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CÁRDENASS CISNERO CÁRDENA CISNEROSS
¿Que es un biorreacto biorreactor? r? Biore Bioreac acto tor: r: tanqu tanquee o siste sistema ma usad usado o para para dirig dirigir ir la acti activi vida dad d de un catal cataliz izad ador or biológico para alcanzar una una transformación química química deseada. Fermentador: es un tipo de biorreactor en el cuál el biocatalizador es una célula viva.
DEFINICION OPERATIVA:
Contenedor en el que se mantiene se mantiene un medio un medio ambiente favorable para la oper operaci ación ón de un proce proceso so biológ biológico ico deseado. deseado. •
Diseño y funcionamiento del fermentador 1. Tanque aséptico 2. Sistema de aireación 3. Bajo consumo de energía 4. Control del pH 5. Toma de muestras 6. Control de la temperatura 7. Evitar evaporación 8. Mínimas operaciones 9. Versátil 10. Superficies internas lisas 11. Geometría idéntica 12. Materiales baratos 13. Servicio de repuestos
Una fermentación es un proceso biológico o bioproceso que consiste en descomposición de la materia orgánica por microorganismos fermentadores (bacterias y hongos)
Proceso de fermentación : MICROORGANISMOS Bacterias, levaduras , hongos
MICROORGANISMO
MEDIO DE CULTIVO
CO2
CONDICIONES AMBIENTALES
PRODUCTO Intra o extra celular
CLASIFICACIÓN
CLASIFICACIÓN DE REACTORES POR LA FORMA DE OPERACIÓN
as cac n por e requer m en o de oxigeno 1. Bioreactor Aeróbico: Requiere un mezclado adecuado y una aereación. 2. Biorreactor Anaeróbico: no requiere de sparging o agitación
REACTOR BATCH o POR LOTE Cultivo por Lote (Batch) Es un reactor donde no existe flujo de entrada ni salida, es simplemente un reactor con un agitador que homogeniza la mezcla. Ventaja Un solo recipiente puede realizar una secuencia de diversas operaciones sin la necesidad de romper la contención, esto es útil cuando se trabaja con compuestos altamente tóxicos
Modos de Operación del Biorreactor Operación Batch Un destructor de espuma será posible instalar para dispersar la espuma. •
Un biorreactor batch esta normalmente equipado con un agitador para mezclar el sustrato o sustancia reactante, y el pH del reactante es mantenido empleando una solución buffer o un controlador de pH Cambio de Cs con el tiempo, t
r
dC s dt
r
C S
K m
C S
max
Operación Batch con agitación
K m ln
C s 0 C s
C
s 0
C s
r
t
max
BIOREACTOR FLUJO PISTON Es un reactor tubular donde se introduce un flujo continuo, mientras el fluido está en el tubo se supone que no hay dispersión axial y ue cada porción de corriente de entrada que ingresa no se mezcla para nada con su inmediata posterior, la composición de la mezcla va variando respecto a la longitud del reactor.
Modo de operación del Biorreactor Flujo pistón En un reactor de flujo pistón, el substrato entra en un tubo cilindríco el cuál está empaquetado con enzima inmovilizada y el producto sale por el final del tubo.
Un reactor ideal de flujo pistón puede aproximarse a un tubo largo, lecho enpacado y una fibra hueca o un reactor multietapas. F, Cs0
F, Cs
V
V
t=0
Tiempo de Residencia
F
Operación Continua sín agitación
K m ln
C s 0 C s
C
s 0
C s
r
t
max
BIOREACTOR CONTINUO Un cultivo continuo consiste en alimentar nutrientes y retirar productos continuamente de un bioreactor. Bajo ciertas condiciones el cultivo puede alcanzar un estado estacionario, dond no existe variación con el tiempo del volumen del bioreactor. Existe dos tipos de bioreactores para cultivo continuo Tipo Tanque Completamente Agitado (CSTR) que comprende el quimiostato y el turbidostato y el tubo con flujo tapón (PFR)
Modos de Operación del Biorreactor
Tanque de Agitación continua Balance de masa del substrato:
F, Cs0
Input - Output Consumption
Accumulation
F, Cs V
estado estacionario: Velocidad de MichaelisMenten:
FC s 0
dC s
dt
r
FC s
C S
K m
C S
FC
r sV
V
dt
0
r
max
dC s
FC V
r maxC s
0
Tanques agitados Los fermentadores agitados se utilizan generalmente para cultivos aérobicos y exhiben un comportamiento en la concentración del sustrato como el que se observa
Fermentador con agitación de turbina
COLUMNA DE BURBUJEO Es el fermentador más sencillo. No cuenta con agitación mecánica Su hidrodinámica y sus características depende del comportamiento de las formadas en el difusor
REACTORES DE TIRO O CORRIENTE DE AIRE (Reactor Air . Lift) El raso característico que lo diferencia de la columna de burbujas es que las corrientes de flujo de líquido están más definidas debido a las separación física de las corrientes ascendentes y descendentes
LECHOS EMPACADOS
Lechos fluidizados
Lecho de Goteo
INFLUENCIA DEL MEDIO EN EL CRECIMIENTO CELULAR. ◦
Los microorganismos necesitan:
Carbono Nitrógeno Minerales Factores de crecimiento Agua Oxígeno(aerobios)
Microorganismos
Biomasa Biosíntesis y mantenimiento celular
Condiciones medioambientales: pH, Temperatura...
VARIABLES DE CONTROL EN BIOREACTORES AGITACIÓN La agitación del caldo de cultivo permite mantener condiciones homogéneas dentro del biorreactor. La agitación se realiza, por lo general, por un medio de un motor acoplado a un eje que contiene impulsores de diversos tipos (de paleta tipo Rushton turbina hélice marina, etc.). Los impulsores definirán el patrón de flujo y la hidrodinámica que existirá en el reactor.
Los tipos de agitación que se utilizan en las fermentaciones se incluyen dentro de las clases: 1.- Agitadores rotativos, los cuales tienen un sistema interno mecánico de agitación. 2.- Columnas de burbujas, la agitación se realiza mediante la introducción de aire a sobrepresión. 3.- Sistema aero-elevado (airlift), que pueden tener un circuito interno o externo. La mezcla y circulación de los fluidos son el resultado de las corrientes de aire introducido, las cuales causan diferencias en la densidad dentro de las diferentes partes del fermentador.
TEMPERATURA Es una variable importante de control de una fermentación. La temperatura afecta el crecimiento microbiano de manera notable debido a que los microorganismos de una especie determinada sólo pueden crecer en un rango restringido de temperaturas. De acuerdo a su temperatura optima de crecimiento, los microorganismos se clasifican en Psicrofilos (T° óptima 20°C), mesófilos (T° óptima 20°C Temperatura óptmima 50°C), termófilos(T° óptima ≥20°C)
pH Determina de forma importante la velocidad decrecimiento de los microorganismos y el rendimiento de bioconversión. El pH de crecimiento para una especie de microorganismo representa generalmente un máximo denominado pH óptimo. Debido a que durante las bioconversiones que se presentan, causadas por el desarrollo microbiano, el pH del caldo de cultivo varía continuamente durante el transcurso de la fermentación. El pH afecta laactividad enzimática y la velocidad de crecimiento microbiano. Generalmente el rango de pH aceptable varia de 1 a 2 unidades de pH con referencia al óptimo. Cada organismp tiene su pH óptimo. El PH óptimo para las bacterias es de 3 a 8 , levaduras de 3 a 6, mohos de 3 a 7 , para las células vegetales es 5 a 6 y para los animales de 6.5 a 7.5
OXIGENACIÓN O AEREACIÓN Merece especial mención pues su ausencia o abundancia permita una selección tanto de microorganismos como de productos del metabolismo. Cuando el cultivo se produce en presencia de oxígeno molecular la fermentación se denomina aeróbica, y cuando éste carece de oxígeno molecular la fermentación se denomina anaeróbico. La concentración de oxígeno disuelto saturado en agua a 25°C y a una atmosfera de presión es cerca de 7 ppm
NIVEL DE ESPUMA La mayoría de los medios de cultivo utilizados para el crecimiento de microorganismos contienen proteínas y péptidos que promueven la formación de biorreactor provocan aún más la formación de grandes cantidades de espuma; esta puede incluso ser tan importante que puede ocupar todo el espacio vacío del biorreactor (espacio de cabeza) y hasta salir por cualquier orificio de entrada de flujo al biorreactor que no esta siendo empleado. La formación de espuma en el biorreactor conlleva el incremento del riesgo de contaminación de la fermentación
PARAMETROS A CONSIDERAR
Consideraciones especiales en el diseño y selección de un fermentador: Las siguientes consideraciones son de suma importancia al seleccionar o diseñar fermentadores para procesos controlados: 1. El envase o contenedor en donde se realizará la fermentación debe ser capaz de ser operado asépticamente durante el tiempo en que la operación se realice. Esto es de vital importancia en procesos continuos. 2. La aereación (o ausencia de esta) y la agitación deben realizarse de forma que se cumplan con los requerimientos metabólicos del microorganismo utilizado. El mezclado debe hacerse de forma que los nutrientes estén uniformemente distribuidos en el fermentador sin que esto conlleve daño físico al microorganismo. El aire debe estar filtrado para evitar la entrada de microorganismos en el polvo.
3. El consumo de energía debe ser tan bajo como sea posible. 4. Un sistema de control de temperatura debe ser provisto en prácticamente todas las operaciones controladas. La temperatura es un factor sumamente importante en todos los procesos de fermentación. 5. Un sistema de control de pH debe ser provisto en la gran mayoría de las operaciones. En muchos casos, solo se requiere de un ajuste inicial de pH. Sin embargo, en medios que no tengan efectos amortiguantes, el control de pH es muy importante, en especial si pequeñas variaciones de pH afectan adversamente al microorganismo. 6. El fermentador debe proveer algún tipo de sistema para un muestreo eficiente y que no promueva la contaminación del proceso. 7.
Las
perdidas
por
evaporación
deben
ser
mínimas.
8. El diseño del envase (o tanque) debe considerar un fácil manejo para las operaciones de limpieza y mantemimiento. Las paredes del envase (o tanque) deben ser pulidas, es decir, no deben tener porosidad que dificulte la limpieza y sanitización. 9. Los materiales de construcción deben ser resistentes a los compuestos que se generen durante el proceso y a la materia prima, sales, ácidos o bases que se añadan. Además deben ser materiales que no interfieran con las enzimas de los microorganismos que se utilicen. Usualmente los fermentadores se construyen de vidrio (en el caso de fermentadores de laboratorio) o de acero inoxidable. 10. En el caso de fermentadores industriales que se instalarán basados en pruebas de planta piloto, se recomienda el uso de envases con la misma forma (o geometría).
Los fermentadores anaeróbicos requieren poco equipamiento especial, excepto el necesario para eliminar el calor que se genera durante la fermentación.
Los fermentadores aeróbicos requieren un equipamiento mucho más elaborado, para asegurar que se logre el mezclado y la aireación adecuados.
