BIORREACTORES Y CAMBIO DE ESCALA BIORREACTORES Los biorreactores son recipientes donde se realizan las reac ciones bioquímicas, en los que se crean técnicamente las condiciones óptimas (temperatura, pH, sustrato, sales y oxígeno) para el cultivo y multiplicación de microorganismos, para la formación de productos óptimos. La función principal de un biorreactor es la de proporcionar un medio ambiente controlado que permita el crecimiento eficaz de las células y la formación del producto. OBJETIVOS PARA EL USO DE UN BIORREACTOR
El objetivo para el uso de un biorreactor es la producción industrial de células o de microorganismos, los que se resumen en los siguientes propósitos: Producir las mismas células o microorganismos (biomasa) en gran escala. Producir en gran escala compuestos (intracelulares o extracelulares) resultantes del crecimiento celular (metabolitos primarios y secundarios). Producir enzimas industriales. Tratamiento de aguas residuales. Entre los metabolitos primarios están: ácido acético, acetona, alcohol, ácidos orgánicos, aminoácidos, vitaminas y polisacáridos y entre los metabolitos secundarios están, principalmente, los antibióticos. antibióticos.
Características que debe reunir un biorreactor
Calidad de mezclado, tiempo de mezcla y patrones de flujo que beneficien la distribución de la materia prima en el biorreactor y la conversión conve rsión a producto. Altas velocidades de transferencia de masa, momento y calor, con un bajo costo o económicamente rentable. Factibilidad técnica y económica en la construcción de unidades de gran volumen. Bajos costos de operación y mantenimiento. Operación aséptica.
Requisitos que debe poseer un biorreactor
Sistema de Mezclado: - Debe mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo a fin de prevenir la sedimentación o la flotación - Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes. Sistema de Termostatización: - Debe mantener constante y homogénea la temperatura.
Sistema de Oxigenación: - Debe suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo. Sistema de Esterilidad: - El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro (acero pulido para reactores de más de 100 l o de vidrio para menor volumen). Fácil de limpiar y esterilizar (por calor húmedo preferentemente) Mantener la asepsia durante el transcurso del cultivo (filtros de aire)
Sistema de Control y Automatización: - Debe garantizar las condiciones estables de pH, O2. Agitación y temperatura como mínimo, también puede controlarse el volumen por medio de la alimentación, nivel de espuma, etc.
Diseño de biorreactores Una de las tareas del Ingeniero cuando cuand o está frente a una serie de operaciones que transforman ciertos insumos o materias primas mediante procesos físicos y químicos consiste en el dimensionamiento de los equipos correspondientes. En las transformaciones bioquímicas de la materia, el corazón del
proceso es el biorreactor, ello debido a que su comportamiento condiciona las operaciones de acondicionamiento y separación
Procedimiento general de diseño de un biorreactor
Selección de una cepa: medio nutriente, pH, temperatura, aerobio, anaerobio, contaminación. Modelización: selección de la configuración del biorreactor. Determinación de dimensiones y condiciones de operación. Dimensionado de la superficie de transmisión de calor y de los dispositivos de mezclado. Necesidades de potencia y aireación. Diseño mecánico: selección de materiales y dispositivos para el mantenimien to de condiciones asépticas, control y factores de seguridad.
Operaciones realizadas por los biorreactores Las operaciones realizadas por los biorreactores son las siguientes: Homogenización: para mantener temperatura y distribución de concentración uniformes. Mezcla sólido/líquido: para mantener una suspensión con una distribución de sólidos uniforme. Procesos líquido/líquido: para dispersar una fase en otra, formar emulsiones y realizar extracciones. Procesos gaseoso/líquido: para dispersar el gas en los líquidos, airear el líquido. Intercambio de calor .
Diseño de un biorreactor Básicamente un biorreactor comprende un recipiente o tanque con agitación con las enzimas o células inmovilizadas, una vía de entrada para sustrato y otra de salida para el producto.
TIPOS DE BIORREACTORES Clasificación general de biorreactores
Tanques agitados Columnas de burbujeo De circulación (Tiro de aire o Air – lift) Lechos empacados Lechos fluidizados Lechos de goteo
Biorreactores de acuerdo al modo de operación: De acuerdo a la forma de operación de los biorreactores se pueden clasificar como: Discontinuo: Biorreactor de Lote (Batch) Discontinuo alimentado: Biorreactor de Lote Alimentado (Feed-Bach) Continuo: Biorreactor continuo Los modos de operación por lote, son modos discontinuos de operación, e l modo lote es comúnmente llamado discontinuo, mientras que el modo lote alimentado se conoce como discontinuo alimentado a intervalos. Biorreactores de acuerdo al modelo hidráulico: Biorreactores de flujo en pistón Biorreactores de mezcla completa
Diferencia entre biorreactores de Agitación Mecánica y Neumática
BIORREACTORES ENZIMÁTICOS El uso de enzimas se refiere a su aplicación como biocatalizadores de proceso. Desde el punto de vista cuantitativo, el uso masivo de enzimas hidrolíticas en procesos degradativos continúa representando el mayor aporte de las enzimas en la industria de procesos. Por tratarse de procesos con un valo r agregado más reducido, la optimización de la operación del biorreactor resulta fundamental para su factibilidad. Ello implica un riguroso diseño y operación bajo condiciones controladas y optimizadas. Fundamentos de diseño
En el diseño y selección de un biorreactor enzimático deberán considerarse como aspectos esenciales: La naturaleza del biocatalizador (enzimático o celular, libre o inmovilizado) La cinética de la reacción (unisustrato, multisustrato, reversible o irreversible, con o sin inhibición, sujeta o no a alimentaciones por transferencia de masa) La naturaleza de sustratos y productos de la reacción (solubles, insolubles, de alto o bajo peso molecular) Las propiedades del biocatalizador (actividad específica, densidad, tamaño de partícula) Los requerimientos de control (de variables operacionales como pH, temperatura, presión, fuerza iónica, esterilidad).
BIORREACTORES NO CONVENCIONALES Son biorreactores particularmente adaptados a incrementar la eficacia de los procesos de fermentación. Aunque en la mayor parte de los procesos industriales el dispositivo generalmente empleado es el de tanque agitado en operación discontinua (RDTA), algunos de los cuales se encuentran ya implementados a escala industrial. Otros, sin e mbargo, deben ser propuestos de acuerdo al tipo de producto que se desee obtener y determinar su viabilidad comercial. Biorreactores No convencionales de alta eficacia Un biorreactor de alta eficacia es aquél que logre mejorar sustancialmente la operación de un de terminado proceso, algunos de estos biorreactores son:
1. Biorreactores de Lecho Fijo
En estos biorreactores se implementa un sistema de retención, frecuentemente adhesión o inclusión, que permite aumentar notablemente la concentración enzimática o celular en el sistema, pretendiéndose con ello lograr una
mayor capacidad transformadora. Cuando el sistema opera en continuo, se evita de este modo, el lavado de los microorganismos o enzimas. 2.
Biorreactores Pulsantes Los sistemas pulsantes han sido aplicados en diferentes procesos biotecnológicos, tanto en el campo de la producción de metabolitos por fermentación y en reactores enzimáticos como en el tratamiento anaerobio de aguas residuales. Aunque el objetivo buscado no es siempre el mismo, en general, su aplicación pretende incrementar la velocidad de transferencia de materia en los equipos, por aumento de la turbulencia o favoreciendo el contacto entre fases.
3.
Biorreactores agitados por fluidos Los biorreactores en lecho fluidizado suministran al sistema energía de agitación por la inyección o recirculación de una fase fluida, lo cual minimiza los esfuerzos cortantes de modo que el biocatalizador no sufre daño.
4.
Biorreactores o fermentadores de membrana En los biorreactores de membrana se acoplan membranas semipermeables a los biorreactores para favorecer la retención celular, suministrar gases o separar productos. Las membranas pueden ser útiles en sistemas de fermentación en diferentes aplicaciones: retención o inmovilización celular, suministro de oxígeno al medio de cultivo, separación de productos. 5. Fotobiorreactores Los fotobiorreactores incorporan dispositivos para suministrar energía en forma de luz, resultando de interés cuando se utilizan microorganismos fotosintéticos. Los organismos fotosintéticos (bacterias fotosintéticas, cianobacterias y micro algas rojas, verdes o marrones) pueden transformar el CO en macromoléculas constitutivas de la biomasa, mediante la 2
utilización de una fuente de energía luminosa y un compuesto dador de electrones (H O, H S, 2
2
compuestos orgánicos sencillos).
FOTOBIORREACTORES Durante la década pasada se han usado múltiples diseños de fotobiorreactores para el cultivo de organismos fotoautotróficos microscópicos como microalgas y cianobacterias. Los avances en el diseño de estos sistemas han permitido mejorar notablemente la densidad celular, la productividad y por ende la economía de los cultivos para distintos fines. Clases de fotobiorreactore Los fotobiorreactores se pueden agrupar en tre s grandes grupos en función de su aplicación: Producción de biomasa para consumo en acuicultura como complemento para la alimentación humana o animal y como aditivo alimentario (fuente de proteínas). Producción de metabolitos de alto valor añadido: pigmentos, antioxidantes, ácidos grasos, moléculas de interés farmacéutico y de polisacáridos. Aplicaciones medioambientales: depuración (eliminación de metales pesados, fijación de CO 2, etc.), inóculos para el suelo, producción de biomasa, regeneración de la atmósfera en sistemas cerrados, etc.
Condiciones que debe reunir un fotobiorreactor Los fotobiorreactores deben reunir unas condiciones adecuadas para favorecer la act ividad de los microorganismos fotosintéticos. La velocidad de crecimiento de estos microorganismos, depende de la eficacia del sistema de iluminación utilizada
El funcionamiento de un fotobiorreactor depende, para una determinada cepa de microorganismo, de la velocidad volumétrica máxima de absorción de la luz en el reactor, por lo que deberán proveerse de una elevada superficie específica para la transferencia de energía luminosa y una intensidad luminosa incidente elevada. Por otro lado, la concentración de biomasa debe ser lo suficientemente elevada para absorber la totalidad de la radiación luminosa transferida al seno del biorreactor para evitar problemas de saturación y fotoinhibición que reducirían el rendimiento del sistema Recomendaciones para el Diseño de Fotobiorreactores Se proponen varias recomendaciones para el diseño de fotobiorreactores: 1. La trayectoria de la luz debe ser pequeña (2,5 cm)
2. Mantener una alta densidad celular (> 8-15 g/l) 3. Un mezclado vigoroso para asegurar ciclos L/O de alta frecuencia 4. Usar tramos cortos de tubería (20-30 m) para evitar inhibición del crecimiento por acumulación de O2. 5. Evitar acumulación de substancias inhibitorias 6. Mantener temperatura y pH óptimos CAMBIO DE ESCALA
La finalidad del cambio de escala es la selección de las condiciones de diseño y operación que hagan que el efecto de las variables sea el mismo en unidades de diferente tamaño. Con ello se pueden lograr rendimientos y calidad de productos similares. Se trata de obtener rendimientos comparables con la misma distribución de productos
Escalamiento En la práctica existen muchas definiciones del término escalado. Una de las clásicas lo limita al estudio de los problemas asociados a la transferencia de datos del laboratorio a la planta piloto o, a la producción industrial. Laboratorio Planta Piloto Escala Industrial Escalado de bioprocesos Los bioprocesos se desarrollan e implementan de diferentes m aneras, en sus escalas de laboratorio, piloto, y manufactura.
El escalado puede definirse como el procedimiento para diseñar y construir un sistema de GRAN ESCALA base de los resultados de experimentos con equipamiento de PEQUEÑA ESCALA. El desempeño de los bioprocesos es afectado por varios parámetros: El diseño geométrico Las variables de operación Propiedades del fluido Procesos de transporte Cinética de los organismos
Métodos más frecuentemente utilizados
Manteniendo la proporcionalidad geométrica se mantienen algunas de las siguientes variables: Agitación por unidad de volumen Potencia de agitación Velocidad de agitación Caudal de alimentación Número de Reynolds referido al agitador Coeficiente volumétrico de transferencia de materia Esfuerzo cortante máximo Tiempo de mezcla Etapas del escalamiento En cada una de las etapas de e scalamiento se evalúan algunos aspectos del proceso: 1. Escala de laboratorio se llevan a cabo: - La selección de cepas - Estudios básicos de cinéticas de crecimiento - Niveles de expresión - Selección del medio, etc. 2. Planta piloto se optimizan las condiciones de operación - Forma de operación - Flujos, presiones - Temperaturas - Velocidades de agitación, etc. 3. Escala industrial se lleva a cabo la producción del producto de interés a niveles rentables. El escalamiento más difícil es entre la e scala de laboratorio y la planta piloto, debido a: - El diseño de los equipos, dado que el fluido dinámico es diferente en cada escala.
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Tamaño de los electrodos
Resultados a obtener de un proceso de escalado - Algoritmos de escalado: permiten determinar las condiciones de proceso a una escala superior.
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Optimización de procesos: durante el proceso de escalado se seleccionan las condiciones óptimas y que aporten mayor viabilidad al proceso.
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Determinación de condiciones de trabajo a escala industrial. Diseño de equipos: el proceso de escalado permite adaptar las condiciones de proceso a un diseño
de equipo preexistente.
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Asistencia en la implantación industrial: los procesos de escalado son clave para asegurar el éxito
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en la implantación industrial de un proceso. Optimización de procesos por ingeniería inversa. “Scale -Down”: se pueden diseñar sistemas a escala de laboratorio que permitan la optimización de procesos ya implantados directamente.
Diferencias en la obtención de una sustancia en Laboratorio y a gran escala (Industrial Obtención de una Sustancia en el Laboratorio
- Se emplean masas o volúmenes de reactivos muy pequeños: 1 – 100 – 1000 ml - Los tiempos no importan (muchas veces son largos o están fraccionados en días) - Recipientes empleados: los clásicos utilizados en laboratorio - No se calculan costos - El producto final tiene una masa en mg o menos Obtención de una Sustancia a Gran Escala (Industrial)
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Se emplean masas o volúmenes de materias primas en miles de kg o litros Los tiempos sí importan Los ciclos deben durar poco tiempo y son continuos Los recipientes son de grandes volúmenes ¡Los costos sí importan!!!
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El producto a obtener es en miles de g o kg Criterios del escalado
Los más típicos son:
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Mantener constante la potencia por volumen utilizada, P/V
Mantener constante el coeficiente volumétrico de transferencia de masa, kLa Mantener constante la velocidad de la punta de las paletas del agitador, n . d Mantener constante el tiempo de mezclado Mantener constante el número de Reynolds, Re
Análisis general del proceso de cambio de escala
el cambio de escala se entiende como la instalación y operación de un equipo a escala industrial , cuyo diseño y condiciones de operación se basan en parte en la experimentación y demostración a una menor escala de operación. Es bien conocido que en la industria química y farmacéutica los procesos comerciales se deben basar en datos experimentales, obtenidos a nivel de laboratorio y planta piloto. En el caso de r eacciones bioquímicas éstos datos son aún más necesarios, ya que en general, se trata de procesos más complejos. Las distintas metodologías de cambio de escala tienen como objetivo poder anticipar los efectos del cambio de escala. Factor de Escala
La complejidad del proceso y el nivel previo de conocimiento del mismo suelen fijar el denominado factor de escala, que será tanto mayor cuanta mayor seguridad y experiencia se tenga en el cambio de escala del proceso estudiado.
Escala de Laboratorio
Se llevan a cabo: • La selección o mejora de cepas. • Se busca nuevos productos. • Se estudia los mecanismos de control. • Estudios básicos de cinética de crecimiento. • Niveles de expresión. • Selección del medio En Planta Piloto
Se optimizan las condiciones de operación:
Forma de operación, flujos y presiones.
Tener presente los efectos de aireación, temperatura , control de pH y velocidades de agitación, etc. Se estudia la dinámica del cultivo, control del sistema de alimentación para aumentar el Rendimiento y
la productividad Escala Industrial
En la Escala Industrial se lleva a cabo la producción del producto de interés a niveles rentables. NOTA: el escalamiento más difícil es entre la escala de laboratorio y la planta piloto debido al diseño de los equipos, dado que la fluidodinámica es diferente en cada escala. Teoría de la similitud
La descripción cuantitativa de los procesos biológicos se enfrenta a la dificultad, incluso la imposibilidad, de plantear y resolver el conjunto de ecuaciones matemáticas que se requieren, en especial cuando se quiere hacer a gran escala de operación. Clases de similitud
La similitud se divide en distintas clases, de acuerdo con la naturaleza de las variables que obedecen a la anterior ecuación, puede tener:
Similitud geométrica Similitud dinámica Similitud térmica Similitud másica (concentración) Similitud (bio)química
Finalidad del cambio de escala
La finalidad del cambio de escala es la selección de las condiciones de diseño que aseguren que los efectos de las distintas variables sobre un proceso es el mismo en unidades de distinto tamaño. Con ello se pueden lograr rendimientos y calidad de productos similares Consecuencias del cambio de escala de operación
En teoría, una reacción química o bioquímica tiene lugar a una velocidad que es independiente del tamaño del reactor y de su geometría. No obstante, la velocidad de reacción está afectada por procesos físicos de transporte de cantidad de movimiento, materia y energía, que normalmente están controlados por la estructura y tamaño del reactor. Algunas consecuencias del cambio de escala son: 1. Influencia en la calidad de los cultivos 2. Influencia en la calidad de los cultivos Optimización de procesos por ingeniería inversa. “Scale -Down
Se pueden diseñar sistemas a escala de laboratorio que permitan la optimización de procesos ya implantados a escala industrial. Objetivos del scale-down
Proveer un sistema experimental más pequeño que replique las condiciones que existen en la gran escala. Imitar o reproducir las instalaciones a una escala más chica. Los parámetros pueden ser evaluados mas rápidamente, y a menor costo. Los cálculos usados en scale down son los mismos que para el scale up (gran escala).
Número de flujo del impulsor (NQ
es la relación entre la capacidad de bombeo o caudal (Q) (ca pacidad de distribución del fluido o flujo interno del sistema) entre la velocidad del impulsor y su diámetro. Por lo tanto, la capacidad de bombeo es el flujo generado por el impulsor, por ende, el total de material descargado o puesto en movimiento por el impulsor
