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CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE UN BIORREACTOR ARTESANAL.pdf

Curso de Biotecnología

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Biotecnología
DOCE NT E :
S OT O GONZ A L E S HE B E RT HE R NAN
I NT E GRA NT E S :
- CE RVA NT E S MA QUE RA CA MI L A
- HUI Z A L ORE NZ O P A OL A
- T A RQUI CHÁ VE Z ME L
En el presente trabajo se presenta la
construcción de un biorreactor
artesanal tipo tanque agitado, el cual
está elaborado con instrumentos y
recursos disponibles en cualquier
laboratorio. Este biorreactor mostró
una satisfactoria capacidad de
mezclado. Los resultados obtenidos
avalan la aptitud del biorreactor
artesanal para su uso en el estudio de
fermentaciones microbianas a escala
de laboratorio.
Los biorreactores de tanque agitado se han ido perfeccionando en busca del control más
preciso de los ambientes de desarrollo de cultivos vivos.. Los biorreactores de pequeña
escala han resultado vitales en procesos de escalado y desescalado, optimización de
cepas, caracterización y desarrollo de procesos. El costo de los biorreactores
comerciales suele ser muy elevado, el cual dificulta su adquisición, es por ello que se
pretender elaborar un biorreactor artesanal a partir de materiales más accesibles y de
bajo costo, a la ves que se cumple con los requisitos para el cultivo de microorganismos.
Introducción
Resumen
CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN
BIORREACTOR ARTESANAL TIPO TANQUE
AGITADO PARA FERMENTACIONES SUMERGIDAS A
ESCALA DE LABORATORIO
Materiales y Métodos Diseño y Construcción del Biorreactor
Balón de 2L., de diámetros en el
interior de 16 cm, altura de cuello 14
cm. La boca se cerró con un tapón de
goma multihoradado, en el cual se
insertaron la flecha de agitador, el
termómetro, el condensador y los
tubos.
Se constituyó por una bomba de vacío, con
capacidad de bombeo de 0.67L.min-1, el
cual se conectó mediante una manguera
de silicona a un filtro microbiológico de
membrana hidrofóbica para garantizar
esterilidad de aire.
La agitación del sistema se estableció
por medio de un agitador mecánico
portable, el cual se acopló un impelente
de acero inoxidable de cuatro paletas
planas verticales, a una distancia del
fondo del fondo del vaso y del
dispersor de 3.5 cm y 2.5 cm.
Se conformó por un condensador de reflujo
de 30x3 cm acoplado al vaso del biorreactor.
Este se conectó a una trampa química, para
evitar la entrada de contaminantes. La boca
superior del balón se conectó al condensador
y la lateral a un dispositivo soxhlet para
garantizar el reflujo de la solución
microbiana.
El embudo de vidrio debe estar
provisto con llave de rosca de
teflón, la tapa debe de contar con
dos orificios en donde se le
introducen tubos de vidrio.
La constancia de la temperatura se
estableció por medio del dispositivo de
calentamiento y recirculación de agua
de un baño termostático y se midió
mediante termómetros de mercurio
convencionales sumergidos en el cultivo
y en el agua.
Como reservorio del inóculo se
dispuso de un Kitasato, a cuya salida
lateral se conectó un filtro
microbiológico (0.2), en la boca se
coloco un tapón de goma en el que
se insertó un tubo de vidrio.
Vaso del Biorreactor Agitación Sistema para la toma de muestra Sistema para la entrada de inóculo
Sistema de suministro de aire
Sistema de salida de gases Control de temperatura
CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN
BIORREACTOR ARTESANAL TIPO TANQUE
AGITADO PARA FERMENTACIONES SUMERGIDAS A
ESCALA DE LABORATORIO
Materiales y Métodos
Materiales utilizaos en la
construcción del Biorreactor
Instrumentos y accesorios construidos a base
de vidrio borosilicato, tapones de caucho
vulcanizado y mangueras de silicona. El sistema
de agitación con acero ioxidable
Determinación del coeficiente Volumétrico
Global de Transferencia de Oxigeno (kla)
Por el método del Sulfito, se lleno con 1 L de una
solución de sulfito de sodio a 0.25 mol/L, como
catalizador CuSO4*5H20 a 1 g/L. A una
temperatura de 36°C, empleando diferentes
condiciones de agitación, y aireación sostenida de
0.67 vvm. La concentración residual de sulfito se
determino por el método yodimetrico.
Determinación de la Capacidad
de Mezclado de Sistema
Mediante el análisis de comportamiento
temporal de la concentración de un solido
insoluble finamente particulado y con un
alto coeficiente de sedimentación en el
punto de toma de muestra, bajo diferentes
comb8inaciones de aireación/agitación
Prueba de esterilidad del
Sistema
El biorreactor se cargo con 1 L de
caldo de nutrientes, se acoplaron
demás accesorios y se esterilizo con
autoclave. Al alcanzar la temperatura
ambiente, se puso en funcionamiento
a una temperatura de 37°C, flujo de
aire de 0.67 L/min y agitación de 650
min-1. Se establecieron tres puntos
temporales de control de esterilidad a
las 0, 12 y 24 horas.
Resultados y discusión
Diseño y Construcción del
Biorreactor
Capacidad de garantizar la esterilidad en
su interior durante un intervalo de tiempo
relativamente largo y la realización de
muestreos periódicos
Buena transferencia de oxígeno
Mezclado uniforme de la suspensión celular
Se enfatizó en tres cuestiones esenciales de su
funcionamiento:
Aireación
Se optó por un diseño en espiral del
dispersor, portando tres líneas
equidistantes de orificios de »3 mm de
diámetro, en posicionamiento alterno. Las
burbujas pequeñas presentan menor
velocidad de ascenso y, en consecuencia,
permanecen más tiempo en contacto con el
líquido, todo lo cual deriva en una mejor
transferencia de oxígeno al medio. Este
parámetro crítico en el desempeño de un
biorreactor.
Agitación
Los agitadores de palas y las turbinas
de placas planas, producen buenos
flujos radiales en el plano del rodete.
En general, los impelentes tipo turbina
de palas resultan los más usados, dada
su capacidad de operar a velocidades
de agitación altas y un amplio rango de
viscosidades. La agitación excéntrica
fue utilizada, al ser especialmente
recomendable en biorreactores de
pequeña escala, puesto que se evita el
uso de deflectores.
El biorreactor de tanque agitado se diseñó
para que reuniera una adecuada capacidad de
oxigeno, mezclado eficiente, control efectivo
de la temperatura y mantenimiento de la
esterilidad; y asi obtener éxito en la
fermentación microbiana.
Conclusiónes
c. CAPACIDAD DE MEZCLADO DEL BIORREACTOR
Los biorreactores deben garantizar un mezclado eficiente. El BaSO4 (Sulfato de Bario) posee una rápida
cinética de formación, estabilidad morfológica y de tamaño de sus partículas, baja solubilidad en agua y alta
densidad.
El experimento busca determinar la eficiencia del biorreactor en el proceso de mezclado mediante la
capacidad de mantener en suspensión uniforme bajo diferentes niveles de agitación y aireación.
En las variantes evaluadas se registran comportamientos sinusoidales, el análisis de regresión lineal simple de
la concentración de BaSO4 vs. Tiempo corrobora la apreciación.
d. PRUEBA DE ESTERILIDAD
El control se da a partir de la exposición continua del sistema en condiciones reales de fermentación microbiana.
No hubo presencia de contaminantes en las placas Petri.
Las muestras se propagaron en el caldo nutriente por 24h. y se sembraron en placas con agar nutriente. En 2h. la
contaminación del orden probable es de 0.1-3 cél/mL, pero la negatividad observada en los resultados demuestra
la esterilidad del biorreactor, lo que garantiza la fiabilidad del biorreactor.
Resultados y discusión
Se construyó usando materiales e instrumentación de laboratorio en
entradas y salidas del sistema. Los estudios mostraron la aptitud del
biorreactor para investigaciones sobre fermentación dada la eficiencia
observada en procesos de mezclado, transferencia de oxígeno y
mantenimiento de esterilidad y temperatura en la duración de la
fermentación.
CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN
BIORREACTOR ARTESANAL TIPO TANQUE
AGITADO PARA FERMENTACIONES SUMERGIDAS A
ESCALA DE LABORATORIO
b. TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN EL BIORREACTOR
Es el parámetro más importante implicado en el diseño, operación y escalado de biorreactores. Una
concentración de oxígeno superior a la crítica es necesaria para conseguir un crecimiento microbiano y
formación de productos óptimos. Por lo que el valor de coeficiente volumétrico de transferencia de masa es
indispensable. Los valores aumentan cuando se incrementan los niveles de agitación. El optimo de del kla en el
biorreactor es de 30-60%. El valor obtenido en el biorreactor artesanal a una velocidad de agitación de 850
por minuto, es eficiente para garantizar 20% de saturación de oxígeno.

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CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE UN BIORREACTOR ARTESANAL.pdf

  • 1. Biotecnología DOCE NT E : S OT O GONZ A L E S HE B E RT HE R NAN I NT E GRA NT E S : - CE RVA NT E S MA QUE RA CA MI L A - HUI Z A L ORE NZ O P A OL A - T A RQUI CHÁ VE Z ME L
  • 2. En el presente trabajo se presenta la construcción de un biorreactor artesanal tipo tanque agitado, el cual está elaborado con instrumentos y recursos disponibles en cualquier laboratorio. Este biorreactor mostró una satisfactoria capacidad de mezclado. Los resultados obtenidos avalan la aptitud del biorreactor artesanal para su uso en el estudio de fermentaciones microbianas a escala de laboratorio. Los biorreactores de tanque agitado se han ido perfeccionando en busca del control más preciso de los ambientes de desarrollo de cultivos vivos.. Los biorreactores de pequeña escala han resultado vitales en procesos de escalado y desescalado, optimización de cepas, caracterización y desarrollo de procesos. El costo de los biorreactores comerciales suele ser muy elevado, el cual dificulta su adquisición, es por ello que se pretender elaborar un biorreactor artesanal a partir de materiales más accesibles y de bajo costo, a la ves que se cumple con los requisitos para el cultivo de microorganismos. Introducción Resumen CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN BIORREACTOR ARTESANAL TIPO TANQUE AGITADO PARA FERMENTACIONES SUMERGIDAS A ESCALA DE LABORATORIO Materiales y Métodos Diseño y Construcción del Biorreactor Balón de 2L., de diámetros en el interior de 16 cm, altura de cuello 14 cm. La boca se cerró con un tapón de goma multihoradado, en el cual se insertaron la flecha de agitador, el termómetro, el condensador y los tubos. Se constituyó por una bomba de vacío, con capacidad de bombeo de 0.67L.min-1, el cual se conectó mediante una manguera de silicona a un filtro microbiológico de membrana hidrofóbica para garantizar esterilidad de aire. La agitación del sistema se estableció por medio de un agitador mecánico portable, el cual se acopló un impelente de acero inoxidable de cuatro paletas planas verticales, a una distancia del fondo del fondo del vaso y del dispersor de 3.5 cm y 2.5 cm. Se conformó por un condensador de reflujo de 30x3 cm acoplado al vaso del biorreactor. Este se conectó a una trampa química, para evitar la entrada de contaminantes. La boca superior del balón se conectó al condensador y la lateral a un dispositivo soxhlet para garantizar el reflujo de la solución microbiana. El embudo de vidrio debe estar provisto con llave de rosca de teflón, la tapa debe de contar con dos orificios en donde se le introducen tubos de vidrio. La constancia de la temperatura se estableció por medio del dispositivo de calentamiento y recirculación de agua de un baño termostático y se midió mediante termómetros de mercurio convencionales sumergidos en el cultivo y en el agua. Como reservorio del inóculo se dispuso de un Kitasato, a cuya salida lateral se conectó un filtro microbiológico (0.2), en la boca se coloco un tapón de goma en el que se insertó un tubo de vidrio. Vaso del Biorreactor Agitación Sistema para la toma de muestra Sistema para la entrada de inóculo Sistema de suministro de aire Sistema de salida de gases Control de temperatura
  • 3. CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN BIORREACTOR ARTESANAL TIPO TANQUE AGITADO PARA FERMENTACIONES SUMERGIDAS A ESCALA DE LABORATORIO Materiales y Métodos Materiales utilizaos en la construcción del Biorreactor Instrumentos y accesorios construidos a base de vidrio borosilicato, tapones de caucho vulcanizado y mangueras de silicona. El sistema de agitación con acero ioxidable Determinación del coeficiente Volumétrico Global de Transferencia de Oxigeno (kla) Por el método del Sulfito, se lleno con 1 L de una solución de sulfito de sodio a 0.25 mol/L, como catalizador CuSO4*5H20 a 1 g/L. A una temperatura de 36°C, empleando diferentes condiciones de agitación, y aireación sostenida de 0.67 vvm. La concentración residual de sulfito se determino por el método yodimetrico. Determinación de la Capacidad de Mezclado de Sistema Mediante el análisis de comportamiento temporal de la concentración de un solido insoluble finamente particulado y con un alto coeficiente de sedimentación en el punto de toma de muestra, bajo diferentes comb8inaciones de aireación/agitación Prueba de esterilidad del Sistema El biorreactor se cargo con 1 L de caldo de nutrientes, se acoplaron demás accesorios y se esterilizo con autoclave. Al alcanzar la temperatura ambiente, se puso en funcionamiento a una temperatura de 37°C, flujo de aire de 0.67 L/min y agitación de 650 min-1. Se establecieron tres puntos temporales de control de esterilidad a las 0, 12 y 24 horas. Resultados y discusión Diseño y Construcción del Biorreactor Capacidad de garantizar la esterilidad en su interior durante un intervalo de tiempo relativamente largo y la realización de muestreos periódicos Buena transferencia de oxígeno Mezclado uniforme de la suspensión celular Se enfatizó en tres cuestiones esenciales de su funcionamiento: Aireación Se optó por un diseño en espiral del dispersor, portando tres líneas equidistantes de orificios de »3 mm de diámetro, en posicionamiento alterno. Las burbujas pequeñas presentan menor velocidad de ascenso y, en consecuencia, permanecen más tiempo en contacto con el líquido, todo lo cual deriva en una mejor transferencia de oxígeno al medio. Este parámetro crítico en el desempeño de un biorreactor. Agitación Los agitadores de palas y las turbinas de placas planas, producen buenos flujos radiales en el plano del rodete. En general, los impelentes tipo turbina de palas resultan los más usados, dada su capacidad de operar a velocidades de agitación altas y un amplio rango de viscosidades. La agitación excéntrica fue utilizada, al ser especialmente recomendable en biorreactores de pequeña escala, puesto que se evita el uso de deflectores.
  • 4. El biorreactor de tanque agitado se diseñó para que reuniera una adecuada capacidad de oxigeno, mezclado eficiente, control efectivo de la temperatura y mantenimiento de la esterilidad; y asi obtener éxito en la fermentación microbiana. Conclusiónes c. CAPACIDAD DE MEZCLADO DEL BIORREACTOR Los biorreactores deben garantizar un mezclado eficiente. El BaSO4 (Sulfato de Bario) posee una rápida cinética de formación, estabilidad morfológica y de tamaño de sus partículas, baja solubilidad en agua y alta densidad. El experimento busca determinar la eficiencia del biorreactor en el proceso de mezclado mediante la capacidad de mantener en suspensión uniforme bajo diferentes niveles de agitación y aireación. En las variantes evaluadas se registran comportamientos sinusoidales, el análisis de regresión lineal simple de la concentración de BaSO4 vs. Tiempo corrobora la apreciación. d. PRUEBA DE ESTERILIDAD El control se da a partir de la exposición continua del sistema en condiciones reales de fermentación microbiana. No hubo presencia de contaminantes en las placas Petri. Las muestras se propagaron en el caldo nutriente por 24h. y se sembraron en placas con agar nutriente. En 2h. la contaminación del orden probable es de 0.1-3 cél/mL, pero la negatividad observada en los resultados demuestra la esterilidad del biorreactor, lo que garantiza la fiabilidad del biorreactor. Resultados y discusión Se construyó usando materiales e instrumentación de laboratorio en entradas y salidas del sistema. Los estudios mostraron la aptitud del biorreactor para investigaciones sobre fermentación dada la eficiencia observada en procesos de mezclado, transferencia de oxígeno y mantenimiento de esterilidad y temperatura en la duración de la fermentación. CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN BIORREACTOR ARTESANAL TIPO TANQUE AGITADO PARA FERMENTACIONES SUMERGIDAS A ESCALA DE LABORATORIO b. TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN EL BIORREACTOR Es el parámetro más importante implicado en el diseño, operación y escalado de biorreactores. Una concentración de oxígeno superior a la crítica es necesaria para conseguir un crecimiento microbiano y formación de productos óptimos. Por lo que el valor de coeficiente volumétrico de transferencia de masa es indispensable. Los valores aumentan cuando se incrementan los niveles de agitación. El optimo de del kla en el biorreactor es de 30-60%. El valor obtenido en el biorreactor artesanal a una velocidad de agitación de 850 por minuto, es eficiente para garantizar 20% de saturación de oxígeno.