1. Bioreactores:Bioreactores:

2. BiorreactorBiorreactor
Un biorreactor es un recipiente o sistemaes un recipiente o sistema
que mantiene un ambienteque mantiene un ambiente biológicamentebiológicamente
activo.activo.
 Este proceso puede serEste proceso puede ser aeróbico oo
anaeróbicoanaeróbico. Estos biorreactores son. Estos biorreactores son
comúnmentecomúnmente cilíndricoscilíndricos, variando en, variando en
tamaño desde algunos mililitros hastatamaño desde algunos mililitros hasta
metros cúbicos y son usualmentemetros cúbicos y son usualmente
fabricados enfabricados en acero inoxidableacero inoxidable..

3.  UnaUna fermentación es un procesoes un proceso biológicobiológico oo
bioproceso que consiste en labioproceso que consiste en la descomposicióndescomposición
de la materia orgánica por microorganismosde la materia orgánica por microorganismos
fermentadores (fermentadores (bacterias y hongos).bacterias y hongos).
 UnUn cultivo también es un bioproceso, perotambién es un bioproceso, pero
generalmente se asocia a organismos ogeneralmente se asocia a organismos o
microorganismos superioresmicroorganismos superiores (en orden(en orden
jerárquico) a las bacterias; los cultivos son casijerárquico) a las bacterias; los cultivos son casi
todos del Reino Eucariota.todos del Reino Eucariota.

4. BiorreactoresBiorreactores

5. BiorreactorBiorreactor
 Aquí se busca mantener las mejoresAquí se busca mantener las mejores
condiciones ambientales al organismo ocondiciones ambientales al organismo o
sustancia química.sustancia química.
 En función de flujos de entrada y salida.En función de flujos de entrada y salida.
 3 tipos:3 tipos:
Por Lote (Batch)Por Lote (Batch)
Lote alimentadoLote alimentado
Continuo o quimiostatoContinuo o quimiostato

6. Diseño de biorreactoresDiseño de biorreactores
 Las condiciones ambientales de unLas condiciones ambientales de un
biorreactor tales como flujo de gases (porbiorreactor tales como flujo de gases (por
ejemplo, oxígeno,ejemplo, oxígeno, nitrógenonitrógeno,,
dióxido de carbonodióxido de carbono, etc.),, etc.), temperaturatemperatura,,
pHpH,, oxígeno disueltooxígeno disuelto y velocidad dey velocidad de
agitaciónagitación o circulación, deben sero circulación, deben ser
cuidadosamentecuidadosamente monitoreadas ymonitoreadas y
controladascontroladas..

7. Diseño de biorreactoresDiseño de biorreactores
 El cilindro debe ser perfectamente esterilizable yEl cilindro debe ser perfectamente esterilizable y
limpiable.limpiable.
 Los biorreactores industriales usualmenteLos biorreactores industriales usualmente
empleanemplean bacteriasbacterias u otros organismos simplesu otros organismos simples
que pueden resistir laque pueden resistir la fuerzafuerza de agitación.de agitación.
 Siendo fáciles de mantener ya que requierenSiendo fáciles de mantener ya que requieren
sólo soluciones simples desólo soluciones simples de nutrientesnutrientes y puedeny pueden
crecer acrecer a grandes velocidadesgrandes velocidades

8. BiorreactorBiorreactor
 El proceso debe ser llevado a cabo con:El proceso debe ser llevado a cabo con:
EconomíaEconomía
Alto rendimientoAlto rendimiento
Menor tiempo posibleMenor tiempo posible

9. Biorreactor: cultivosBiorreactor: cultivos
 La cinética biológica depende de lasLa cinética biológica depende de las
características intrínsecas del organismocaracterísticas intrínsecas del organismo
o del cultivo:o del cultivo:
Crecimiento celularCrecimiento celular
Velocidad de crecimientoVelocidad de crecimiento

10. Cinética de crecimientoCinética de crecimiento
 Velocidad de crecimiento:Velocidad de crecimiento:
CambioCambio en elen el número de célulasnúmero de células o en la masao en la masa
celular en un determinadocelular en un determinado tiempotiempo..
 Tiempo de duplicación o generaciónTiempo de duplicación o generación
TiempoTiempo necesarionecesario para que unapara que una poblaciónpoblación sese
dupliqueduplique
Varía entre cada microorganismoVaría entre cada microorganismo

11. Curva de crecimiento microbianoCurva de crecimiento microbiano
 4 fases4 fases
 Distinta para cadaDistinta para cada
microorganismomicroorganismo

12. Fase de latencia o lagFase de latencia o lag
 Fase deFase de adaptaciónadaptación a las condicionesa las condiciones
ambientalesambientales
 Duración variableDuración variable
 SeSe sintetizan proteínas y ARNsintetizan proteínas y ARN
 Duplicación insignificativaDuplicación insignificativa
 Ocurre cuando se transfiere un inoculoOcurre cuando se transfiere un inoculo
desde un medio rico a un medio másdesde un medio rico a un medio más
pobre.pobre.

13. Fase exponencialFase exponencial
 Duplicación celularDuplicación celular
 ActividadActividad metabólicametabólica
 Estado fisiológico más sanoEstado fisiológico más sano
 Velocidad de crecimiento variableVelocidad de crecimiento variable
Condiciones medio ambientalesCondiciones medio ambientales
GenéticaGenética
 Se alarga hasta que se agotan losSe alarga hasta que se agotan los
nutrientesnutrientes

14. Fase estacionariaFase estacionaria
 ElEl número de células viables es igualnúmero de células viables es igual
número de células muertasnúmero de células muertas
 Nutriente limitanteNutriente limitante
 Productos de desechosProductos de desechos

15. Fase de muerteFase de muerte
 LaLa muerte celularmuerte celular se vuelve exponencialse vuelve exponencial
Autolisis bacterianasAutolisis bacterianas

16. Cinética de crecimientoCinética de crecimiento

17. Biorreactor: objetivosBiorreactor: objetivos
 Mantener lasMantener las células uniformementecélulas uniformemente
distribuidasdistribuidas en todo el volumen de cultivo.en todo el volumen de cultivo.
 MantenerMantener constante y homogénea laconstante y homogénea la
temperatura.temperatura.
 MinimizarMinimizar loslos gradientesgradientes dede concentraciónconcentración dede
nutrientesnutrientes..
 Mantener elMantener el cultivo purocultivo puro..
 Mantener unMantener un ambiente asépticoambiente aséptico..
 Maximizar el rendimiento y la producción.Maximizar el rendimiento y la producción.
 Minimizar el gasto y los costos de producción.Minimizar el gasto y los costos de producción.
 Reducir al máximo el tiempo.Reducir al máximo el tiempo.

18. Parámetros a controlarParámetros a controlar
 Temperatura:Temperatura:
Afecta el crecimiento del cultivo deAfecta el crecimiento del cultivo de
microorganismos o celular.microorganismos o celular.
Conforme aumenta la temperaturaConforme aumenta la temperatura
Por encima de la temperatura máxima.Por encima de la temperatura máxima.
SensoresSensores
Laboratorio: intercambiador de calorLaboratorio: intercambiador de calor

20. Parámetros a controlarParámetros a controlar
 pHpH
 El rango normal de acidez es deEl rango normal de acidez es de 2,0 ≥ pH ≤ 10,0.2,0 ≥ pH ≤ 10,0.
 El pH es controlado por el metabolismo celular.El pH es controlado por el metabolismo celular.
 Levadura: 3,5-5,5Levadura: 3,5-5,5
 Bacterias 6,0 y 7,5Bacterias 6,0 y 7,5
 Equipos:Equipos:
 Condensador de acidezCondensador de acidez
 Condensador de alcalinoCondensador de alcalino
 Bombas peristálticas con mangueras de siliconasBombas peristálticas con mangueras de siliconas

22. Parámetros a controlarParámetros a controlar
 EspumaEspuma
Densas y jabonosas : productos oxidadosDensas y jabonosas : productos oxidados
Problemas funcionalesProblemas funcionales
Contaminación del cultivoContaminación del cultivo
No se pueden realizar bien las medicionesNo se pueden realizar bien las mediciones
 Solución:Solución:
AntiespumanteAntiespumante
ControladorControlador
sensorsensor

24. Tipos de biorreactoresTipos de biorreactores
 Reactor de tanqueReactor de tanque
agitado:agitado:
Más utilizadosMás utilizados
ConfiablesConfiables
Sistema de agitaciónSistema de agitación
mecánicamecánica

25. CaracterísticasCaracterísticas
 Agitación continuaAgitación continua
 Inyección de aire por la parte inferiorInyección de aire por la parte inferior
Burbujas: difusión de oxígenoBurbujas: difusión de oxígeno
 Contiene vanos de flectores:Contiene vanos de flectores:
Mejor mezcladoMejor mezclado
 Sistema de calor por fueraSistema de calor por fuera

26.  Sistema de agitación:Sistema de agitación:
 Generar laGenerar la potenciapotencia necesaria paranecesaria para producirproducir unauna
mezcla perfectamezcla perfecta para el sistema de cultivopara el sistema de cultivo
 MaximizarMaximizar lala difusión de gasesdifusión de gases en el líquido yen el líquido y
minimizar la producción de esfuerzos cortantes y laminimizar la producción de esfuerzos cortantes y la
presión hidrodinámica local y global, para optimizarpresión hidrodinámica local y global, para optimizar
los fenómenos de transferencia de momentum, calorlos fenómenos de transferencia de momentum, calor
y masa.y masa.

27. Componentes sistema de agitaciónComponentes sistema de agitación
Eje de transmisión
de potencia Rotor
Motor en pedestal

29. Reactor “air lift”Reactor “air lift”
 La agitación la entrega elLa agitación la entrega el
aire proporcionadoaire proporcionado

30. Modos de operaciónModos de operación
 Quimiostato o cultivo continuoQuimiostato o cultivo continuo
Se mantiene por un tiempo indefinidoSe mantiene por un tiempo indefinido
 Existe unExiste un flujo continuoflujo continuo de reactivos frescos hacia elde reactivos frescos hacia el
reactor y elreactor y el producto fluyeproducto fluye continuamente hacia fuera.continuamente hacia fuera.
Se compone de:Se compone de:
Un reactor con un volumen de cultivo constanteUn reactor con un volumen de cultivo constante
Entrada de nutrientes constanteEntrada de nutrientes constante
Salida biomasaSalida biomasa

31.  Pasos:Pasos:
 Cargarse con ínóculo de cultivoCargarse con ínóculo de cultivo
 Agregar medio de cultivo frescoAgregar medio de cultivo fresco
 Lavar (flujo de salida)Lavar (flujo de salida)
 Mantener el volumen constanteMantener el volumen constante
Una vez que el sistema alcanza el equilibrio, elUna vez que el sistema alcanza el equilibrio, el
número de células y la concentración denúmero de células y la concentración de
nutrientes en la cámara permanecennutrientes en la cámara permanecen
constantes, y entonces seconstantes, y entonces se dice que el sistemadice que el sistema
está en estado estacionarioestá en estado estacionario, con las células, con las células
creciendo exponencialmente.creciendo exponencialmente.

33.  En unEn un sistema continuosistema continuo con mezclacon mezcla
completa, lascompleta, las condiciones son uniformescondiciones son uniformes
en todo el reactor, en un equilibrio deen todo el reactor, en un equilibrio de
mezcla de nutrientes, organismos ymezcla de nutrientes, organismos y
productos.productos.
 LaLa alimentaciónalimentación del sistema es mediodel sistema es medio
nutrientenutriente libre de organismoslibre de organismos y, eny, en
algunos casos, unalgunos casos, un inóculo de organismosinóculo de organismos
reciclados.reciclados.

34.  Este método de cultivo continuo, permiteEste método de cultivo continuo, permite
a los organismosa los organismos crecer en condicionescrecer en condiciones
de estado estacionariode estado estacionario, en las que el, en las que el
crecimiento ocurre a unacrecimiento ocurre a una velocidadvelocidad
constante y en un medio ambienteconstante y en un medio ambiente
constante.constante.

35. Cultivo por Lote (Batch)Cultivo por Lote (Batch)
 ElEl reactor se cargareactor se carga con la especie reactivacon la especie reactiva
y, a medida que procede la reacción,y, a medida que procede la reacción,
cambian las condicionescambian las condiciones en el reactor alen el reactor al
consumirse los reactivos yconsumirse los reactivos y formarse losformarse los
productos.productos.
 Cuando se ha alcanzado el nivel deseadoCuando se ha alcanzado el nivel deseado
de reacción,de reacción, se vacía el reactor,se vacía el reactor, se limpiase limpia
y el proceso se repite.y el proceso se repite.

36.  El crecimientoEl crecimiento exponencialexponencial es dees de duraciónduración
limitadalimitada
 A medida que las condicionesA medida que las condiciones
nutricionales cambian,nutricionales cambian, la velocidad dela velocidad de
crecimiento disminuyecrecimiento disminuye y se entra en lay se entra en la
fase de deceleración, seguida de la fasefase de deceleración, seguida de la fase
estacionaria, donde el crecimiento globalestacionaria, donde el crecimiento global
no se obtiene, por falta de nutrientes.no se obtiene, por falta de nutrientes.

37. VentajasVentajas
 menor riesgo de contaminaciónmenor riesgo de contaminación
 flexibilidad operacional cuando losflexibilidad operacional cuando los
fermentadores se utilizan para distintosfermentadores se utilizan para distintos
productosproductos
 control más cercano de la estabilidadcontrol más cercano de la estabilidad
genética del organismogenética del organismo
 una mejor coordinación con estadios deluna mejor coordinación con estadios del
proceso entre lotes previos y posteriores.proceso entre lotes previos y posteriores.

38. DesventajasDesventajas
 Improductividad en la operación delImproductividad en la operación del
fermentadorfermentador
Los fermentadores deben ser vaciados,
limpiados, esterilizados y recargados antes
de cada fermentación, operaciones todas
esenciales pero no productivas.
En un proceso continuo, por el contrario, una
corrida puede durar semanas o meses, es
decir que el tiempo no productivo es, en
proporción, pequeño