Biorreactores EXPO
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BiorreactoresUniversidad Politécnica Metropolitana de
PueblaIngeniería en Biotecnología
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Definición
• Definición: un biorreactor es el centro de todo proceso biotecnológico, el cual es un recipiente en el que se lleva a cabo una transformación bioquímica, por medio de enzimas o microorganismos en el cual interviene un biocatalizador.
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• La función principal de un biorreactor diseñado adecuadamente es proporcionar un entorno controlado para lograr un crecimiento óptimo y / o la formación de producto en el sistema celular particular empleado
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• Para diseñar un biorreactor, algunos objetivos tienen que ser definidos. Las decisiones tomadas en el diseño del biorreactor puede tener un impacto significativo en el rendimiento general del proceso.
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El rendimiento de cualquier biorreactor depende de muchas funciones, incluyendo:
• En un biorreactor existen factores que deben ser atendidos de manera estricta para poder obtener el producto deseado, entre ellas:• Temperatura • Agitación • PH• Presión nutrientes• Flujo de aire• Oxígeno disuelto• Redox
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El rendimiento de cualquier biorreactor depende de muchas funciones , incluyendo:
• La concentración de biomasa debe permanecer lo suficientemente alto como para mostrar un alto rendimiento.
• Condiciones estériles deben mantenerse para el sistema de cultivo puro.• Se requiere una agitación eficaz para la distribución uniforme del sustrato y los
microbios en el volumen de trabajo del biorreactor .• Se necesita transferencia de calor para operar el biorreactor a temperatura
constante, como la temperatura deseada de crecimiento microbiano óptimo .• Creación de las condiciones de corte correctos. Alta tasa de cizalladura puede ser
perjudicial para el organismo y alterar la pared celular; bajo cizallamiento también puede ser indeseable debido a la floculación no deseado y la agregación de las células, o incluso el crecimiento de bacterias en la pared del reactor y el agitador.
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• El control de estos y otros parámetros generalmente se realiza en recipientes de fermentación que son diseñados específicamente para tal fin y con capacidad para distintos volúmenes de trabajo, según los requisitos de rendimiento y producción.
• Para proporcionar el ambiente deseado, las propiedades del sistema deben ser monitoreadas y medidas, para corregir cualquier desviación de los valores deseados.
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PARAMETROS CINÉTICOS:
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Clasificación operativa
• Al operar un biorreactor en una determinada forma de operación, automáticamente queda definido el modo de cultivo de sistema y se definen los parámetros y las características operativas y de diseño que intervienen en el proceso productivo de sistema.
• A su vez, el metabolismo de los microorganimos define los parámetros y características operativas-biológicas de diseño y de operación del biorreactor.
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Clasificación operativa
• Discontinuo (batch): También conocido por lotes, sin alimentación, dentro del biorreactor se coloca la carga total del proceso, cultivo o fermentación y se deja que se lleve a cabo el proceso productivo o la fermentación por el tiempo estimado o necesario el cual se denomina tiempo de retención.
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Clasificación operativa
• Semicontinuo (feed batch): También llamado por lotes alimentados, que tiene una alimentación de entrada para que el sistema de cultivo tenga un producto (biomasa) con máximo crecimiento y aumente la productividad
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Clasificación operativa
• Continuo: Por quimioestato, es alimentado por una línea de entrada o alimentación y se drena una línea de salida o lavado, de manera que los flujos o caudales de ambas líneas sean iguales y la producción sea continua
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Tipos de agitación
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Existen distintos tipos de Biorreactores, entre los principales se encuentran:
• Tanque agitado• Columna de burbujeo• De circularión (Air-lift)• Lechos empacados• Lechos fluidizados• Lechos de goteo• Aireados y agitados
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Fermentador de tanque agitado• Es el tipo más común de biorreactor utilizado en la industria. Se utilizan
generalmente para cultivos aeróbicos que proporciona un patrón de circulación definida .
• Características:• Versátiles: permiten cambios para uso multipropósito• Agitación mecánica : consumo relativamente alto de potencia• Otros elementos: bafles deflectores, rompe-espumas• Transferencia de calor: Serpentines o camisas• Tipo de operación: discontinua, semicontinua y continua
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Columna de burbujeo
• Es el fermentador más sencillo• No cuenta con agitación mecánica• Su hidrodinámica y demás características dependen de las
burbujas formadas en el difusor.• Células susceptibles de daño celular• Características de diseño: Distribución de gas• Control por velocidad de transporte de
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Corriente de aire (Air-lift)• La corrientes de flujo del líquido están más definidas debido a la
separación física de las corrientes ascendentes y descendentes.• Utilizado en procesos de: • Cultivo de células superiores• Tejidos u órganos de células vegetales• Tratamiento de aguas• Diferente densidad: Separación de gas en la zona superior• Configuraciones para recirculación interna y externa.
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Lechos empacados• Se utilizan en biocatalizadores inmovilizados o en forma de partículas.• Consiste en un tubo vertical, relleno o empacado con partículas de
catalizador.• El medio de cultivo puede alimentarse por la parte superior o inferior de la
columna y formar una fase líquida continua entre las partículas.• El daño debido al desgaste de las partículas es mínimo en comparación con
los reactores agitados.• Se emplea a nivel comercial con células y enzimas inmovilizadas para la
producción de aspartato y fumarato y en la separación de isómeros de aminoácidos.
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Lechos fluidizados• El fundamento de operación se basa en el
flujo hacia arriba de un líquido sobre un lecho empacado de partículas de catalizador de tamaño y densidad apropiados, éste se expande debido al movimiento ascendente de las partículas.
• Se utilizan en el tratamiento de residuos con arena o un material similar que soporta la mezcla de poblaciones microbianas.
• Para procesos de elaboración de cerveza o vinagre
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Lecho de goteo
• Es una variación del lecho empacado.• El sustrato se hace pasar lentamente por la
matriz empaquetada que contiene al microorganismo ( un proceso semi-continuo y discontinuo), lo que supone considerar el tiempo de residencia.
• Líquido suministrado en forma de spray• Este tipo de biorreactor es ampliamente
utilizado para el tratamiento aeróbico de aguas residuales .
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Biorreactores especiales
• BIORREACTORES PULSANTES
• Agitación por pulsos• Procesos aerobios• Para viscosidades elevadas
y de operación continua
• BIORREACTORES ROTATORIOS• Sustratos sólidos• Bajos niveles de humedad • Procesos anaerobios y microarofilos • Ambiente selectivo: Mohos, bacterias, levaduras• Volumen pequeño• Baja posibilidad de contaminación• Separación de producto sencilla (líquido, gas,
sólido
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Aplicaciones
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Conclusión
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Referencias
• DORAN, Paulina (1998), Principios de ingeniería de los bioprocesos, Editorial Acribia, España.
• ATKINSON, B.,(2002) Reactores químicos, Reverté, 2° Edición, España.
• NAJAFPOUR, G., (2006), Biochemical Engineering amd Biotechnology, 1st Edition, Elsevier Science, Oxford.