Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología
Practica No. 1
PRESENTACIÓN DE BIORREACTORES DIVERSOS Equipo: 3
Alumnos: FLORES AVILÉS IRVING FONSECA ELIZONDO HECTOR HUGO MARTÍNEZ CORDOVA LUIS YAIR MARTÍNEZ GOMEZ ROBERTO MONROY CAÑEDO SARA ELENA NERI BARRERA ANA PERLA OLVERA MILLAN ERIKA SILVA ESTRADA TANIA VILLALOBOS SANTANA MARIBEL SOLEDAD
Asignatura: LABORATORIO DE BIORREACTORES
México D. F
12 de agosto de 2010
ÍNDICE Introducción…………………………………………………….. Objetivos………………………………………………………... Procedimiento experimental……………………………………. Resultados………………………………………………………. Bibliografía…………………………………………………...…
INTRODUCCIÓN Cualquier proceso biotecnológico de nivel industrial tiene que pasar por las siguientes escalas de operación: laboratorio, planta piloto e industrial; ya que todo proceso industrial nace en un laboratorio, donde se hacen los cálculos precisos, pero el proyecto del proceso en una planta de producción debe prever aspectos que no se consideran en un laboratorio antes de la puesta en marcha de un proceso de producción. Para ello se construyen las llamadas plantas piloto, donde se comprueba la viabilidad del proceso de fabricación y se evalúan los rendimientos y los posibles riesgos sobre un funcionamiento muy parecido al que tendría la planta definitiva. En su definición más simple, los Biorreactores son recipientes en los cuales se llevan a cabo reacciones bioquímicas y/o bioprocesos, ya sea con enzimas, microorganismos o con células vegetales y animales, viables y no viables. Todas estas especies se conocen como biocatalizadores. El biorreactor puede considerarse como el corazón de todo proceso biotecnológico, ya que se lleva a cabo la transformación de la materia prima al producto de interés y su operación deberá de garantizar la maximización en la conversión, por lo que su funcionamiento es de vital importancia en la rentabilidad del bioproceso, sobre todo en aquellos catalogados como de “altos volúmenes de producción y bajo valor agregado”.
OBJETIVOS Objetivo general: Dado que uno de los aspectos formativos de los alumnos de las carreras de Ingeniería Biotecnológica e Ingeniería Farmacéutica se relaciona con el diseño, construcción, implementación, operación y mantenimiento de Biorreactores industriales, en la presente practica se propone como objetivo que el alumno identifique y describa los diferentes tipos de Biorreactores y sus partes accesorias, al igual que la forma como se operan, controlan, esterilizan, cargan y descargan, etc. Objetivos particulares: •
Que el alumno conozca los tipos de Biorreactores y sus características.
•
Saber las aplicaciones generales de los diferentes tipos de Biorreactores.
•
El alumno deberá conocer cada uno de los componentes de los equipos a sí mismo como su funcionamiento.
PROCEDIMIENTO
EXPERIMENTAL
Y
FORMULACIÓN DE RESULTADOS Se mostrara los diversos tipos de Biorreactores de nivel la laboratorio y planta piloto de la unidad para el estudio de sus componentes. Se caracterizaran todos los componentes de cada uno, el tipo, capacidad, características geométricas, sistema de carga y descarga, sistema de agitación, patrones de flujo, sistema de control, forma de esterilización, métodos de cultivo, producción, dispositivo de toma de muestra y de inoculación y parámetros de diseño. Tipos principales de Biorreactores: 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
sobre- presión. 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.
Biorreactores agitados: En este tipo de biorreactor la agitación se realiza mecánicamente mediante un eje provisto de turbinas accionado por un motor. El aire se inyecta por la parte inferior del tanque y es distribuido por una corona que posee pequeños orificios espaciados regularmente. El chorro de aire que sale de cada orificio es golpeado por las paletas de la turbina inferior generándose de este modo miles de pequeñas burbujas de aire, desde las cuales difunde el oxigeno hacia el seno del líquido.
El sistema de agitación se completa con cuatro o seis deflectores que tienen por finalidad cortar o romper el movimiento circular que imprimen las turbinas al líquido, generando de este modo mayor turbulencia y mejor mezclado. El tanque está rodeado por una camisa por la que circula agua, lo que permite controlar la temperatura. Para tanques mayores que 1000 ó 2000 litros este sistema ya no es eficiente y es reemplazado por un serpentín que circula adyacente a la pared interior del tanque. Debe tenerse en cuenta que a medida que es mayor el volumen de cultivo también lo es la cantidad de calor generado, por lo que se hace necesario una mayor área de refrigeración. El aire que ingresa al biorreactor debe estar estéril, lo que se consigue haciéndolo pasar por un filtro cuyo diámetro de poro es de 0,45 micrones, que impide el paso de microorganismos y esporos. Consisten en un cuerpo cilíndrico con tapas elipsoidales, semiesféricas o toriesféricas y generalmente su relación altura/diámetro es menor a tres y más comúnmente menor a dos. Los tanques que son utilizados en la industria comúnmente son de acero inoxidable y están pulidos a fin de facilitar la limpieza y posterior esterilización; en los Biorreactores de tanque agitado no es posible construir unidades mayores a los 300 m 3. (Ver figura 1)
Figura
1.
Biorreactor
de
tanque
agitado
Sistemas de control Control de velocidad del motor: Los motores de inducción de corriente alterna (tienen velocidades nominales de rotación de1800rpm o 3600rpm. Estas velocidades son muy altas para los sistemas biológicos causando la destrucción de las células y microorganismos en cultivo. La velocidad de rotación del motor debe entonces reducirse a un máximo de 600rpm. Usualmente se acopla a la salida de eje del rotor una caja de reducción de 1/3 o 1/6 para bajar la velocidad de rotación a 600rpm. Control de temperatura: Un sistema de control de temperatura consta de: •
Intercambiador de calor: dispositivo de intercambio térmico que absorbe el
calor excedente. Se define por su área de transferencia de calor; a mayor área de transferencia de calor, mayor capacidad de absorber calor. • Un sistema de control:
Controlador de temperatura: sistema que ordena y regula la acción del motor que controla las válvulas que regulan el flujo de líquido frío o caliente.
• Un sistema de medición
Sensor de temperatura: sonda (termo copla) mide la temperatura.
• Un servo control:
Servo controlador de temperatura: controla la temperatura a la que debe abrir o cerrar la válvula solenoide.
•
Sistema regulador de paso de flujo:
Válvula solenoide: regula el flujo (paso) del líquido por la tubería o línea de paso (abre o cierra el flujo del líquido).
Control de pH. El sistema controla el pH del medio de cultivo, que es generada por los productos de desecho y que metabolismo de propio cultivo celular o microorganismos. Un sistema de control de acidez consta de: Dos subsistemas mecánicos servo controlados Sistema dispensador de ácido: que consta de: Dispensador aséptico de ácido (HCL) Filtro microporo en línea Manguera flexible resistente al acido Bomba peristáltica Sistema dispensador de álcali: que consta de: Dispensador aséptico de álcali (NaOH) Filtro microporo en línea Manguera flexible resistente al acido Bomba peristáltica •
Un sistema de control formado por:
Controlador de pH: ordena y regula la acción del motor que controla a las bombas peristálticas que suministran el ácido y el álcali.
• Un sistema de medición: formado por:
Sensor de pH: sonda o probeta electroquímica que mide la acidez y “dice” al controlador de pH, la situación del medio.
pH Óptimo: toda célula y microorganismo poseen un rango de acidez (pH)
dentro del cual, es posible su crecimiento con normalidad; dentro de ese rango, existe un pH óptimo en el cual el crecimiento es máximo y muy bien definido. Difusor de aire: los cultivos aeróbicos requieren que la corriente de aire estéril se difunda en la forma de miles de pequeñas burbujas, desde el difusor de aire, hacia el volumen del líquido; esta acción se realiza mediante un plato o domo cilíndrico de acero inoxidable finamente perforado. Alternativamente y si el sistema es pequeño o mediano en escala, se puede utilizar un difusor de material cerámico poroso el cual, tiene la ventaja de que, provee una cama más fina de burbujas (de menor diámetro) y mayor área. Motor de agitación: El acoplamiento del eje del motor es directo y el sellado es mediante un sello mecánico simple, además el impulsor es de paletas y para el sistema de aireación se usa un anillo de aspersión. En la figura 2, podemos ver el montaje de un motor de agitación sobre un recipiente.
Figura
2.
Motor
de
A y B son el motor y base reductora de velocidad. C y D son la entrada y salida del aire, E es una válvula de aire, F el sello de la flecha de agitación, G, H e I son los sistemas de limpieza, J es el eje agitador, K es un cortador de espuma, O y L son la entrada y salida del agua de enfriamiento del serpentín, M son los deflectores, N serpentín de enfriamiento, P es el impulsor, Q es el aireador, S descarga del medio de cultivo y T es la válvula de muestreo. El diseño en términos de dimensiones permanece similar a los diseños previos relación de diámetros de tanque impulsor (D/Dt) de 0.3; altura del primer impulsor a base del tanque (A/D) es igual a un
Figura 3. Diseño y parámetros de un tanque agitado.
Biorreactor de Columna de Burbujeo. Este tipo de bioreactor carece de un sistema de transmisión mecánica para mezaclar el caldo de cultivo, es básicamente un contenedor cilíndrico con un eyector de gas en el fonfo. Este gas es expulsado en forma de burbujas ya sea hacia una fase liquida o hacia una suspensión solida-liquida. Son extensamente utilizados como reactores polifásicos en la industria química, bioquímica, petroquímica y metalúrgica. Son especialmente usados en reacciones
que
reacciones
involucran
tales
oxidación,
como cloración,
alquilación, polimerización e hidrogenación, en la producción de combustibles sintéticos a través
de
un
proceso
de
conversión
de
gas
en
reacciones como
y
bioquímicas
tales
fermentación
y
tratamiento de aguas residuales. También son utilizados para producir productos con valor agregado tales como enzimas, antibióticos y proteínas
Generalmente operación
son
2
validos
modos en
de los
biorreactores de columna de burbujeo: el modo continuo y el semi-continuo. En el modo continuo el gas y la suspensión fluyen simultáneamente hacia la columna y la suspensión que deja la columna es reciclada
hacia
el
tanque
de
alimentación, además de que la velocidad
superficial del liquido es mantenida siendo menor a la velocidad superficial del gas en por lo menos un entero. En el modo semi-continuo, la suspensión es estacionaria, es decir que no hay adición constante de líquidos mientras existe el burbujeo constante.
El biorreactor de columna de burbujeo de tamaño industrial opera usualmente con una proporción de longitud-a-diámetro de por lo menos 5. En aplicaciones bioquímicas este valor varia usualmente entre 2 y 5. El empleo de grandes diámetros en los biorreactores son deseados cuando se busca grandes rendimientos del gas involucrado. Además, grandes alturas en las columnas son requeridas para obtener eficientes niveles de conversión. Cuando las columnas son grandes se pueden emplear platos perforados colocados en posiciones intermedias de las mismas para dispersar las burbujas de gas. El diseño y la escala de los biorreactores de columna de burbujeo dependen de la cuantificación de 3 principales fenómenos: •
Características de transferencia de calor y masa
•
Características de mezclados
•
Cinéticas químicas en el sistema de reacción
El diseño y construcción de este tipo de biorreactores ha ganado atención considerable en anos recientes debido a la complejidad hidrodinámica y su influencia en las características de transporte. A continuación se presenta un modelo de investigación realizado para estudiar lo siguiente: dinámica de fluidos, velocidades del liquido y la fracción del volumen que es ocupado por las burbujas de gas. •
Sistema Aire-Agua
•
14–19 and 44 cm i.d. columnas,
•
Platos perforados esparcidores with 0.33, 0.4, 0.7
•
1 mm diámetro de los orificios
•
Inyector de burbujas con un diámetro de orificios de 5 mm
•
Velocidad del Gas (cm/s): Up to 12
Más específicamente, los parámetros hidrodinámicas para el diseño de este tipo de reactores son: •
Área especifica interfacial liquido-gas
•
Coeficientes de dispersión axial de sólidos
•
Diámetro de la burbuja eyectada.
•
Coeficientes de dispersión axial de gas y líquido.
•
Coeficiente de transferencia de calor promedio entre los componentes de transferencia de calor inmersos y de mezclado.
•
Coeficientes de transferencia de masa para todas las especies
•
Volumen ocupado por las burbujas de gas.
•
Propiedades físico-químicas del medio liquido
Sistemas de control: •
El flujo de gas que es introducido a la columna es medido a través de un rotámetro. El gas es inyectado por un inyector de gas que tiene varias formas alternativas tales como la forma de anillo, plato perforado o el brazo inyector.
•
Un calentador eléctrico puede ser instalado para mantener constante la temperatura en la columna.
•
El sistema de medición de presión debe contener manómetros, que son usados para medir el volumen ocupado por las burbujas de gas en la columna.
•
Sensores de flujo de calor pueden ser instalados para estimar el flujo de calor y para medir los correspondientes coeficientes de transferencia de calor entre el calentamiento por inmersión o de mezcla.
•
Para un mejor control y ajuste, estos equipos están acompañados por controladores PDI que corrigen el error entre un valor medido y el valor que
se quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que puede ajustar al proceso acorde. •
Además de sistemas de adquisición de información para obtener parámetros de investigación instantáneos, fluctuaciones de presión y propiedades de la burbuja.
Dinámica de Fluido y Análisis de Régimen de Fluidez. Existen 3 tipos de regímenes de fluidez: El
régimen
Homogéneo
que
es
en este régimen es casi
A través de la fusión y
totalmente
desintegración
controlado
de
las
obtenido mediante bajas
por el diseño del inyector
burbujas más grandes, se
velocidades superficiales
de gas y las propiedades
distribuyen burbujas con un
del
del sistema.
gas,
tamaño considerable en la columna.
aproximadamente debajo
frecuentemente
de 5cm/s. Este régimen es
caracterizado
por
burbujas uniformes de un tamaño
relativamente
En
el
régimen
de una radio
superficiales del gas, por
Una
régimen es caracterizado
distribución uniforme de
por la forma desequilibrada
las
del
columna y un mezclado relativamente amable es observado sobre toda el área cuadriculada de la columna. prácticamente
No
hay fusión
escala
mediante altas velocidades
velocidades.
la
a
industrial con columnas
arriba
en
observado
Heterogéneo, es mantenido
pequeño y subida de
burbujas
Es
de
5cm/s.
sistema
Este
diámetro
muy grande.
homogéneo
liquido-gas para promover
Y el Régimen de
el movimiento turbulento de
las
burbujas
y
la
flujo
“slug”
que
es
recirculación liquida. Así
solamente observado en
resultan inestables patrones
columnas de laboratorio
de flujo y grandes burbujas de
poca
duración
son
entre las burbujas. El
formadas
tamaño de las burbujas
grandes cantidades de gas.
tras
inyectar
con un diámetro pequeño y elevados flujos de gas. Este régimen toma su
nombre
debido
a
la
formación de burbujas que
se
mueven
de
manera más lenta cuando burbujas
de
mayor
tamaño se estabilizan en la pared de la columna.
Parámetros dimensionales clave:
1. Fracción del Volumen de fase gas que es ocupado por las burbujas de
gas (Gas Holdup)
Gas Holdup
Velocidad del gas, presión y añadiendo un agente activo superficial
Gas Holdup
•
Viscosidad del líquido y concentración del sólido.
-El efecto del tamaño de la columna en el “Gas Holdup” es despreciable cuando la columna cuando el diámetro es mayor de 10-15 cm y la altura por arriba de 1-3m
•
-A bajas velocidades del gas el “Gas Holdup” dependen del número y diámetro de los orificios del inyector de gas.
2. El tamaño de la burbuja
Tamaño de la burbuja
Tamaño de la burbuja
Velocidad superficial del gas, concentración del sólido, viscosidad del líquido y tensión superficial Aumentando las concentraciones de un agente espumoso
3. Coeficiente de Transferencia de masa
Coeficiente de Transferencia de Masa
Velocidad del gas, presión, densidad del gas. Tamaño de burbuja pequeño
Coeficiente de Transferencia de Masa
Concentración del Sólido y viscosidad del líquido. Tamaño de burbujas grande
4. Coeficiente de Transferencia de Calor
Coeficiente de Transferencia de Calor
Temperatura, velocidad superficial del gas y el tamaño de las partículas
Viscosidad del liquido
Coeficiente de Transferencia de Calor
Al carecer de partes móviles tanto la construcción, operación y mantenimiento de este tipo de biorreactores son más económicos que cualquier otro tipo. El mayor costo de operación sería el de la compresión del aire, debido a los altos flujos requeridos. Generalmente se emplean para fermentaciones de baja viscosidad. El método de esterilización varia en cuanto al tamaño y al uso, ya que cuando se encuentran en plantas de tratamiento de agua es poco practica realizar la esterilización debido a la constante exposición a agentes contaminantes y cuando se encuentran en laboratorio de un tamaño menor es posible realizar la esterilización común con un autoclave del tamaño del biorreactor.
Dispositivo de toma de muestra y de inoculación: Para esto se ha desarrollado un Biorreactor de Columna Estéril en el año , obviamente se tomo como diseño el Biorreactor de Columna y trabaja con un volumen de un litro, cuenta con un muestrador de humedad relativa y un sistema de calefacción en la cabeza de la
columna. Dichas modificaciones permiten una mejor regulación del contenido de agua durante el proceso. Es posible la toma de muestra de la columna de forma aséptica abriendo la tapa superior, la cual dispone de un dispositivo de flama que impide cualquier contaminación. De esta manera los investigadores del Instituto Nacional de Investigación Agronómica en Francia obtienen su muestra e inoculan, ya que se presentan dificultades al tratar de realizar estos procedimientos en Biorreactores de Columna comunes. En resumen: Uno de los mas importantes sistemas para fermentación en medio solido a nivel laboratorio fue desarrollado y patentado por el grupo del Instituto para la Investigación y Desarrollo (IRD) en Francia, entre 1975 y 1980, compuesto por pequeñas columnas de 4 cm de diámetro y 20 cm de altura, el cual es llenado
con
un
medio
previamente
inoculado y puesto en un termorregulador de agua.
El equipo esta conectado a un columna de cromatografía de gases para monitorear la producción de CO2, resultado de la respiración del microorganismo y de sus reacciones metabólicas. La demanda de oxigeno se cubre por medio de aeración forzada utilizando compresores con sistemas de regulación de presión para evitar la compactación excesiva de lecho. La geometría y diseño de las columnas permite que sea un equipo barato, debido a que son elaboradas a base de vidrio, por lo que la remoción del calor exotérmico de la fermentación se lleva a cabo de manera eficiente. Requiere de poca cantidad de medio de cultivo y la fácil adaptación del equipo a sistemas más rudimentarios en cuanto a equipamiento y cuantificación de productos, le confiere practicidad de uso. Sin embargo, para llevar a cabo las lecturas de los parámetros cinéticos durante la fermentación es necesario sacrificar una columna completa, ya que el diseño de la misma no permite tomar muestras. Este equipo es conveniente en las primeras etapas del desarrollo de un bioproceso
ya que es adecuado para estudios de caracterización y optimización de la composición del medio de cultivo, y para cuantificar los datos necesarios para llevar a cabo el calculo de parámetros cinéticos.
Biorreactor de Airlift:
Los biorreactores Airlift ofrecen ciertas ventajas con respecto a las demás tecnologías de tratamiento biológico, como la incorporación de transferencia y biodegradación total en un solo recipiente del biorreactor y además no presentan problemas de humedad, siendo el control de biomasa su única limitación. Dentro de las variables que deben ser controladas en un biorreactor Airlift, destaca la concentración de la biomasa en suspensión debido a que existe una relación directa entre este parámetro y la eficiencia de eliminación del contaminante, por lo tanto el control de biomasa aumenta la flexibilidad operacional del sistema.
Factores que influyen en la operación del Biorreactor Airlift. Existen una serie de factores que influyen en la operación y eficiencia de un sistema de tratamiento tipo Airlift y de los sistemas de tratamiento biológico en general, sin embargo el análisis y control de ellos dependerá de las condiciones operacionales del sistema que se desea implementar. Soporte
En el proceso de tratamiento, mediante un biorreactor tipo Airlift, se debe tener especial atención en la elección del soporte que es el material donde se producir. El desarrollo microbiano. Este material debe presentar características de bajo costo, alta eficiencia y buena estabilidad en el tiempo. Además, se deben considerar otras características físicas y mecánicas: como estructura, .rea especifica, resistencia al flujo y capacidad buffer; y propiedades biológicas: como disponibilidad de nutrientes inorgánicos y actividad biológica especifica
Temperatura. La mayoría de los microorganismos que se utilizan para la degradación de compuestos orgánicos volátiles son mesofilos, es decir, pueden desarrollarse o realizar sus funciones metabólicas que oscilan entre los 10 y 35 °C la temperatura del interior del biorreactor se incrementa cuando las células son más activas, lo que se produce dentro de un rango entre 35 y 40°C para organismos degradadores del tolueno. En este caso, el aumento de temperatura sobre la .prima, produce la perdida de la estructura nativa de la enzima, provocando efectos como cambios en las propiedades hidrodinámicas de la enzima, aumentando de esta forma la viscosidad y disminuyendo el coeficiente de difusión. Además produce una drástica disminución de su solubilidad en la biopelícula y por lo tanto disminuye la actividad microbiana, produciéndose una menor degradación del contaminante, lo que se traduce en la pérdida de las propiedades biológicas de las bacterias.
pH Los valores de pH más adecuados para la actividad microbiana dependerán de las condiciones ambientales que necesite el microorganismo para su adecuado desarrollo biológico. Generalmente, las condiciones de pH requeridas para la biodegradación de compuestos orgánicos volátiles son neutras (entre 7 y 8), debido a que bajo estas condiciones los microorganismos alcanzan máximas velocidades de desarrollo
Normalmente, durante la operación del sistema, el pH empieza a decrecer debido a la formación de .ácidos intermedios que reaccionan con algunos de los componentes del medio, lo que puede disminuir e incluso detener la actividad microbiana en el interior del biorreactor. Para remediar esta situación, periódicamente debe agregarse al biorreactor una solución alcalina que permita equilibrar el pH de éste. La regulación del pH, tiene relación directa con el crecimiento de biomasa en suspensión. Una vez alcanzada una concentración establecida para la operación, la regulación de pH en el sistema se favorece tanto por la relativa estabilidad de la concentración de biomasa en suspensión como del eventual perfeccionamiento del sistema de control manual.
Velocidad de flujo y Tiempo de Residencia de la Fase Gaseosa. La velocidad del flujo de gas de entrada es uno de los parámetros hidrodinámicos más importantes en el proceso, ya que regula el régimen de flujo dentro del biorreactor y cuantifica la cantidad de gas contaminado a ser tratado por unidad de tiempo, así como la transferencia de masa entre las fases El tiempo de residencia del gas dentro del biorreactor es un parámetro muy importante a considerar y está directamente relacionado con la velocidad del flujo del gas de entrada. Mientras mayor sea el tiempo de residencia, mayor será el tiempo de contacto entre el contaminante y los microorganismos degradadores, por lo tanto, la capacidad de eliminación del sistema será también mayor. El incremento en la velocidad de flujo del gas tiene un efecto Inverso sobre la eficacia de eliminación del sistema. Al aumentar el flujo de trabajo, disminuye el tiempo de contacto entre el aire contaminado y la flora microbiana y consecuentemente, disminuye la eficiencia de degradación.
Nutrientes.
Los nutrientes son componentes esenciales para el desarrollo de los microorganismos. Los organismos, en condiciones naturales, generalmente presentan carencias en fosforo, nitrógeno y azufre. La adición de estos compuestos estimula el crecimiento de la población natural, y quizás aún más importante, mejora su metabolismo, facilitando el transporte por las membranas celulares y, por lo tanto, el ataque metabólico
Microorganismos y biopelícula. Los microorganismos o la biopelícula son el componente más crítico del sistema Airlift, ya que son ellos los que producen la transformación o destrucción del contaminante. La población microbiana requiere un cuidadoso control de su ambiente, tomando en cuenta factores como temperatura, pH y nutrientes. Los organismos que se utilizan para inocular los Biorreactores son muy variados. Dentro de ellos, los más comunes son las bacterias, hongos y algunas algas. Su selección dependerá principalmente, de la naturaleza del contaminante y de las características biológicas del microorganismo, vale decir, de las condiciones ambientales a las cuales este se desarrolla.
Control de biomasa. Dentro de las variables que deben ser controladas en un reactor Airlift, destaca la concentración de la biomasa en suspensión, debido a que existe una relación directa entre este parámetro y la eficiencia de eliminación del contaminante, por lo tanto el control de la biomasa posibilita el aumento de la flexibilidad operacional del sistema. Una alternativa que permite mantener constante la concentración de biomasa en suspensión, es incorporar una fase liquida continua, provista de un sedimentador de células que permita la separación del soporte y biomasa, retornando el soporte al biorreactor y realizando una purga de células continuamente. Manteniendo la biomasa en suspensión constante en el sistema, es posible realizar comparaciones de eficiencia y capacidad de eliminación para diversos flujos de gas de alimentación al biorreactor y diferentes concentraciones de tolueno, de forma tal de
encontrar un valor .optimo de concentración de biomasa en el biorreactor que asegure elevadas eficiencias y capacidades de eliminación del contaminante. El desempeño del bioreactor Airlift, depende del tipo de contaminante tratado y sus concentraciones, así como también de los criterios de diseño. Cuando se encuentran los criterios .óptimos de diseño y operación, los valores de remoción para BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno) e hidrocarburos halogenados están en la gama de 90 a 99% y los hidrocarburos aromáticos poli cíclicos (naftaleno, acenaftileno, acenafteno) entre un 75% a 90%.
Parámetros de Diseño:
El biorreactor Airlift consiste en una columna de acrílico de 0.85 m de altura, con un Volumen total de 3.1 L, y un volumen útil de 2 L. Está constituido por dos tubos concéntricos. Por el tubo interno se introduce una corriente de aire contaminado que provoca la mezcla del líquido, debido a la diferencia de densidades que se produce entre ambos tubos. Cuando las burbujas de gas suben en el tubo, inducen un flujo de líquido ascendente dentro de éste y un flujo descendente en la región exterior del tubo. Una tercera zona se ubica en la parte superior del biorreactor, de un volumen de 1.1 L, cuyo objetivo es lograr la separación de las fases y la salida del efluente gaseoso.
Condiciones de operación del Biorreactor Airlift.
Durante este estudio se realizó. la operación del biorreactor de tipo Airlift, durante un periodo de 60 dias en marcha blanca, con puesta en marcha y régimen de operación normal de 112 d.as. El biorreactor se opera a distintos flujos de gas contaminante y diferentes purgas de biomasa del biorreactor, que alimentan al sedimentador. La operación del biorreactor luego de la puesta en marcha, se separa en 15 períodos.
Discusión: En la practica 1 de “Presentación de Biorreactores diversos” pudimos apreciar algunos modelos de Biorreactores existentes en el laboratorio. Sin embargo, debido a las condiciones dadas en dicho laboratorio, no pudimos apreciar su verdadero funcionamiento. Dentro de los principales tipos de Biorreactores que pudimos apreciar, están los siguientes: Tanque agitado, columna de burbujas y el modelo Airlift. Cada uno de estos modelos tienen características especificas y sobretodo, parámetros distintos para su fabricación y su operación, como por ejemplo, la relación existente entre la altura del tubo del Biorreactor con respecto a el diámetro del mismo (h/D). En el caso del tanque agitado, la relación
existente debe ser igual a 1. En los otros 2 casos, la relación se puede manejar como mayor o igual a 3 dependiendo de la literatura de consulta. Realmente como en esta práctica no se obtuvieron resultados experimentales, no se pueden discutir propiamente los resultados, sin embargo, si se pueden comparar las características de cada uno de los Biorreactores con respecto a la literatura, ya sean ventajas o desventajas y a continuación se mostraran dichos datos en un cuadro comparativo:
Bio
Ventajas
Desventajas
rreactor Tanque Agitado
Es sumamente
Requiere mas
versátil a
energía debido a
comparación de los
su agitación de
otros 2.
forma mecánica.
Soporta fluidos con una viscosidad alta
Se realiza en volúmenes pequeños.
Columna de Burbujas
Económico. Fácil montaje. Monitoreo y control de humedad. Monitoreo y control de Biomasa y CO2. Conexión en forma
Canales preferenciales de O2. Dificultad en la toma de muestra. Problemas en la eliminación de calor.
continua de varias columnas. Airlift
No presentan problemas de humedad. Transferencia y biodegradación total en un solo recipiente del Biorreactor. Son los que mayor capacidad tienen en volumen
El control de Biomasa.
Y para ilustrar de mejor manera el campo de los Biorreactores, a continuación daremos unos ejemplos de los principales fermentadores dados en la industria:
Tanque agitado •
El más versátil (cualquier producto)
•
Ácido ascórbico
•
Proteína
•
Antibióticos
•
Enzima
Tanque agitado con recirculación •
Levadura
•
Etanol
Columna de burbujas •
Ácido cítrico
•
Ácido acético
•
Ácido láctico
•
Esteroides
•
Enzimas Air-lift
•
Levadura
•
Bacterias
•
Células Vegetales
Conclusiones:
De manera general se comprobó que un Biorreactor es una elemento muy útil en el área biotecnológica por que se pueden llevar a cabo reacciones importantes a un bajo costo.
Dependiendo de las propiedades que tenga el fluido, es así como se decidirá qué tipo de Biorreactor utilizar en el experimento.
Si se va a realizar un proceso de tipo biológico, es necesario tomar en cuenta la
agitación neumática para evitar un mayor daño celular.
Se logró identificar los 3 tipos principales de Biorreactores en el laboratorio, así
como su manera de operar y algunas de sus condiciones y parámetros de fabricación.
REFERENCIAS: http://www.scribd.com/doc/31787823/Biorreactor-de-tanque-agitado-Morgan-G-Vasquez2010 http://redalyc.uaemex.mx/pdf/496/49612069027.pdf http://www.scribd.com/doc/23528889/Biorreactores-1-1 http://biblioteca.uct.cl/tesis/pamela-aguayo/tesis.pdf
