INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería campus Guanajuato
Reactor de inmersión temporal para plantas Ingeniería de Biorreactores Integrantes:
Camarena Alba Juan David Gasca Jiménez Kendra Alejandra Lino López Izamar Itzel López Castañeda Mariana Rojas Maldonado Coimbra
Objetivos Objetivo General
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Dise Diseña ñarr y anal analiz izar ar un un bior biorre reac acto torr de inm inmer ersi sión ón temporal para la micropropagación micropropagación de Carnegiea gigantea. gigantea.
Objetivos Específicos
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Establecer Establecer los parámetros parámetros cinéticos cinéticos de productivi productividad dad y volum volumen en de operación operación para C. gigantea. Realiz Realizar ar una una simul simulaci ación ón de cultiv cultivo o por por lote lote para para C. giga gigante ntea. a. Diseño Diseño de los los sistem sistemas as de aireación, aireación, agitación agitación,, transfe transferenci rencia a de calor calor y transferen transferencia cia de masa de un biorreactor de inmersión temporal para satisfacer la productividad del proceso de bioconversión.
Introducción La micropropagación con medio líquido es una técnica biotecnológica de cultivo in vitro aplicada a la propagación vegetativa de plantas. Ventajas
● ● ●
Tasas de de cr crecimiento Plan Planta tass libr libres es de de bact bacter eria ias, s, hon hongo goss y viru viruss Prod Produc ucci ción ón de plan planta tass todo todo el año año
● ●
Cont Contro roll de de las las cond condic icio ione ness de de ope opera raci ción ón Facili Facilidad dad de escala escalado do (produ (producir cir grande grandess volú volúmen menes es de plantas). Faci Facililida dad d de pre prepa para raci ción ón,, este esteri rililiza zaci ción ón y manipulación Mayor Mayor rapi rapidez dez en la la absor absorció ción n de sustan sustancia ciass nutr nutriti itivas vas y la difusión de sustancias tóxicas producidas por el
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Desventajas ● ●
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Gran Gran can cantitida dad d de pequ pequeñ eños os rec recip ipie ient ntes es de cultivo man mano de obra obra calif alific icad ada a
Tiem Tiempo poss y cos costo toss de de pro produ ducc cció ión. n. Caracterizar y optimizar la cinética de multiplicación del material vegetal
Sahuaro (C. gigantea)
Introdución
Cactácea columnar del Desierto Sonorense Alcanza los 16 m de altura y vivir más de 175 años. Su recambio poblacional es muy lento y está determinado por la acumulación de años con lluvias extraordinarias. Sus usos son muy variados: la colecta de sus frutos y la utilización para la construcción de casas y muebles. En
peligro
de
extinción.
MEDIO DE CULTIVO Y CINÉTICA DE CRECIMIENTO
Medio de cultivo
Aumento de biomasa
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Frascos de cultivo de capacidad 3 L de volumen total
●
Luz artificial: fotoperíodo de 16 horas de luz, temperatura 37±2°C.
Reología del medio
Ventajas en medio líquido aireados
Características del medio ★ ★ ★
Medio de cultivo MS (Murashige y Skoog, 1962) pH 5.5-5.9 Reguladores de crecimiento
Componentes del SIT
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Dos frascos 3L de capacidad. Manguera de silicona que mediante conectores atraviesen la tapa. Manguera en la parte interna, la cual desciende hasta el fondo en ambos recipientes. Dos electroválvulas conectadas a un temporizador programable para determinar el tiempo y frecuencia de la inmersión. Filtros hidrofóbicos para garantizar la esterilidad del aire.
Balance de materia
Ecuación de balance
★
Sistema de Inmersión
Sistema RITA dos compartimentos ○ uno superior donde se encuentran las plantas ○ uno inferior donde se deposita el medio de cultivo
Se inyecta aire con una bomba al compartimiento inferior donde se impulsa el medio de cultivo quedando las plantas inmersas el tiempo que dure la inyección de aire.
Tiempo y frecuencia de inmersión Suponiendo que: ▪
Para estudiar el tiempo de inmersión en la fase de multiplicación se estudian tres tratamientos: 10, 20 y 30 minutos.
▪
El volumen de medio de cultivo en la fase de multiplicación es de 2 L por Sistema de Inmersión Temporal.
▪
La frecuencia de inmersión es de cuatro inmersiones por día (cada seis horas).
▪
Las evaluaciones se realizan a los 21 días de cultivo y se emplean 40 explantes por frasco de cultivo y tres repeticiones por tratamiento
Efecto de la frecuencia de inmersión Suponiendo que: Se estudian tres frecuencias de inmersión, cada 3, 6, y 8 horas por día, con el mejor tiempo de inmersión obtenido como resultado en las variables en el experimento anterior (10 minutos de inmersión). Se utilizan las mismas condiciones del experimento efecto del tiempo de inmersión, así como el medio de cultivo. Se mantiene el mismo volumen de 2 L de medio de cultivo por frasco. (Ventura et al ., 2002)
Determinación del volumen del medio de cultivo
A partir de los resultados obtenidos, se estudia la densidad de inóculo con el objetivo de mejorar
las condiciones de cultivo, así como la calidad del proceso. Influencia de cuatro densidades de inóculo: 20; 40, 60 y 80 explantes por frasco.
Métodos para evaluaciones
Simulación (lote)
Crecimiento Vegetal
Velocidad de crecimiento
El cálculo se realiza obteniendo los pesos húmedos de la biomasa de la planta. La velocidad específica de crecimiento máxima (μmax) se calcula como:
Rendimiento
El cálculo del rendimiento respecto al sustrato se obtiene a partir del balance estequiométrico de la reacción que se estableció anteriormente.
Suponiendo: Volumen de operación: 2 L Tiempo de inmersión:
10 minutos de inmersión cada 3 horas
Potencia de aireación
Considerando las presiones
Obteniendo la Fuerza
Obteniendo el trabajo
DETERMINACIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN Y DISEÑO
Sistema RITA El tubo de entrada de aire posee un difusor tipo piedra porosa que genera el burbujeo en el medio.
La aireación es proporcionada por una bomba
de
pecera
con
un
caudal
constante de aire de 2 L/min.
Biorreactor en estado de reposo
Comienza a ingresar el aire al sistema
Plantas inversas en el medio de cultivo
El medio de cultivo desciende por gravedad a la
Transferencia de masa ( KLa Coeficiente de transferencia de oxígeno)
En este caso no se necesita adicionar oxígeno al medio, ya que la planta lo produce por sí sola. Dado que Sahuaro (C. gigantea) es una planta CAM, en caso de que exista un exceso de oxígeno tiene menos probabilidades de que ocurra la fotorrespiración., esta consiste en invertir la fotosintesis (O2->CO2)
Las condiciones óptimas para micropropagación: 25-26 °C de temperatura ambiente periodo de luz de 16 horas y 8 horas de oscuridad
CONSIDERACIONES FINALES PARA LA OPERACIÓN
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Convección natural regida principalmente por el mecanismo de fotosíntesis de la planta.
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Fuente de calor suele externa, (lámparas especiales controladas con sensores por lapsos de tiempo).
Mecanismo de Transferencia de Calor
Transferencia de Calor
Dónde: h = Coeficiente de convección As = Área del biorreactor en contacto con el aire Ts = Temperatura en la superficie de la planta Tinf =Temperatura ambiente.
Limpieza y esterilización
Condiciones
Volúmenes inferiores a 3 L: Siendo el volumen total de 2 L, se
-
Uso del autoclave de laboratorio a 120ºC durante 20 min y 2 atm de presión es más que suficiente para eliminar esporas. Stanier et al., (1992)
considera trabajar con la bacteria Bacillus stearothermophilus
Microorganismos presententes con más frecuencia en medios de cultivos.
Esterilización por lote para el medio de cultivo
Primera etapa:
Enfriamiento
La muerte térmica de los microorganismos ocurre en cada una de las etapas en que está constituido el ciclo de esterilización, el cual se diseña para reducir la viabilidad de las esporas originalmente presentes en el medio (Doran,1995).
Segunda etapa:
Mantenimiento de la temperatura
Tercera etapa:
Enfriamiento
Cinética de muerte La constante de muerte a la vez se define
como:
dN/dt = - kd N Donde kd : constante de muerte que varía conforme a la temperatura N: cantidad de microorganismos presentes en el medio.
Kd=A*exp(εa /RT) Donde para Bacillus stearothermophilus A=8.216x10 35 s−1 εa =282,336.32 J/mol.
Para calentamiento se tiene que:
Método de Richards
T = To + (Hst)/ [Cp*(M+st)]
Mientras que para enfriamiento: En este método se asume que la eliminación de esporas ocurre en el intervalo de temperatura de 100°C a 130°C.
Para las etapas de calentamiento y enfriamiento se pueden expresar de la forma siguiente:
T = Tco + ( To – Tco)* exp [(1- e(-Ua/Cp’w) ) (-w /M)*t] Donde: H: entalpía de vaporización. s: flujo másico TCO: Temperatura absoluta de la fuente enfriadora To: temperatura absoluta inicial del medio w: Flujo másico del refrigerante Cp: calor específico del medio M: Masa inicial de medio a esterilizar U: Coeficiente de transferencia global a: Aérea de transferencia
Mediante suposiciones:
Método de Richards
T0=100°
* Calentamiento el tiempo requerido: *Enfriamiento: 10.46
11.45 min
min
N0= 10^6
N=10^-11
Puesto que Kd es constante durante la etapa de mantenimiento y ∇total = ln (No/N): tmantención= 1.46 min
El tiempo de mantenimiento se calcula a partir de:
Obteniendo un tiempo total de: ttotal=10.46min+11.45min+2.46min=24.37 min 4.37 min más a lo establecido por Stainers.
Hoja de especificaciones
Conclusiones
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Se seleccionó a la planta Carnegiea gigantea para su micropropagación en el biorreactor de inmersión temporal para plantas por su valiosa producción de polen y néctar, y por lla preservación de la especie.
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Se propusieron los parámetros cinéticos de productividad y volumen de operación: 2 L y un tiempo de inmersión de 10 minutos cada 3 horas.
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La condiciones establecidas para mantener al biorreactor fueron: medio de cultivo líquido MS con un pH de 5.6, 30°C de temperatura ambiente, periodo de luz de 17 horas y 7 horas de oscuridad.
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El diseño de aireación teórico más viable en un SIT es el sistema RITA que inyecta aire con una bomba al compartimiento inferior, el medio de cultivo es impulsado hacia el que contiene las plantas, quedando estas inmersas en el medio líquido por lo que dure la inyección de aire.
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Ll mejor mecanismo para el modelado de la transferencia de calor fue la convección, debido al tipo de biorreactor, ya que el aire del ambiente mantendrá al medio a la temperatura deseada.
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