Bioreactores o Fermentadores Dr. Blgo. Carlos E. Villanueva Aguilar Microbiología Industrial y Biotecnología Microbiana
¿Qué es un biorreactor? Dispositivo físico dond proceso biológico biológico (bioreacción) bioreacción) bajo condiciones ambientales dondee se efectú efectúaa un proceso biológico se tiene dos sistemas interactuando: controladas. En un proceso biológico se
Sistema biológico Medio ambiente
Recipiente donde se lle reaccioness bioquímicas bioquímicas !o bioprocesos bioprocesos!! sea con en"imas! en"imas! llea a cabo reaccione microorganismos microorganismos o con c#lulas vegetales y animales! animales! viables y no viables. viables. "odas estas es#ecies se biocatali"adores.. conocen como biocatali"adores
Fermentador$ se Fermentador$ se utili$an c%lulas. Reactor en"im%tico: en"im%tico: se utili$an en$imas.
bioquímicas se a#roec'an #ara la transformación producción de producción de sustancias biológicas &as reacciones bioquímicas se y uímicas bioprocesos se em#lean #ara la transformación de transformación de materia orgnica con la ayuda de un biocatali$ador! &os bioprocesos se química y en la conversión de material de desec'o a #roductos útiles (reciclaje) o a efluentes en síntesis química y ue no son #eligrosos #ara el ambiente (tratamiento de desec'os). bioprocesos es su eleado #otencial sint%tico #ara llear a cabo &a característica m%s importante de los bioprocesos es com#licadas reacciones uímicas en un solo #aso.
Función
función princi principal pal de un biorre biorreact actor or es la de #roeer un medio controlado #ara alcan$ar el &a función crecimiento y la formación de #roductos ó#timos .
biorreactor son res#onsables de suministrar! El dise&o la operación del biorreactor son suministrar! asegurar y mantener el medio ambiente adecuado.
funcionamiento de#ende bsicamente de: Su funcionamiento de#ende o &a concentración de biomasa. o Mantenimiento Mantenimiento de condiciones est%riles. o *gitación efectia. o Eliminación de calor. o +reación de las condiciones correctas de corte.
Componentes básicos de un fermentador
El reci#iente debe ser esterili$able resistente a la corrosión construido con materiales ue no sean tó,icos idrio de es#esor a#ro#iado acero ino,idable Entrada-salida de aire o gases Entrada del medio de cultio y salida del #roducto obtenido *limentación del inóculo &íneas de muestreo Sistemas de agitación mecnica
Principales modelos de fermentador ./. 0ermentadores #ara cultios líuidos ././. 1e#ósitos con agitación ./.. "orres de fermentación en cultio continuo ./.2. 0ermentadores me$clados mediante burbujeo ./.3. 1e#ósitos estticos con o sin control de "4 .. 0ermentadores #ara #rocesos en fase sólida .2. Sistemas de c%lulas inmoili$adas .2./. &ec'o esttico .2.. &ec'o fluido .2.2. 1iscos rotatios &a siguiente figura muestra distintas clases de biorreactores:
Se utilizan tres grupos de biorreactores en la industria. o o o
5o agitados sin aireación 678. 5o agitados con aireación //8. *gitados con aireación /28
Biorreactor de tanque con agitación mecánica.
Es el ms utili$ado en la industria #or tener bajos costos de o#eración. Son de acero ino,idable 9 l. ;oseen rodetes (agitadores). Se utili$an solo al <=68 de su ca#acidad #ara dar es#acio a es#uma. &a relación altura y dimetro es ariable aunue la ms barata es de /. El enfriamiento se da #or medio de ser#entines internos. Se utili$an en reacciones con en$imas libres e inmoili$adas así como #ara cultio de c%lulas en sus#ensión e inmoili$adas. Imagen
Biorreactor de columna de burbujas.
&a agitación! aireación y me$cla se logran #or medio de inyección de gas con un difusor. Son cilíndricos con alturas dobles al dimetro. 5o #resentan estructuras internas. Son baratos! no tienen #artes móiles y tiene un adecuado rendimiento en la transferencia de materia y transmisión de calor. Se utili$an #ara la #roducción de leadura! cere$a! inagre y tratamiento de aguas residuales. Imagen
Biorreactor de elevación con aire.
Su rasgo característico es ue las corrientes de flujo (ascendente y descendente) líuido estn se#aradas. El gas se inyecta #or el riser y baja a tra%s del do>n comer #or diferencia de densidad. ?ay reactores de bucle interno y bucle e,terno (es el ms efectio). Se utili$an en #roducción de #roteína unicelular a #artir de metanol y gasoil! cultio de c%lulas! tratamiento de aguas. @elación altura=dimetro /:/ Imagen
Biorreactor de lecho empaquetado. Se utili$an con biocatali$adores inmoili$ados o en forma de #artículas. Son tubos erticales rellenos em#auetados con #artículas de catali$ador. El medio se alimenta #or la #arte su#erior o inferior y se recircula. "ienen #antallas a la salida #ara eitar la salida de #artículas. &a agitación y aereamiento se 'ace en un reci#iente se#arado. Se utili$an con c%lulas y en$imas inmoili$adas #ara #roducir el es#artato y fumarato. Imagen
Biorreactores de lechos fluidizados.
&os catali$adores em#auetados se mantienen en sus#ensión #or el moimiento ascendente del líuido im#ulsado #or gas. El medio es recirculado. Se utili$a en el tratamiento de residuos con arena o material similar ue so#orta las me$clas de #oblaciones microbianas. "ambi%n #ueden utili$arse con organismos floculantes en la fabricación de cere$a y inagre. Es una modificación del biorreactor del lec'o em#auetado. Imagen
Biorreactores con lecho de goteo.
El líuido se rocía como s#ray sobre la #arte su#erior del em#auetamiento y las gotas descienden a tra%s del lec'o en forma de #eueAas corrientes. El aire o gas se introduce #or la base y sube con facilidad ya ue la fase líuida no es continúa a tra%s de la columna. Se utili$an #ara tratamiento aerobio de aguas residuales. Es una modificación del biorreactor de lec'o em#auetado. Imagen
Bibliografía •
Doran, P. (1998) Bioprocess Engineering Principles. Academic Press Limited. London.
•
Scragg, A. (ed). (1996). Biotecnología para ingenieros. Sistemas iol!gicos en procesos tecnol!gicos. Editorial Lim"sa S.A. De #.$. %&'ico.
Agitación y aireación
Aireación: el #rinci#al #ro#ósito es #roeer o,ígeno suficiente a los microorganismos! sumergidos en el medio de cultio! #ara sus reuerimientos metabólicos.
Agitación$ el #rinci#al #ro#ósito es asegurar la sus#ensión 'omog%nea de los microorganismos en el medio ue contiene los nutrientes.
#ciones de aco#lamiento entre el eje del agitador y el motor Ceometría de los agitadores ;osición de los agitadores en el reci#iente ;resencia y #osición de los deflectores Ceometría del difusor de aire u o,ígeno
Control de temperatura
El control de la tem#eratura durante la fermentación se #roduce #or:
+amisas de líuido refrigerante (o calefactor) Intercambiadores de #lacas
Esterilización D./. Esterili$ación del fermentador D.. Esterili$ación del aire D.2. *dición del inóculo en condiciones est%riles D.3. Muestreo est%ril
Requerimientos de los biorreactores No existe un biorreactor universal. Las necesidades generales más sentidas para un biorreactor son las siguientes: •
Condiciones monosépticas (presencia exclusiva del microorganismo de interés)
•
Volumen apropiado de reacción
•
Mezcla óptima, con un esfuerzo cortante bajo y uniforme
•
•
•
decuado transporte de masa (de ox!geno) Condiciones de "ujo claramente de#nidas limentación del sustrato evitando el defecto o el exceso de nutrimentos
•
$ransferencia de calor moderada
•
Conveniente suspensión de sólidos
•
%atisfacción de las exigencias de dise&o' %usceptible de ser esterilizado Construcción simple $écnicas adecuadas de medición, control y regulación Cambio de escala Versatilidad de uso peración de estado estacionario estable segn la necesidad Compatibilidad con las caracter!sticas de las corrientes de entrada y de salida Mecanismos antiespumantes
Elección del reactor La elección preliminar de un reactor depende de varios factores, entre los cuales, se destacan:
•
ipo de microorganismos Estado metabólico de esos microorganismos
•
!edio de cultivo
•
!odo de operación
•
•
"ustratos empleados
•
Esterilidad # $ermeticidad
•
%alor de los productos deseados
ipo # propiedades del biocatalizador Las c&lulas empleadas en biorreactores pueden ser bacterias, levaduras, $ongos, # c&lulas vegetales o animales. 'ada una de ellas di(ere en las demandas que $acen al ambiente, sus necesidades nutricionales # los productos que forman.
Estado metabólico En procesos aerobios, se debe proporcionar al medio un adecuado # efectivo suministro de ox)geno por dispersión # subsecuente mezcla, en todas las zonas del reactor. Los requerimientos t)picos de ox)geno para algunos procesos aerobios se muestran en la siguiente tabla :
$ratamiento aeróbico de aguas de desec*o
+ermentación aeróbica
Cultivo de células de mam!feros
+,+ - +,
+ - /+
/ - /+
'oncentración del biocatalizador, g*l
-
- /++
/+ 0 - /
%elocidad espec)(ca de consumo de ox)geno, mmol*1g $2
+,
-3
+,++/ - +,/
+,+ - +,
+, - , 1Escala industrial2
8 +,+/
Parmetro 'oncentración del sustrato, g*l
4otencia para aireación # mezcla, 56*m 7
+, 0 / 1En plantas piloto2
En los procesos anaerobios no se requiere dispersión gaseosa puesto que estos procesos son lentos # el mezclado es menos cr)tico. "e debe controlar 9nicamente el p # la temperatura.
4ropiedades (sicoqu)micas del medio La elección, dise;o # modo de operación de los biorreactores están especialmente in
stado de agregación del sustrato Los sustratos gaseosos deben dispersarse en el medio lo más $omog&neamente posible para garantizar una adecuada velocidad de transferencia # absorción Los sustratos sólidos deben suspenderse adecuadamente
Complejidad de los sustratos La esterilización por temperatura de medios de cultivo comple=os 1=arabe de ma)z, extracto de levadura, melazas, $arina de man) o $idrolizado de almidón2, es posible 9nicamente $asta un cierto grado de esterilidad.
El medio puede verse afectado severamente por las condiciones de temperatura # tiempo.
-eolog!a del medio La viscosidad del medio determina: •
la velocidad de transferencia de ox!geno,
•
el tiempo de mezclado,
•
la energ!a de entrada,
•
los patrones de "ujo,
•
la formación de burbujas,
•
el volumen de las burbujas y
•
la coalescencia de las mismas.
Los medios altamente viscosos están asociados con elevadas concentraciones de sustrato, suspensiones, productos de alto peso molecular disueltos en el medio 1goma xantana, celulosa, almidones2, presencia de micelio 1/enicillium c*rysogenum2 # con medios $eterog&neos que contienen componentes conformadores de estructuras 1coloides2
+ormación de espuma La formación de espuma puede in
•
modi(cando la composición del medio # controlando la lisis, el enve=ecimiento # la destrucción de las c&lulas con el uso de agentes antiespumantes, disminu#endo el p, empleando rompedores mecánicos de espuma, in#ectando vapor o usando reactores de tipo especial, como por e=emplo: reactores sumergidos de propulsión.
La formación de espuma reduce el volumen efectivo de reacción # produce sobre con la consecuente p&rdida del producto # la destrucción de las c&lulas d&biles.
!odos de operación El biorreactor puede operarse en una de las siguientes formas:
•
?peración discontinua o por lotes 1batc$2, ?peración continua, o
•
%arios tipos de operaciones semicontinuas.
•
En la siguiente tabla, se resumen los algunas de las distintas formas de operación de un reactor biológico:
!odo de operación
Comentarios
'urva: concentración0tiempo
@alance de masa en un reactor ideal
/or lotes
Anoculación # carga de todos los nutrimentos # sustratos al mismo tiempo # $asta consumo total
/or lotes con alimentación intermitente
%arios esquemas volumen - tiempo # velocidades de alimentación
/or lotes extendida
La concentración del sustrato 1c%2, permanece constante
/or lotes repetida Bespu&s que $a ocurrido la reacción en un lote, una peque;a cantidad del fermento se saca del reactor para que sirva como inóculo para el siguiente lote del proceso Cultivo continuo (0uimiostato)
Cntes de estado estacionario: 'on
Cntes de estado estacionario:
En estado estacionario:
En estado estacionario:
Cascada de reactores continuos de tan0ue agitado 'on o sin alimentaciones intermedias # recirculación del medio de cultivo o del biocatalizador
-eactor continuo de tan0ue agitado con recirculación de biocatalizador
Combinación de reactores (-eactor continuo de tan0ue agitado y reactor de "ujo El reactor continuo de en pistón) tanque agitado sirve como un reactor de inoculación, #a que la operación en estado estacionario de un reactor de
"ustratos
/2
2
La elección del biorreactor se ve in
•
•
•
por el grado de reducción de un sustrato, esto es, por el contenido de oxígeno, por las velocidades de consumo de sustrato, especialmente absorción de oxígeno, por la formación de producto y el incremento de su concentración y por la inhibición o activación del biocatalizador.
Esterilidad # $ermeticidad Las siguientes son las principales exigencias para una operación est&ril: • •
•
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•
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Forma geométrica simple Mínimo número de bridas y soldaduras liminación de puntos muertos !úmero adecuado y conveniente de entradas, salidas y v"lvulas esterilizables #onas del reactor $ue puedan ser esterilizadas por separado levado coe%ciente de seguridad en caso de sobrepresiones !úmero adecuado de bo$uillas de medición y muestreo Mínima super%cie rugosa &gitador con prensaestopa esterilizable
Cspectos económicos # de seguridad "i se producen peque;as cantidades de un producto especial, el uso de un reactor de tanque agitado es venta=oso> para productos especiales de alta calidad, se puede seleccionar un reactor con dise;o especial. El escalamiento de un proceso es más fácil, cuando se utilizan reactores de tanque agitado, columnas de burbu=eo o reactores con circulación inducida. Beben atenderse especialmente las normas de operación # de seguridad para plantas industriales biotecnológicas> cada pa)s o grupo económico dispone de sus propias normas en lo referente al mane=o de microorganismos patógenos, sustancias tóxicas # carcinog&nicas, las cuales deben observarse sin reserva. -----------------------------------------------------------------
Fenómenos de transporte en un fermentador 'ransferencia de masa del o(ígeno )*+
&a transferencia de o,ígeno a la c%lula durante la aireación del fermentador im#lica la transferencia de o,ígeno desde las burbujas de aire a la solución! desde la solución a la c%lula y la absorción del o,ígeno #or #arte de la c%lula.
&a transferencia de o,ígeno a #artir de las burbujas de aire a la solución es la eta#a limitante del #roceso! debido a la baja solubilidad del o,ígeno en fase líuida.
&a transferencia de masa del o,ígeno 5* #uede ser descrita #or la siguiente ecuación: ,A
-
dC! dt
-
/ a ) C0 1 C +
+& es la concentración de o,ígeno disuelto en el seno del líuido (mmol dm=2). t es el tiem#o (') d+&- dt es el cambio de concentración de o,ígeno con el tiem#o (mmol dm=2 '=/) o la elocidad de transferencia de o,ígeno / & es el coeficiente de transferencia de masa (cm '= ) a es la su#erficie interfacial gas=líuido #or olumen de líuido (cm cm=2) +F es la concentración de o,ígeno disuelto a saturación (mmol dm=2). * / atmósfera y 2G+ la solubilidad del en agua es de /!/7 mmol dm=2 & a ! coeficiente de transferencia de masa de o,ígeno! es la medida de la ca#acidad de aireación del fermentador en las condiciones de la #rueba
'ransferencia de masa del o(ígeno )2+
0actores ue influyen en & a ! coeficiente de transferencia de masa de o,ígeno:
Helocidad de flujo de aire Crado de agitación Hiscosidad del cultio &a formación de es#uma y el uso de anties#umantes
Control del proceso de la fermentación
El control de un #armetro en #articular se llea a cabo mediante un sensor ue mide una #ro#iedad y un controlador ue com#ara esta medida con un alor fijo #redeterminado y ue actia el eui#o 'asta ajustar ambos alores.
"i#os de controladores:
controladores feed=bac
ti#o on-off ti#o #ulso=#ausa on-off ti#o modulado
controladores feed=for>ard controladores ada#tables
