Bioreactores Ingenieria Quimica UNSA William Eliezer

1. Ingeniería de Biorreactores:
Aspectos Generales

2. Biorreactor
 Un biorreactor es un recipiente o sistema
que mantiene un ambiente biológicamente
activo.
 Este proceso puede ser aeróbico o
anaeróbico. Estos biorreactores son
comúnmente cilíndricos, variando en
tamaño desde algunos mililitros hasta
metros cúbicos y son usualmente
fabricados en acero inoxidable.

3.  Una fermentación es un proceso biológico o
bioproceso que consiste en la descomposición
de la materia orgánica por microorganismos
fermentadores (bacterias y hongos).
 Un cultivo también es un bioproceso, pero
generalmente se asocia a organismos o
microorganismos superiores (en orden
jerárquico) a las bacterias; los cultivos son casi
todos del Reino Eucariota.

4. Biorreactores

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

6. Diseño de biorreactores
 Las condiciones ambientales de un
biorreactor tales como flujo de gases (por
ejemplo, oxígeno, nitrógeno, dióxido de
carbono, etc.), temperatura, pH, oxígeno
disuelto y velocidad de agitación o
circulación, deben ser cuidadosamente
monitoreadas y controladas.

7. Diseño de biorreactores
 El cilindro debe ser perfectamente esterilizable y
limpiable.
 Los biorreactores industriales usualmente
emplean bacterias u otros organismos simples
que pueden resistir la fuerza de agitación.
 Siendo fáciles de mantener ya que requieren
sólo soluciones simples de nutrientes y pueden
crecer a grandes velocidades

8. Biorreactor
 El proceso debe ser llevado a cabo con:
 Economía
 Alto rendimiento
 Menor tiempo posible

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

10. Cinética de crecimiento
 Velocidad de crecimiento:
 Cambio en el número de células o en la masa
celular en un determinado tiempo.
 Tiempo de duplicación o generación
 Tiempo necesario para que una población se
duplique
 Varía entre cada microorganismo

11. Curva de crecimiento microbiano
 4 fases
 Distinta para cada
microorganismo

12. Fase de latencia o lag
 Fase de adaptación a las condiciones
ambientales
 Duración variable
 Se sintetizan proteínas y ARN
 Duplicación insignificativa
 Ocurre cuando se transfiere un inoculo
desde un medio rico a un medio más
pobre.

13. Fase exponencial
 Duplicación celular
 Actividad metabólica
 Estado fisiológico más sano
 Velocidad de crecimiento variable
 Condiciones medio ambientales
 Genética
 Se alarga hasta que se agotan los
nutrientes

14. Fase estacionaria
 El número de células viables es igual
número de células muertas
 Nutriente limitante
 Productos de desechos

15. Fase de muerte
 La muerte celular se vuelve exponencial
 Canibalismo
 Autolisis bacterianas

16. Cinética de crecimiento

17. Biorreactor: objetivos
 Mantener las células uniformemente
distribuidas en todo el volumen de cultivo.
 Mantener constante y homogénea la
temperatura.
 Minimizar los gradientes de concentración de
nutrientes.
 Mantener el cultivo puro.
 Mantener un ambiente aséptico.
 Maximizar el rendimiento y la producción.
 Minimizar el gasto y los costos de producción.
 Reducir al máximo el tiempo.

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

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

22. Parámetros a controlar
 Espuma
 Densas y jabonosas : productos oxidados
 Problemas funcionales
 Contaminación del cultivo
 No se pueden realizar bien las mediciones
 Solución:
 Antiespumante
 Controlador
 sensor

24. Tipos de biorreactores
 Reactor de tanque
agitado:
 Más utilizados
 Confiables
 Sistema de agitación
mecánica

25. Características
 Agitación continua
 Inyección de aire por la parte inferior
 Burbujas: difusión de oxígeno
 Contiene vanos de flectores:
 Mejor mezclado
 Sistema de calor por fuera

26. Tanque agitado: consideraciones
 Diseño:
 Dimensiones para poder escalar.
 Relaciones adimensionales
 3<H/Dt> 1
½< Da/Dt> ¼
 1/4>C/Ht> ½

27.  Sistema de agitación:
 Generar la potencia necesaria para producir una
mezcla perfecta para el sistema de cultivo
 Maximizar la difusión de gases en el líquido y
minimizar la producción de esfuerzos cortantes y la
presión hidrodinámica local y global, para optimizar
los fenómenos de transferencia de momentum, calor
y masa.

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

30. Reactor “air lift”
 La agitación la entrega el
aire proporcionado

31. Modos de operación
 Quimiostato o cultivo continuo
 Se mantiene por un tiempo indefinido
 Existe un flujo continuo de reactivos frescos hacia el
reactor y el producto fluye continuamente hacia fuera.
 Se compone de:
 Un reactor con un volumen de cultivo constante
 Entrada de nutrientes constante
 Salida biomasa

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

34.  En un sistema continuo con mezcla
completa, las condiciones son uniformes
en todo el reactor, en un equilibrio de
mezcla de nutrientes, organismos y
productos.
 La alimentación del sistema es medio
nutriente libre de organismos y, en
algunos casos, un inóculo de organismos
reciclados.

35.  Este método de cultivo continuo, permite a
los organismos crecer en condiciones de
estado estacionario, en las que el
crecimiento ocurre a una velocidad
constante y en un medio ambiente
constante.

36. Cultivo por Lote (Batch)
 El reactor se carga con la especie reactiva
y, a medida que procede la reacción,
cambian las condiciones en el reactor al
consumirse los reactivos y formarse los
productos.
 Cuando se ha alcanzado el nivel deseado
de reacción, se vacía el reactor, se limpia
y el proceso se repite.

37.  El crecimiento exponencial es de duración
limitada
 A medida que las condiciones
nutricionales cambian, la velocidad de
crecimiento disminuye y se entra en la
fase de deceleración, seguida de la fase
estacionaria, donde el crecimiento global
no se obtiene, por falta de nutrientes.

38. Ventajas
 menor riesgo de contaminación
 flexibilidad operacional cuando los
fermentadores se utilizan para distintos
productos
 control más cercano de la estabilidad
genética del organismo
 una mejor coordinación con estadios del
proceso entre lotes previos y posteriores.

39. Desventajas
 Improductividad en la operación del
fermentador
 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