de bucle interno y bucle externo (es el más efectivo).
o
Se utilizan en producción de proteína unicelular a partir de metanol y gasoil, cultivo de células, tratamiento de aguas.
o
Relación altura-diámetro 10:1
Biorreactor de lecho empaquetado.
o
Se utilizan con biocatalizadores inmovilizados o en forma de partículas.
o
Son tubos verticales rellenos empaquetados con partículas de catalizador.
o
El medio se alimenta por la parte superior o inferior y se recircula.
o
Tienen pantallas a la salida para evitar la salida de partículas.
o
La agitación y aereamiento se hace en un recipiente separado.
o
Se utilizan con células y enzimas inmovilizadas para producir el espartato y fumarato.
Biorreactores de lechos fluidizados.
o
Los catalizadores empaquetados se mantienen en suspensión por el movimiento ascendente del líquido impulsado por gas.
o
El medio es recirculado.
o
Se utiliza en el tratamiento de residuos con arena o material similar que soporta las mezclas de poblaciones microbianas. También pueden utilizarse con organismos floculantes en la fabricación de cerveza y vinagre.
o
Es una modificación del biorreactor del lecho empaquetado.
Biorreactores con lecho de goteo.
o
El líquido se rocía como spray sobre la parte superior del empaquetamiento y las gotas descienden a través del lecho en forma de pequeñas corrientes.
o
El aire o gas se introduce por la base y sube con facilidad ya que la fase líquida no es continúa a través de la columna.
o
Se utilizan para tratamiento aerobio de aguas residuales.
o
Es una modificación del biorreactor de lecho empaquetado
2.- Según la fase contenida: a) Homogéneos. Las células (o enzimas) permanecen en suspensión en el medio de cultivo durante todo el proceso. b) Heterogéneos. Las células (o enzimas) están unidas a una fase sólida en contacto eco el medio de cultivo. 3.- Según el trascurso de la reacción: a) Continua. b) Discontinua. Procesos en Batch. c) Semicontinuos. Procesos en Batch alimentados.
Batch: El crecimiento de microorganismos en batch se refiere a que las células se cultivan en un recipiente con una concentración inicial, sin que esta sea alterada por nutrientes adicionales o el lavado, por lo que el volumen permanece constante y sólo las condiciones ambientales del medio (pH, temperatura, la velocidad de agitación, etc.) son controladas por el operador. El proceso finaliza cuando todo el substrato es consumido por la biomasa. Esta forma de cultivo es simple y se utiliza extensamente tanto en el laboratorio como a escala industrial. Inoculación y carga de todos los nutrimentos y sustratos al mismo tiempo y hasta su consumo total. =
Batch alimentados: En un cultivo semicontinuo o fed-batch, los nutrientes son alimentados al biorreactor de forma continua o semicontinua, mientras que no hay efluente en el sistema. Según sea el objetivo de la operación, la adición intermitente del sustrato mejora la productividad de la fermentación manteniendo baja la concentración del substrato. Un proceso de este tipo está restringido por la capacidad volumétrica del reactor. Por lotes de alimentación intermitente: Varios esquemas volumen – tiempo y velocidades de alimentación.
= + .
Por lotes extendidos: La concentración del sustrato ( ), permanece constante.
=0
Continuo: Un cultivo continuo consiste en alimentar nutrientes y retirar productos continuamente de un biorreactor. Bajo ciertas condiciones el cultivo puede alcanzar un estado estacionario, donde no existe variación con el tiempo del volumen del biorreactor. De esta manera se puede utilizar para producir sustancias biológicas a condiciones óptimas y para estudios fisiológicos. Los tipos de biorreactores para cultivo continuo son los de Tipo Tanque Completamente Agitado (CSTR) que comprenden al quimiostato y al turbidostato y el de Tipo Tubo con Flujo Tapón (PFR de sus siglas en inglés). Con flujos de entrada y de salida del medio de reacción. El reactor se denomina quimiostato, en aquellos casos en los cuales la densidad celular y la concentración permanecen constantes. Antes del estado estacionario.
= ( − ) +
En estado estacionario. − =
( − ).
4.- Según la extensión de la mezcla alcanzada: a) Discontinuo de mezcla completa. b) Continuo de mezcla completa. c) De flujo de pistón. d) De lecho fluidizo. Principios en el diseño de biorreactores.
a) Discontinuo de mezcla completa. - Variación de forma continúa. - Constante a través del reactor. - Empleo de enzimas solubles. - Volumen pequeño de producción. Desventajas: Cambios en las condiciones de operación. Grado de mezcla en reactores a gran escala. b) Continuo de mezcla completa. - Composición uniforme. - Versátiles y baratos. - Facilidad de control de pH, temperatura, etc. Desventajas: Gasto energético elevado. c) De flojo en pistón. - Invariable a lo largo del tiempo - Varía a través del reactor. - Células o enzimas libres (inoculación). - Células o enzimas inmovilizadas. Ventajas: Más eficaces que los de mezcla completa. Simples y fáciles de manejar y automatizar.
d) De lecho fluidizado. - Fluidización: Winkler (1921). - De lecho fluido o turbulento. - Biocatalizador en suspensión. - Flujo de sustrato. Ventajas: Buen control de temperatura, pH, gas, etc. Gran área de interacción. Facilidad de hacer trabajo en continuo. Desventajas: Técnica de trabajo cara (tamaño de partícula). Anomalías producidas en el lecho fluido.
Hay una gran cantidad de biorreactores y se debe elegir el que mejor convenga para el uso que le demos sabiendo cual es el reactor que nos conviene mas podemos ahora si elegir un tipo y adaptarlo y diseñarlo a nuestras necesidades.
Diseño de biorreactores. La magnitud del flujo del biorreactor en combinación con los factores de diseño como la porosidad del medio y el volumen de flujo del biorreactor dictan el tiempo de estancia en el reactor. Los tiempos de estancia muy cortos suelen no ser suficientes para reducir la cantidad del oxígeno disuelto en el agua entrante a un nivel que da lugar al proceso de desnitrificación mientras que los tiempos de estancia muy prolongados serían ideales para la remoción de NO3 pero también darían lugar a las condiciones del potencial de reducción de la oxidación (ORP) indicativas de procesos no deseables como la reducción del sulfato (Blowes et al., 1994; Robertson and Cherry, 1995; Robertson and Merkley, 2009; Van Driel et al., 2006b) y la metilación del mercurio (Hudson and Cooke, 2011). El diseño de biorreactores debe ser tal que asegure homogeneidad entre los componentes del sistema y condiciones óptimas para el crecimiento microbiano y la obtención del producto deseado. Es importante tomar en cuenta los problemas de transferencia de calor y oxígeno sobre la cama de sustrato, los cuales dependen de las características de la matriz que se este utilizando para la fermentación, siendo éste, uno los principales factores que afectan el diseño y las estrategias de control. Los criterios más importantes para el diseño de un biorreactor pueden resumirse del siguiente modo dependiendo del tipo de biorreactor y la fermentación a utilizar (Mitchell et al., 1992):
El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante numerosos días, para evitar la aparición de contaminantes en las operaciones de bioprocesos de larga duración.
Debe permitir una mayor área de contacto entre las fases biótica y abiótica del sistema, es decir, se debe proporcionar un sistema adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades metabólicas de los microorganismos.
El consumo de energía debe de ser el mínimo posible.
Entradas para la adición de nutrientes y el control de pH.
El crecimiento microbiano es generalmente exotérmico, por lo que, el biorreactor debe facilitar la transferencia de calor, del medio hacia las células y viceversa, a medida que se produce el crecimiento celular, además de mantener estable la temperatura deseada.
Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
Suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo.
El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente inoculado con el microorganismo deseado.
Los biorreactores más utilizados a nivel industrial están provistos de mecanismos de agitación, dispersión y aireación así como de sistemas para el control de la temperatura, pH. Los biorreactores deben ser optimizados para obtener la máxima concentración de productos de la fermentación, como lo son la biomasa microbiana y/o metabolitos en un tiempo mínimo y a menor costo de producción. Tiempos de Retención: Este parámetro sólo puede ser claramente definido en los “sistemas discontinuos o batch” donde el TR c oincide con el tiempo de permanencia del sustrato dentro del
digestor. En los digestores continuos y semicontinuos el tiempo de retención se define como el valor en días del cociente entre el volumen del digestor y el volumen de carga diaria. De acuerdo al diseño del reactor, el mezclado y la forma de extracción de los efluentes pueden existir variables diferencias entre los tiempos de retención de líquidos y sólidos debido a lo cual suelen determinarse ambos valores. El TR está íntimamente ligado con dos factores: el tipo de sustrato y la temperatura del mismo. La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de retención requeridos y consecuentemente serán menores los volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de material.
La relación costo beneficio es el factor que finalmente determinará la optimización entre la temperatura y el TR, ya varían los volúmenes, los sistemas paralelos de control, la calefacción y la eficiencia. Velocidad de Carga Volumétrica: Con este término se designa al volumen de sustrato orgánico cargado diariamente al digestor. Este valor tiene una relación de tipo inversa con el tiempo de retención, dado que a medida que se incrementa la carga volumétrica disminuye el (TR). Un factor importante a tener en cuenta en este parámetro es la dilución utilizada, debido a que una misma cantidad de material biodegradable podrá ser cargado con diferentes volúmenes de agua. Relación (C/N): El desarrollo de los microbios que se encargan de la descomposición de los residuos orgánicos, necesitan de ciertas cantidades de C y N. El carbono lo utilizan como fuentede energía y el nitrógeno en su propia estructura celular. La caracterización matemática de los parámetros cinéticos es difícil porque depende generalmente de numerosas condiciones extracelulares físicas (temperatura, pH, homogeneidad del medio de cultivo,...) y químicas (concentración de sustrato en el reactor, naturaleza de las fuentes, ...). Por ejemplo, el comportamiento del crecimiento microbiano y de la formación de producto esta influenciado por condiciones ambientales tales como la temperatura, pH y la concentración de oxígeno disuelto. Como podemos ver, hay varios factores influyen considerablemente en la tasa de crecimiento, y tener una expresión matemática que la modele resulta difícil. Bajo estas circunstancias. la modelación de los procesos biotecnológicos se realiza considerando condiciones ambientales fijas de valores óptimos obtenidos experimentalmente, de tal forma que la elección de un modelo para la tasa de crecimiento debe justificarse empíricamente , además de que debe reflejar los efectos del sustrato, productos y biomasa sobre la cinética de crecimiento. Por lo tanto, la adecuación de un modelo es un problema de mucha importancia.
Referencias Ruíz-Leza, H., Rodríguez-Jasso , R., Rodríguez-Herrera, R., Contreras-Esquivel, J., & Aguilar, C. (2007). Diseño de biorreactores para fermentación en medio sólido. Revista Mexicana de Ingeniría Química., 40. LARA GUILCAPI, E. S., & HIDALGO CHIMBORAZO, M. B. (2011). DISEÑO DE UN BIORREACTOR Y
CONDUCCIÓN DEL BIOGÁS GENERADO POR LAS EXCRETAS DE GANADO VACUNO. Obtenido de http://dspace.espoch.edu.ec: http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/1652/1/236T0056.pdf Moreno Grau, S., & Bayo Bernal, J. (1996). Diseño de biorreactores y enzimología. España: Universidad de Murcia. Paz Astudillo, I. C. (2010). Diseño integral de biorreactores continuos de tanque agitado aplicados a procesos de fermentación. Obtenido de http://www.bdigital.unal.edu.co: http://www.bdigital.unal.edu.co/2356/1/isabelcristinapazastudillo.2009.pdf
