"Tópicos generales para desarrollar balances de materia en bioreactores" "General topics for develop matter balance in bioreactors".

1. 2.4 BALANCE DE MASA EN SISTEMAS
BIOLÓGICOS
M.Q. Ubaldo Baños Rodríguez
BALANCE DE MASA Y
ENERGÍA

2. Diseño de reactores bioquímicos
Un reactor bioquímico ya sea un fermentador o un biorreactor, provee todos los
servicios que son necesarios para el cultivo, tales como mezclado, termostatización,
suministro de oxígeno, entradas para adición de nutrientes, control del pH, etc. Por otra
parte, cuando se habla de sistemas de cultivo o, también, métodos de cultivo, se hace
referencia al modo de operar el biorreactor, esto es en forma continua o discontinua.
Figura 1. Esquema de un
biorreactor con indicación de los
caudales y concentraciones a la
entrada y a la salida. La flecha
que rodea el eje del agitador
significa que el cultivo está
perfectamente mezclado.
Para un componente cualquiera del cultivo, incluida la biomasa, se
puede plantear el siguiente balance de materia en el biorreactor (ver
Fig. 1).
……..Ecuación (1)
1/18

3. En la ecuación (1), V es el volumen de cultivo, F1 es caudal de alimentación, F2 el de
salida, Ci1 la concentración del componente "i" en la alimentación y Ci la concentración
en el caudal de salida, la que, si el cultivo esta bien mezclado, se puede asumir idéntica
a la que hay dentro del biorreactor. Los restantes términos, rfi y rci se refieren a la
velocidad de formación y consumo del componente "i" respectivamente.
Por otra parte el volumen de cultivo variará en el tiempo según sean F1 y F2. Suponiendo que la
densidad del cultivo y de la alimentación son iguales resulta:
……..Ecuación (2)
Dependiendo como sean F1 y F2 surgen tres sistemas de cultivo básicos:
Ambos caudales son
iguales y por la ec.
(2) es V constante,
por lo tanto la ec. (1)
se reduce a ec. (3)
…..(3)
Cultivo
continuo

4. El caudal de salida, F2, es nulo, por lo que V aumentará
en el tiempo en función del caudal de entrada, ec. (4).
Batch
alimentado
…..(4)
Ambos caudales son nulos por lo que V es constante y
en la ec. (1) se anulan los términos FlCi1 , F2Ci ; ec. (5).
Batch …..(5)
Reactores bioquímicos
tubulares en torre
Figura 2.

5. Diferencias entre procesos bioquímicos y químicos
1.- La complejidad de la mezcla reaccionante.
2.- El incremento en la masa de microorganismos junto con la realización de la
transformación bioquímica.
3.- La capacidad de los microorganismos de sintetizar sus propios catalizadores
(enzimas).
4.- Las condiciones suaves de temperatura y pH (normalmente).
5.- La dificultad del mantenimiento de la transformación bioquímica requerida
(estabilidad).
6.- Restricción de fase acuosa.
7.- Las concentraciones relativamente bajas de sustrato y productos.
Las conversiones bioquímicas con ayuda de microorganismos difieren de los procesos
puramente químicos en varios sentidos, particularmente en:
Proceso químico:
Refinación de petróleo
Proceso bioquímico:
Fermentación alcohólica

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BALANCE DE MASA Y ENERGÍA
1.- Las características cinéticas de los componentes reaccionantes
y la influencia de las variables de operación, por ejemplo:
temperatura, presión, y pH sobre estas características.
El diseño de un fermentador se puede predecir si se conoce lo siguiente:
2.- Las restricciones externas impuestas por la configuración del
fermentador, por ejemplo: tipo, geometría, y la velocidad de
eliminación de calor y la situación de superficie de intercambio
térmico.
3.- En general un fermentador se diseña mediante el uso de
ecuaciones que expresan los balances de materia, balances
de calor, velocidades de reacción y velocidades de fluido.

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4.- El punto de partida es la ley de conservación de materia aplicada a los componentes
reactivos del sistema (ecuaciones 1 y 2, ya mencionadas anteriormente).
5.- Si el espacio considerado es el volumen completo del fermentador, entonces se trata de
un balance de materia global, mientras que un balance de materia aplicado a un
elemento de fluido muy pequeño se define como un balance diferencial de materia.
Fermentador de yogurt
BALANCE DE MASA Y ENERGÍA

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Etapas para el diseño de un fermentador:
1.- La selección de una cepa apropiada de una especie particular de microorganismo;
esto determina en gran parte la fase de crecimiento en la que se forma el producto, las
regiones de pH y temperatura que pueden considerarse, el grado de aerobicidad requerido y
el efecto probable de contaminación.
Proceso de fermentación para obtener yogurt hidrolizado.
2.- La selección de una configuración apropiada, es decir, una forma de fermentador
tipo tanque agitado discontinuo, fermentador tipo tanque agitado continuo, o fermentador
tubular, etc.
3.- La determinación de las dimensiones del fermentador, por ejemplo volumen y
diámetro, y los valores de las variables de operación, principalmente concentraciones,
temperaturas y pH, así como el tiempo del proceso para fermentadores discontinuos y
caudal para fermentación continua.
BALANCE DE MASA Y ENERGÍA
Figura 3.

9. 4.- El dimensionado de la superficie de transmisión de calor y los dispositivos de
mezclado requeridos.
5.- Las necesidades de potencia y aireación
6.- El diseño mecánico, incluyendo la selección de los materiales de construcción, y si se
requiere dispositivos para el mantenimiento de condiciones asépticas.
7.- Servicios o instalaciones de manipulación y control.
8.- Factores de seguridad
Además, para el diseño de un fermentador se requiere de conocimientos y experiencia en microbiología,
termodinámica, bioquímica, cinética microbiana y bioquímica, mecánica de fluidos, transferencia de
materia y calor, y economía. Se requieren dos tipos de información diferentes, la asociada con los
cambios bioquímicos que tienen lugar, y la relacionada con la velocidad a la que estos suceden.

10. Esquema general de un proceso de fermentación.Figura 4.

11. Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo,
es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso bioquímico que involucra organismos o
sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede
ser aeróbico o anaeróbico. Es comúnmente cilíndrico, variando en tamaño desde algunos
mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados de acero inoxidable. Puede ser
también un dispositivo o sistema empleado para crecer células o tejidos en operaciones de
cultivo celular.
Biorreactores
Diagrama generalizado del control de un BiorreactorFigura 5.

12. El biorreactor, es sin duda, uno de los equipos fundamentales de la microbiología industrial.
Es el recipiente donde se realiza el cultivo, y su diseño debe ser tal que asegure un
ambiente uniforme y adecuado para los microorganismos. Las "tareas" que realiza el
biorreactor pueden resumirse del siguiente modo:
a) Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo a fin de
prevenir la sedimentación o la flotación.
b) Mantener constante y homogénea la temperatura.
c) Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
d) Suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo.
e) El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema
ha sido esterilizado y posteriormente sembrado con el microorganismo deseado.
Para satisfacer los cuatro primeros puntos es necesario que el biorreactor esté provisto de
un sistema de agitación, a demás para el punto d) se requiere de un sistema que inyecte aire
en el cultivo.

13. Existen dos tipos de biorreactores de uso muy difundido: el tanque agitado y al "air lift". En el
primero de ellos (Figura 6) la agitación se realiza mecánicamente mediante un eje provisto
de turbinas accionado por un motor.
Figura 6. Biorreactor de tanque agitado, le mezclado se
realiza mecánicamente
El aire se inyecta por la parte
inferior del tanque y es distribuido
por una corona que posee
pequeños orificios espaciados
regularmente. El chorro de aire
que sale de cada orificio es
"golpeado” por las paletas de la
turbina inferior generándose de
este modo miles de pequeñas
burbujas de aire, desde las cuales
difunde el 02 hacia el seno del
líquido.

14. En la figura 6, el sistema de agitación se completa con cuatro o seis deflectores que
tienen por finalidad cortar o romper el movimiento circular que imprimen las turbinas al
líquido, generando de este modo mayor turbulencia y mejor mezclado. El tanque está
rodeado por una camisa por la que circula agua, lo que permite controlar la temperatura.
Para tanques mayores que 1000 ó 2000 litros este sistema ya no es eficiente y es
reemplazado por un serpentín que circula adyacente a la pared interior del tanque.
Debe tenerse en cuenta que a medida que es mayor el volumen de cultivo también lo es
la cantidad de calor generado, por lo que se hace necesario una mayor área de
refrigeración. Los tanque son de acero inoxidable y están pulidos a fin de facilitar la
limpieza y posterior esterilización. El aire que ingresa al biorreactor debe estar estéril, lo
que se consigue haciéndolo pasar por un filtro cuyo diámetro de poro es de 0,45
micrones, que impide el paso de mircroorganismos y esporos.

15. Figura 7. Esquema de un bioreactor
del tipo “air lift”. El mezclado se realiza
mediante inyección de aire
En los reactores de tipo "air lift” (figura 7) es el
mismo aire inyectado al cultivo lo que promueve la
agitación. Básicamente consiste en dos cilindros
concéntricos y por la base de uno de ellos, por
ejemplo el interior, se inyecta aire. De este modo se
genera una circulación de líquido ascendente en el
compartimento interno y descendiente en el
externo, lo que favorece el mezclado.

16. M.Q. Ubaldo Baños Rodríguez
Ejemplos de Bioreactores
BALANCE DE MASA Y ENERGÍA
Figura 8.

17. Los reactores biológicos de
membranas biodegradan los
contaminantes del agua,
procediendo a la separación de
éstos por membranas de
ultrafiltración. Permiten tratar
agua residual de tal forma que
se consigue una desinfección
primaria total, y el agua tratada
al final del tratamiento es útil
para el riego agrícola e incluso
para recargar los acuíferos. Figura 9.

18. Diagrama de elaboración de cerveza (ejemplo de fermentación industrial).
Fermentador
Figura 10.

19. ¡GRACIAS POR SU ATENCIÓN!