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16/05/2014
FERMENTACIÓN BIORREACTORES
FERMENTACIÓN
Latín fermentare
“
ebullir ”
Proceso en el cual los microorganismos microorganismos producen BIOMASA y METABOLITOS a partir de sustancias orgánicas en presencia o ausencia de oxígeno.
Este proceso da lugar en un BIORREACTOR
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FERMENTACIÓN SUSTRATO + M/O
M/O + METABOLITO O2 pH Temperatura Agitación
PRODUCTOS BIOMASA:
Generación de células
Ej: Levadura de cerveza
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PRODUCTOS METABOLITOS:
Sustancias producidas por la célula
Bioconversión del sustrato
METABOLITOS Enzimas Vitaminas
Alcohol CÉLULAS
Productos químicos
Aditivos Antibióticos
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METABOLITOS PRIMARIO:
Esencial para el crecimiento del microorganismo. Se produce al mismo tiempo que el microorganismo •
•
SECUNDARIO:
No relacionado con el crecimiento del microorganismo. Se produce en la fase estacionaria. •
•
BIORREACTOR- FERMENTADOR
Recipiente donde se lleva a cabo el proceso de fermentación. Mantiene el medio y el microorganismo en condiciones adecuadas para lograr los metabolitos deseados.
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FUNCIONES
Distribución uniforme de las células en el volumen de cultivo.
Temperatura conte y uniforme.
Minimizar gradientes de concentración de nutrientes.
Suministro de oxígeno.
Mantenimiento del cultivo puro.
CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO Consumo bajo de energía. Capacidad para mantener mezclado uniforme. Adaptación fácil a diferentes procesos. Buena transferencia de calor. Diseño mecánico simple. Sistema de controladores de pH, O 2 y T . Facilidad de toma de muestra Mantenga condiciones de asepsia.
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TIPOS DE BIORREACTORES 1.
2.
No agitados, sin aeración (86%): producción de vino, cerveza, queso, procesos anaerobios en lote. No agitados, con aeración (11%): vinagre.
3. Agitados, con aeración (13%): crecimiento de biomasa
ELEMENTOS Cuerpo del biorreactor
Alberga al cultivo y sustrato. Recipiente de acero inoxidable. Relación volumen/forma variable. H/Dt
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ELEMENTOS
motor
Sistem a de agitación eje
Generar potencia para mezcla perfecta. Optimizar los impulsores fenómenos de transferencia de masa y calor. Aumenta la disponibilidad de O2.
ELEMENTOS Sistem a de agitación
Tipos de impulsores
Propela
Paleta
Turbina Rushton
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ELEMENTOS Placas deflectoras
Evitar la formación de vórtices Mejorar el mezclado del caldo de fermentación.
ELEMENTOS Sistema de transferencia de calor
Mantener la temperatura estable y dentro de rangos óptimos. Intercambiador de calor. Controlador de T . Sensor de T .
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ELEMENTOS Sistema con trolador de pH
Controlar el pH del medio de cultivo. Dispensador de Ácido. Dispensador de álcali. Controlador de pH. Sensor de pH.
ELEMENTOS Sistem a de aireación
Optimizar al máximo la transferencia de O2 al caldo.
Difusor Controlador de flujo. Medidor de O 2 disuelto
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BIORREACTORES
REACTORES DE COLUMNA Sin agitación mecánica Recipiente cilíndrico con alturas superiores al doble del diámetro Bajos costos Ausencia de partes móviles Buen rendimiento en transferencia de materia y calor. Problema formación de espuma
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REACTORES DE TIRO
MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 1.
Discontinuo. Operan el sistemas cerrados El sustrato se añade al comienzo del proceso. Los productos son retirados al final del mismo. Sólo se adiciona oxígeno, antiespumantes y bases o ácidos para regular el pH.
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MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 1.
Discontinuo. La fermentación se lleva a cabo en un periodo definido de tiempo. La composición del medio de cultivo varía en el tiempo. Es necesario parar el proceso para extraer el analito o la biomasa.
MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 1.
Semicontinuo. La fermentación se lleva a cabo en un periodo definido de tiempo. Se alimenta de sustrato a intervalos definidos de tiempo.
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MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 2. Continuo.
Es un sistema abierto. Se adiciona constantemente medio y se extrae caldo de fermentación. Se logra mantener una población estable de microorganismos en condiciones uniformes.
MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 2. Continuo.
El proceso logra un estado estacionario: Condición de estabilidad, en la que varios factores permanecen constantes a través del tiempo (volumen, concentración celular, concentración de microorganismos.
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MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 2. Continuo. Ventajas: Control de la velocidad de crecimiento del m/o. Se aumenta la productividad por unidad de tiempo, se elimina el tiempo de esterilización del medio y la limpieza y preparación del reactor.
MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 2. Continuo. Desventajas: Difícil mantener las condiciones estériles por períodos prolongados. Posible mutación de la cepa original. Cualquier falla o para no intencional hace perder el equilibrio del proceso
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MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 2. Continuo
Flujo tapón: el medio de cultivo y el inóculo entran a
un reactor tipo tubular a una velocidad de flujo constante. La fermentación se da durante la permanencia de los m/o en el reactor. La solución de entrada contiene m/o. Hay variaciones de la concentración de m/o, del medio y de los metabolitos a lo largo del reactor. Debe balancearse la velocidad de flujo de salida para evitar la perdida de m/o.
MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 2. Continuo
Mezclado homogéneo: presenta dos configuraciones
diferentes: Quimiostato: Sistema de fermentación en el que se introduce sustrato a una velocidad definida e igual a la velocidad de salida del medio de cultivo (m/o + metabolitos + sustrato). El volumen de trabajo del reactor permanece constante. Uno de los sustratos se agrega en una cantidad limitada.
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MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 2. Continuo
Mezclado homogéneo:
Quimiostato: La velocidad de crecimiento del m/o es función de la concentración del sustrato limitante en el medio. El m/o va a crecer a una velocidad que depende de la cantidad de sustrato limitante. El sistema supone que el mezclado es inmediato y homogéneo.
MODO DE OPERACIÓN DE BIORREACTORES 2. Continuo
Mezclado homogéneo:
Turbidostato: El crecimiento no está limitado por los nutrientes. Se agrega el sustrato en exceso. El sistema se controla en base a la turbidez que provoca la presencia del m/o en el medio de cultivo. Se controla a través de una fotocelda en el reactor para detectar la turbidez. Si la turbidez supera un límita máx, ingresa sustrato y sale caldo de fermentación. Permite que el m/o se desarrolle a su velocidad máx de crecimiento.
