Biorreactores: diseño y análisis

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Biorreactores: tecnología y análisis de diseño
Artículo· Junio 2014
CITAS LEE
4 11,429
3 autores, incluido:
jagriti singh
Instituto Indio de Tecnología Kharagpur
Nirmala Kaushik
Consejo de Evaluación, Pronóstico e Información Tecnológica (TIFAC)
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Artículo de revisión
EL REVISTA SCITECH ISSN 2347-7318 ISSN 2348-2311 En línea
SAMANTI
Biorreactores: tecnología y análisis de diseño
Jagriti Singh, Nirmala Kaushik* y Soumitra Biswas
Programa de Bioprocesos y Bioproductos, Technology Information, Forecasting & Assessment Council (TIFAC) 4to. Piso, ala 'A',
Vishwakarma Bhavan, Shaheed Jeet Singh Marg, Nueva Delhi – 110 016
Resumen
Un biorreactor proporciona un entorno controlable que permite cumplir los requisitos biológicos, bioquímicos y biomecánicos para fabricar productos de ingeniería. Dado que el
biorreactor tiene como objetivo crear un producto biológico deseado, es importante monitorear de cerca los parámetros de la reacción, como la transferencia de masa interna y externa,
la transferencia de calor, la velocidad del fluido, la tensión de corte, etc. Los efectos de tales variables de reacción en los cultivos biológicos y el análisis de la En el documento se han
abordado otros parámetros como el transporte de materiales de desecho de oxígeno, dióxido de carbono, nutrientes y metabolismo. El diseño de biorreactores sofisticado y sólido con
características de rendimiento únicas es esencial en la producción de productos biotecnológicos útiles a partir de sistemas celulares naturales y modificados genéticamente. La
comprensión del comportamiento de transferencia de masa en los biorreactores daría como resultado mejores diseños de reactores, operación de reactores y herramientas de
modelado, que son importantes para maximizar las velocidades de reacción, optimizar las tasas de rendimiento y minimizar los costos. El documento analiza el diseño de biorreactores y
varios tipos de biorreactores, que son útiles para operaciones industriales.
Palabras clave:Biorreactor, reactores discontinuos y continuos, lote alimentado, CSTR, elevador de aire, columna de burbujas, plug--ow
Introducción
El término biorreactor a menudo se usa como sinónimo de fermentador, que es un tipo de
biorreactor que utiliza una célula viva como biocatalizador. La fermentación se refiere al
crecimiento de microorganismos en los alimentos, ya sea en condiciones aeróbicas o
anaeróbicas (Theresa P, Fermentation, biotech.about.com/od/glossary/g/
Fermentation.htm). Los fermentadores están hechos de vidrio, aleaciones exóticas de
vidrio, acero inoxidable, acero revestido de vidrio, tanques de plástico equipados con
manómetros. Estos se utilizan para el crecimiento de cultivos puros especializados de
bacterias, hongos y levaduras, producción de enzimas y un amplio espectro de productos
fermentados.
Los biorreactores se pueden definir en términos generales como un recipiente, desplegado para utilizar la actividad de un catalizador
biológico para lograr una transformación química deseada (ncsu.edu/biosuceed/courses/./BiorectorEngineering.pp tx). El biorreactor
generalmente proporciona un entorno biomecánico y bioquímico que controla la transferencia de nutrientes y oxígeno a las células y
los productos metabólicos de las células (Sharma KR, 2012; El AJ Haj et. al, 2005; Bueno EM et al, 2004). También podría definirse como
un dispositivo de ingeniería diseñado para el crecimiento y actividad metabólica óptimos del organismo a través de la acción de
biocatalizadores, enzimas o microorganismos y células de animales o plantas (Desarrollo de modelo matemático, 1997). La materia
prima podría ser un compuesto químico orgánico o inorgánico o incluso un material complejo. El producto de conversión puede incluir
levadura de panadería, proteína unicelular, cultivos iniciadores, alimento para animales, etc. o metabolitos primarios (por ejemplo,
aminoácidos, ácidos orgánicos, vitaminas, polisacáridos, etanol, etc.) y metabolitos secundarios (por ejemplo, antibióticos, etc.). Los
biorreactores se pueden utilizar para productos de bioconversión o biotransformación (biotransformación de esteroides, L-sorbitol,
etc.), enzimas (amilasa, lipasa, celulasa, etc.), productos recombinantes (algunas vacunas, hormonas como la insulina y hormonas de
crecimiento, etc.). Se han desarrollado diversos diseños de biorreactores para atender a una amplia gama de productos de sustrato y
biocatalizadores (Prezi.com). Los biorreactores se pueden utilizar para productos de bioconversión o biotransformación
(biotransformación de esteroides, L-sorbitol, etc.), enzimas (amilasa, lipasa, celulasa, etc.), productos recombinantes (algunas vacunas,
hormonas como la insulina y hormonas de crecimiento, etc.). Se han desarrollado diversos diseños de biorreactores para atender a
una amplia gama de productos de sustrato y biocatalizadores (Prezi.com). Los biorreactores se pueden utilizar para productos de
bioconversión o biotransformación (biotransformación de esteroides, L-sorbitol, etc.), enzimas (amilasa, lipasa, celulasa, etc.),
productos recombinantes (algunas vacunas, hormonas como la insulina y hormonas de crecimiento, etc.). Se han desarrollado
diversos diseños de biorreactores para atender a una amplia gama de productos de sustrato y biocatalizadores (Prezi.com).
Los tamaños del biorreactor pueden variar ampliamente, desde la célula microbiana
(pocos mm3) hasta el agitador (100-1000 ml), el fermentador a escala de laboratorio
(1 a 50 l), el nivel piloto (0,3 a 10 m3) y la escala de planta (2 – 500 m3) para
aplicaciones industriales de gran volumen (ncsu.edu/biosucceed/courses/). Hay
varios aspectos de los procesos biotecnológicos, que requieren especial atención en
el diseño de un biorreactor. La velocidad de reacción, el crecimiento celular y la
estabilidad del proceso dependen de las condiciones ambientales en el biorreactor.
Las condiciones del biorreactor como el gas (es decir, aire, oxígeno, nitrógeno,
dióxido de carbono), tasas de flujo, temperatura, pH y niveles de oxígeno disuelto y
velocidad de agitación/tasa de circulación, producción de espuma, etc., deben
monitorearse y controlarse de cerca (Chen HC et al. .al, 2006).
Diseño y operaciones de biorreactores
Los biorreactores difieren de los reactores químicos convencionales en la medida en que
soportan y controlan entidades biológicas. Como los organismos son más sensibles y
menos estables que los productos químicos, los sistemas de biorreactores deben ser lo
suficientemente robustos para proporcionar un mayor grado de control sobre las
alteraciones y contaminaciones del proceso (Williams JA, 2002). Las condiciones del
biorreactor deben ser favorables para que los microorganismos vivos exhiban sus
actividad bajo condiciones definidas. Esto requiere una serie de características especiales
en la ingeniería de reacción de los procesos biocatalíticos (Gudin C et al, 1991). Mantener
la actividad biológica deseada y minimizar las actividades no deseadas son ciertos
desafíos ya que los organismos biológicos, por su naturaleza, mutarían y, por lo tanto,
alterarían la bioquímica de la reacción o las propiedades físicas del organismo (Williams,
JA, 2002).
Un buen diseño de biorreactor debe abordar la mejora de la productividad, la
validación de los parámetros deseados para obtener productos consistentes y
de mayor calidad de manera rentable. El diseño y modo de operación de un
biorreactor depende de la producción de organismo, las condiciones óptimas
requeridas para la formación del producto deseado, el valor del producto y su
escala de producción. El biorreactor efectivo debe controlar e influir
positivamente en la reacción biológica y debe evitar la contaminación externa.
La inversión de capital y el costo operativo también son factores importantes
a considerar en el diseño del biorreactor. Durante la fermentación, se deben
mantener durante todo el proceso condiciones monosépticas, una mezcla
óptima con tasas de cizallamiento bajas y uniformes.
* Autor correspondiente
Correo electrónico: nirmala.kaushik@gmail.com
32 EL28 LA REVISTA SCITECH VOL. 01 NÚMERO 06 JUNIO 2014NÚMERO 02 FEBRERO 2014

aireado por uno o una combinación de los siguientes métodos: aireación
superficial, rociado directo, aireación indirecta y/o de membrana, perfusión
media, aumento de la presión parcial de oxígeno y aumento de la presión
atmosférica (Eibl R et.al, 2008).
sistema de transferencia (chaqueta, bobina). La calefacción la proporcionan calentadores eléctricos
y el vapor generado en las calderas y la refrigeración la proporciona el agua de refrigeración
producida por las torres de refrigeración o refrigerantes como el amoníaco.
pHel sistema de control utiliza agentes neutralizantes para controlar el pH; estos deben
ser no corrosivos, no tóxicos para las células cuando se diluyen en el medio. El carbonato
de sodio se usa comúnmente en biorreactores a pequeña escala.
Sería necesario mantener en un biorreactor una transferencia de masa adecuada
(oxígeno), una transferencia de calor, unas condiciones de flujo claramente definidas y
una alimentación adecuada del sustrato que evite la sobredosificación o la
sobredosificación. Se debe asegurar el suministro adecuado de suspensión de sólidos,
sustrato suficiente, sales para nutrición, vitaminas, etc. con disponibilidad de agua y
oxígeno (para procesos aeróbicos). Es necesario cuidar la eliminación del producto de
desprendimiento de gas y de los subproductos. Los atributos de un biorreactor deben
cumplir con requisitos de diseño tales como esterilización, construcción y medición
simples, dispositivos de control de procesos, técnicas de regulación, aumento de escala,
flexibilidad en las operaciones, compatibilidad con los procesos anteriores y posteriores,
medidas antiespumantes, etc. son factores esenciales ( Sharma KR, 2012)
Puertos de muestreose utilizan para inyectar nutrientes, agua, sales, etc. en
biorreactores y también para la toma de muestras.
Limpieza y esterilizaciónsistema es importante para evitar la contaminación. La
esterilización térmica por vapor es la opción preferida para esterilizaciones
económicas y a gran escala de equipos. Generalmente se prefiere la esterilización
por sustancias químicas para equipos sensibles al calor. La esterilización se realiza
por radiación uv para superficies y rayos x para líquidos y también por filtros de
membrana que tienen microsporas uniformes y filtros de profundidad con lana de
vidrio (Van't R, 1991).
Las características básicas de un biorreactor incluyen volumen de espacio de cabeza,
sistema agitador, sistema de suministro de oxígeno, control de espuma, sistema de
control de temperatura y pH, puertos de muestreo, sistema de limpieza y esterilización y
líneas para cargar y vaciar el reactor (Alaghlavi, 2013). Estos se describen brevemente de
la siguiente manera:
Carga y vaciadose utilizan lineasporentrada de reactivos y
retiro de productos en el biorreactor.
Biorreactores: una idea de la transferencia de masa
Volumen de espacio de cabeza:El volumen de trabajo de un biorreactor es la
fracción de su volumen total ocupada por el medio, los microbios y las burbujas de
gas, y el volumen restante se denomina espacio de cabeza. Generalmente, el
volumen de trabajo será ~70-80% del volumen total del reactor. Esto, sin embargo,
depende de la tasa de formación de espuma durante el reactor (Van't R, 1991).
La transferencia de masa, referida como el movimiento de moléculas entre fases,
controla o influye en la tasa de conversión de las reacciones. En un biorreactor, los
componentes para la transferencia de masa suelen incluir oxígeno, aceptor de
electrones, carbono orgánico total (TOC), demanda química de oxígeno (DQO),
biomasa, amonio y nitrato y macronutrientes (Agomuoh PK, 2011). El transporte de
oxígeno disuelto (OD) en un biorreactor se produce en tres regiones como (i) fase
de fluido a granel del biorreactor (transferencia de masa global), (ii) desde la masa a
la superficie de las células agregadas (transferencia de masa interna), (iii) a través
de las células agregadas (transferencia de masa externa) (Salehi N et.al, 2013)
El coeficiente de transferencia de masa se evalúa utilizando un método de sorción de
oxígeno (Lau R et.al, 2012). El área de transferencia de masa interfacial se determina sobre
la base de su distribución de tamaño de burbuja medida. El coeficiente de transferencia de
masa del lado líquido se puede calcular a partir del coeficiente de transferencia de masa
volumétrica y el área de transferencia de masa interfacial encontrada. La transferencia de
masa del lado del líquido varía con la velocidad del gas superficial según lo dictan los
parámetros variables de elevación de la burbuja. (Raymond Lau y Tao Chen, 2012). La
altura del líquido estático mejora la tasa de transferencia de masa gas-líquido para
aumentar el área de transferencia de masa interfacial. El tamaño de la burbuja debido al
tipo de distribuidor de gas utilizado también determina la tasa de transferencia de masa.
Figura 1. Volumen del espacio de cabeza = Ht
(Volumen de trabajo) (Van't R et.al, 1991)
(Volumen total del biorreactor) - Hl
La teoría de las dos películas, propuesta por Lewis y Whitman en 1924, intenta
cuantificar la transferencia de masa de la fase gaseosa a la líquida de los
compuestos objetivo en los sistemas biológicos. Según la ley de Henry, este modelo
involucra dos fases con diferentes concentraciones, que no están en equilibrio. Con
el equilibrio existente solo en la interfase gas-líquido, el compuesto objetivo se
mueve hacia o desde la interfase. La velocidad de dicho movimiento depende de las
propiedades y el tipo de compuestos de las dos fases, es decir, gas y líquido. Tales
velocidades se expresan mediante los coeficientes de tasa de transferencia de
masa. El coeficiente de transferencia de masa general es una combinación de los
coeficientes de transferencia de masa de la fase gaseosa, la fase líquida y la
biopelícula, como se indica en la siguiente ecuación:
AgitadorEl sistema consta de un impulsor de potencia externo, un impulsor y los baf-es
para una mezcla intensa y mayores tasas de transferencia de masa a través de las capas
límite de burbujas y líquido a granel. Proporciona suficientes condiciones de cizallamiento
requeridas para romper las burbujas (srmuni.ac.in). La mayoría de las fermentaciones
microbianas utilizan un impulsor tipo turbina Rushton.
Entrega aereaEl sistema consta de un compresor, aire de entrada, sistema de
esterilización, rociador de aire y sistema de esterilización de aire de salida para evitar la
contaminación.
control de espumaEl sistema es un elemento esencial del biorreactor ya que la formación
excesiva de espuma conduce a la obstrucción de los filtros de salida de aire y aumenta la presión
en el reactor.
1/overol=1/kGRAMO+1/kL+1/kB
Donde,
kgeneral- Coeficiente global de transferencia de masa
Control de temperatural sistema involucra sondas de temperatura, calor
30 J2C9ESOTmiHCmiHSjCOESO tumiRCnorteHAlabama
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20210414VOLUMEN 01 NÚMERO 02 FEBRERO 2014

kGRAMO– Coeficiente de tasa de transferencia de masa de la fase gaseosa kL-
Coeficiente de tasa de transferencia de masa de la fase líquida kB-
Coeficiente de tasa de transferencia de masa de la biopelícula
Tipos de biorreactores
Existen principalmente tres tipos de reacciones involucradas en el proceso de
fermentación, es decir, discontinuo, continuo y semicontinuo o alimentado por lotes,
según la estrategia de alimentación del cultivo y el medio en el biorreactor (Brian
McNeil y Linda M Harvey, 2008). Los reactores de tanque agitado por lotes (STR)
tradicionales y los reactores de tanque agitado continuo (CSTR) han existido durante
siglos y todavía se adoptan ampliamente en la industria química y de bioprocesamiento
para la producción debido a su simplicidad (Brian McNeil y Linda M Harvey, 2008). Otros
biorreactores, que tienen un diseño especial y atributos operativos son los
fotobiorreactores, los reactores de tambor rotatorio, los biorreactores de niebla, los
biorreactores de membrana, los biorreactores de lecho empacado y fluido, los
biorreactores de columna de burbujas y de elevación de aire, etc. Estos han sido
desarrollados para satisfacer las especificaciones de la aplicación. c procesos.
Los coeficientes de transferencia de masa dependen de las propiedades fisicoquímicas y del
medio, las características internas del sistema del reactor y las condiciones de
funcionamiento. En reactores de tipo suspendido (p. ej., airlift, columnas de burbujas y
tanques agitados), la ecuación anterior se puede aplicar considerando kB como la resistencia
debida a la película de agua alrededor de la celda. Considerando que la resistencia a la
transferencia de masa en la fase gaseosa y la biopelícula es insignificante, la tasa de
transferencia de masa volumétrica total R de la fase gaseosa a la fase acuosa puede definirse
en la siguiente ecuación:
R = kLa(CGRAMO/HCL)+DAL/δ-lm)C.AGRAMO/H-CL) [Koch AL, 1990]
donde
Proceso por lotes
DAlabama- Difusividad del contaminante gaseoso en el líquido (m2 s−1)
H - Coeficiente de Henry (adimensional)
En el proceso por lotes, después de la esterilización, el medio de cultivo estéril se
inocula con microorganismos. Durante este período de reacción, las células, los
sustratos, incluidas las sales nutritivas, las vitaminas y las concentraciones de los
productos, varían con el tiempo. La fermentación se deja correr por un tiempo
predeterminado y el producto se cosecha al final (Carberry James J, 1976). Para
promover el cultivo aeróbico, el medio se airea para proporcionar un flujo
continuo de oxígeno. subproductos gaseosos como
d-lm- Líquido -espesor de película (m) CGRAMO
-Concentraciones de contaminantes en fase gaseosa CL
-Concentraciones de contaminantes en fase líquida
kLa– Coeficiente volumétrico (s−1)
a - Área interfacial especí-c (m2 m−3) entre la fase gaseosa y la líquida
CO2son removidos; los procesos de aireación y remoción de gases ocurren
semicontinuamente (Williams JA, 2002).
Las tasas de transferencia de masa interna dependen de una combinación de mecanismos de
convección, la estructura y porosidad del andamio, la tasa de difusión, mientras que las tasas
de transferencia de masa externa dependen de las condiciones hidrodinámicas en un
biorreactor (Went D et. al, 2008; Rolfe P, 2006).
Fase de latencia: El crecimiento de la población microbiana cuando se inocula con un
medio fresco comienza después de un cierto período de tiempo llamado fase de
latencia.
Figura 2. Representación esquemática del biorreactor-1. Regulador del motor 2. Motor 3. Inóculo 4. Fuente de carbono 5. Antiespumante 6. Controlador
antiespumante 7. Termómetro 8. Sistema de escape de aire con filtro y condensador 9. Muestreo 10 .baño de agua 11.regulador de temperatura 12.ltros de aire
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Fase logarítmica o exponencial:En esta fase, el número de células microbianas se
duplica por unidad de tiempo. Cuando el número de células de tal reacción se
representa en escala logarítmica en función del tiempo transcurrido, se obtiene una
curva con una pendiente en constante aumento.
generalmente se carga a través de entradas en la tapa superior del reactor. Los vapores y
gases también se descargan a través de conexiones en la parte superior. Por lo general, los
líquidos se eliminan del fondo. (Tsuneo & Shoichi, 1984). Los STR generalmente están
encamisados para los requisitos de calentamiento o enfriamiento de vapor y están
equipados con baf-es y rociadores redondos para la aireación.
Estacionario El impulsor de los STR está conectado a un motor externo, que acciona el
sistema agitador. El conjunto del agitador, incluido el sello, es una ruta de
contaminación y, por lo tanto, el eje debe pasar al biorreactor a través de
un conjunto de sellos asépticos (Abbott MSR et.al, 2013). Los impulsores
contribuyen a la mezcla y disolución del oxígeno atmosférico requerido en
la fase acuosa y maximizan el área interfacial entre la fase gaseosa y la
acuosa (Garcia-Ochoa F & Gomez E, 2009; Martin M et. al, 2008). El diseño
de las palas del impulsor, la velocidad de agitación y la profundidad del
líquido determina la efectividad de la agitación. Las variables importantes
que afectan las tasas de mezcla y transferencia de masa son el número y
tipo de agitador, la velocidad del agitador y el caudal de gas utilizado.
Muerte
Tronco
Número de registro
células vivas o
turbiedad
Retraso
Tiempo en horas
Figura 3. Curva de crecimiento (Nanda S, 2008) Estos reactores son los preferidos para productos de bajo volumen y alto valor,
particularmente si se emplean muchas operaciones secuenciales para obtener
rendimientos de producto. Estos reactores también se utilizan cuando se producen
múltiples productos en el mismo equipo o cuando el flujo continuo es difícil, como en
el caso de líquidos cargados de sólidos pegajosos o altamente viscosos (William JA,
2002).Los STR se utilizan para homogeneización, suspensión de sólidos, dispersión de
mezclas gas-líquido, aireación de líquidos e intercambio de calor. Son los tipos más
comunes de biorreactores aeróbicos que se usan en la actualidad; pueden presentar
una configuración interna específica diseñada para proporcionar un patrón de
circulación específico. Se pueden usar con una variedad de especies microbianas y se
adoptan ampliamente para microorganismos, fermentación y cultivo de células
vegetales. La concentración de nutrientes, el pH y la cantidad de oxígeno disuelto se
pueden controlar dentro de este tipo de biorreactores (slideshare.net/signtoxic/
bioreactors).
Fase estacionaria:En la fase estacionaria no hay aumento o reducción neta en el
número de células. Las funciones celulares como el metabolismo energético y
algunos procesos biosintéticos continúan.
Fase de muerte:Las células pueden comenzar a morir si la incubación continúa después de que la
población bacteriana alcance la fase estacionaria. Las células pueden morir debido a la lisis celular,
que es un proceso mucho más lento que la fase de crecimiento.
Diseño de biorreactor por lotes
Las ventajas de los reactores por lotes incluyen una mayor flexibilidad con diferentes
sistemas de productos y un menor riesgo de contaminación o mutación celular,
debido a un período de crecimiento relativamente breve con una menor inversión de
capital en comparación con los procesos continuos para el mismo volumen de
biorreactor.
Balance de masa para reactores discontinuos
Se supone que el reactor por lotes está bien agitado con una distribución de
concentración uniforme en todo el reactor (slideshare.net/signtoxic/bioreactors). Por
lo tanto,
d(VC)/dt = Q entrada .C entrada - Q salida.C salida + RV
Donde d(VC)/dt = Tasa de acumulación de masa en el volumen de control
Q en = tasa de flujo en el sistema
Q out = -tasa de flujo fuera del sistema
C = Concentración de corriente/sustrato
Figura 4. Biorreactor (Shuler & Kargi, 1982)
R = Velocidad de reacción
V=Volumen de la corriente/sustrato
Las tasas de flujo de entrada y salida son cero
Q entrada – Q salida = 0
Los biorreactores por lotes se componen de un solo tanque capaz de llevar a cabo una
secuencia de reacciones y son fáciles de operar. El tanque está equipado con un agitador
(reactor de tanque agitado - STR) para mezclar los reactivos junto con un sistema integral
de calefacción y refrigeración. La solución tampón o el controlador de pH se utilizan para
controlar el pH del reactivo. Estos recipientes pueden variar en capacidad desde menos de
1 litro hasta más de 15.000 litros. Los líquidos y los sólidos son
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2021041I4NÚMERO 02 FEBRERO 2014

Por lo tanto,
(VC)/dt = RV (si el volumen del reactivo cambia significativamente) o
d(C)/dt = R (si el volumen de reactivo permanece constante)
R = k. C donde k = constante de velocidad, C= concentración
El balance de materia de este reactor da:
d(VC)/dt = Qin.Cin - Qout.Cout + RV
Si el volumen del reactor es constante y las tasas de flujo de las corrientes de entrada y
salida son las mismas, entonces
d(C)/dt = 1/τ ( Cin - Cout + R)
Proceso continuo
Este parámetro τ = V/Q en él se denomina tiempo medio de residencia del
CSTR.
Para un biorreactor en operaciones de modo continuo, se agrega continuamente
medio fresco y los productos, junto con el cultivo, se eliminan a la misma velocidad,
manteniendo así concentraciones constantes de nutrientes y células durante todo
el proceso (Acharya T, 2013; Abbott MSR et.al. ., 2013). El proceso continuo se usa
con frecuencia para la producción de alto volumen; para reacciones que utilizan
sustratos gaseosos, líquidos o sólidos solubles; y para procesos que involucran
microorganismos con alta mutabilidad-estabilidad. Los productos finales típicos
incluyen vinagre, levadura de panadería y aguas residuales tratadas. El quimiostato
es un ejemplo común de reactor de proceso continuo.
El estado estacionario del CSTR se describe estableciendo la derivada del tiempo
en la expresión, d(VC)/dt = 0
Q en . C entrada-salida. Cout + RV= 0
La conversión del reactivo 'X' se define para un CSTR de estado estacionario de la siguiente manera:
X = (Qin. C en - Qout. Cout) / Q en .C en
Proceso de alimentación por lotes
El proceso utiliza una combinación de reacciones discontinuas y continuas. En este
proceso, se agregan nutrientes adicionales al reactor progresivamente a medida
que se desarrollan las biorreacciones para obtener mejores rendimientos y una
mayor selectividad junto con el control de la temperatura de reacción
(slideshare.net/signtoxic/bioreactors). Los productos se cosechan al final del ciclo
de producción como en un biorreactor por lotes (Abbott MSR et.al, 2013). Los
reactores semicontinuos son más estables y realizan operaciones más seguras que
en un reactor discontinuo.
Figura 5. Reactor continuo (Soccol CR, 2013)
Diseño de biorreactores continuos
Los reactivos se mezclan bien en un reactor continuo de tanque agitado. También
se conocen como reactores de cuba o de retromezcla. El rasgo característico del
biorreactor continuo es un proceso de alimentación perpetuo. La corriente de
líquido o suspensión se introduce continuamente y los contenidos líquidos se
eliminan continuamente del reactor. En la práctica, se requiere agitación mecánica
o hidráulica para lograr una composición y temperatura uniformes (Martin M,
Montes FJ et. al, 2008). Un medio de cultivo que es estéril o se compone de
microorganismos se alimenta continuamente al biorreactor para mantener el
estado estacionario. Las variables de reacción y los parámetros de control
permanecen consistentes, estableciendo un estado constante de tiempo dentro del
reactor. El resultado es productividad y rendimiento continuos (Brian McNeil y Linda
M. Harvey, 2008).
Figura 6. Biorreactor de lote alimentado (Abbott MSR et.al, 2013)
Biorreactores de propósito especial
Reactor de flujo pistón
Los reactores de flujo de pistón también se denominan reactores tubulares o de flujo de
pistón. Es un recipiente, a través del cual el flujo es continuo y unidireccional en un estado
estable. En un reactor tubular ideal, los fluidos fluyen como si fueran pistones o tapones
sólidos, y el tiempo de reacción es el mismo para todo el material que fluye en cualquier
sección transversal del tubo. Se supone que el -uid
-flujo como tapones o pistones en un reactor tubular con idéntico tiempo de
reacción sobre la sección transversal del reactor. La concentración de sustratos y
microorganismos varía a lo largo del reactor. Los reactores tubulares son
funcionalmente similares a los reactores por lotes, ya que inicialmente
proporcionan una gran fuerza motriz; esto se reduce a medida que la reacción
continúa a lo largo de los tubos. (Universidad Técnica Nacional de Atenas, 2008).
. El CSTR requiere un gran volumen de reacción para obtener las conversiones
deseadas. La configuración de tales reactores se usa ampliamente en aplicaciones
industriales y en unidades de tratamiento de aguas residuales (es decir, reactores
de lodos)(slideshare.net/signtoxic/bioreactors). Al automatizar el proceso, podría
reducirse el gasto de mano de obra y ahorrar tiempo en el llenado, vaciado y
esterilización del reactor con riesgos de toxicidad reducidos. Los CSTR pueden
generar una calidad de producto constante para parámetros operativos invariables.
Sin embargo, los CSTR consumen más energía debido a la presencia de bombas
mecánicas.
Balance de masa para CSTR
El flujo de fluido en tubos de pequeño diámetro puede ser laminar para líquidos
muy viscosos y turbulento para gases. Régimen de flujo turbulento por su
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La influencia sobre la mezcla y la transferencia de calor es una opción preferida.
La tasa de transferencia de calor se puede optimizar utilizando tubos de mayor
o menor diámetro dispuestos en paralelo. Sin embargo, el control de la
temperatura y el calor puede resultar en gradientes de temperatura
indeseables y costosos de mantener (Purohit S, 2013).
Donde d(VC)/dt = Tasa de acumulación de masa en el volumen de control
Q entrada (tasa de flujo que entra al sistema) = Q salida (tasa de flujo que sale del sistema) = Q
Cin = Concentración de flujo en la entrada del disco (z); Cout = Conc. de flujo en la
salida del disco (z + ∆z)
Tabla: 1 Comparación basada en el modo de operación (Baron GV,
Willaert RG et. al, 1996)
R = Velocidad de reacción
V = Volumen del reactor
Modo de
Operación
Ventajas Desventajas
Dividiendo la ecuación anterior por ∆V y tomando el límite cuando ∆V tiende a cero, se
obtiene,
Lote Equipo sencillo;
adecuado para pequeños
volúmenes de producción
junto con multiproducto
-exibilidad
tiempo de inactividad para
cargando y
limpieza; reacción
d (C)/dt = - dC.Q/dV+ R
condiciones
cambiar con el tiempo
Si el tubo tiene una sección transversal constante, 'Ac', entonces la velocidad, 'v' está relacionada con
la tasa de flujo volumétrico por v = Q/Ac, la longitud axial está relacionada con el volumen del tubo
por z =V/Ac,
Continuo Alta productividad; mejor
calidad del producto debido a
condiciones constantes; bueno
Requiere -ow
control, longevidad
de catalizador
necesario, estabilidad
de organismos
La ecuación se puede reorganizar como
dC/dt = -d(C v)/ dz + R o R = dC/dt – d(Cv)/dz
para cinético
Estudios Reactor de columna de burbujas
Semi-lote o
alimentado por lotes
Control de las condiciones
ambientales, por ejemplo,
concentración de sustrato
Requiere alimentación
estrategia, por ejemplo, para mantener
constante
El reactor de columna de burbujeo es uno de los tipos de reactores más simples, que
es fácil de escalar (Kantarci N,y otros2005). El reactor se compone de un recipiente
cilíndrico provisto de un rociador de gas, que empuja las burbujas de gas hacia una
fase líquida o una suspensión líquido-sólido. Para los reactores que manejan una fase
sólida, los reactores se denominan reactores de columna de burbujas de suspensión.
(Borakb y Kutlu O. Ulgena, 2005; Henzler HJ y Kauling, 1985). Los reactores se pueden
implementar para fabricar combustibles sintéticos ambientalmente benignos como el
metanol. (Kawase Y & Kumagi T, 1991; afrodita.rcub.bg.ac.rs). Las burbujas crean
menos esfuerzo cortante en comparación con otros reactores con agitadores (Kantarci
N,y otros2005).
operación
(inhibición),
inducción de producto
temperatura o
sustrato
formación; más flexible para
seleccionar el óptimo
condiciones; la mayoría
usado con frecuencia en
biotecnológico
procesos e industria
química interna
concentración
Balance de masa para reactor de flujo pistón
El flujo de tapón en un tubo es una suposición de flujo ideal en la que el fluido está
bien mezclado en las direcciones radiales. Se supone que la velocidad del fluido es
función únicamente de la posición axial en el tubo.
Cambio en la concentración
Caudal
Figura 8. Biorreactor de columna de burbujas (Wilkinson PM et.al, 1992).
Disco delgado de área, Ac y longitud, dz
Los reactores de columna de burbujas tienen excelentes características de transferencia de
calor y masa. Requieren poco mantenimiento y bajos costos de operación debido a la falta de
partes móviles y compacidad. Los reactores de columna de burbujeo son la opción preferida
por la alta durabilidad del catalizador u otro material de relleno, la capacidad de adición y
extracción del catalizador en línea (Soccol CR et.al, 2013). Los reactores de columnas de
burbujas se utilizan en procesos bioquímicos como la fermentación y el tratamiento biológico
de aguas residuales (Thorat BN et.al, 1998). Estos reactores también se utilizan en la síntesis
de metanol y en la fabricación de
Figura 7. Reactor plug-ow – representación gráfica (Agomuoh
PK, 2011)
Considerando las áreas de la sección transversal del reactor como 'A c' y un disco
delgado con un espesor infinitesimal '∆z' para el elemento de volumen del reactor, el
balance de materia para el elemento de volumen es el siguiente:
d(VC)/dt = Q en z. C entrada - Q salida z+∆ z. C salida + R. ∆V
33 EL DIARIO SCITECHVVOOLL..0011ES ESSStutumimi0061JU
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01R4año 2014

otros combustibles sintéticos que son ambientalmente mucho más ventajosos
que los combustibles derivados del petróleo (Soccol CR et.al, 2013). Estos son
particularmente útiles para el cultivo de raíces peludas de las células vegetales.
Aunque la construcción de columnas de burbujas es simple, el diseño y la
ampliación eficientes requieren una mejor comprensión de la multifase.
-Dinámica de fluidos y sus in-uencias. Su diseño depende de los tres fenómenos
principales, es decir, el calor, la transferencia de masa y las características de
mezcla y la cinética química del sistema de reacción (Borakh KOU, 2004). Las
columnas de burbujeo industriales normalmente funcionan con una relación
longitud-diámetro de al menos 5. En aplicaciones bioquímicas este valor suele
variar entre 2 y 5 (Borakh KOU, 2004)
contacto del sustrato con el lecho. El compartimiento del lecho empacado
ubicado fuera o dentro del depósito del medio (metal.ntua.gr/).
Biorreactor de transporte aéreo (ALB)
El biorreactor Airlift, también conocido como reactor de torre, utiliza la expansión de
gas comprimido para mezclar. Los ALB se pueden usar tanto para células libres como
inmovilizadas y son adecuados para bacterias, levaduras, hongos, plantas y células
animales. En estos reactores, el volumen de fluido se divide al proporcionar un tubo de
tiro interno para mejorar la circulación y la transferencia de oxígeno e igualar las
fuerzas de corte en el reactor (Veera UP & Joshi JB, 1999). El aire fluye hacia arriba por el
tubo ascendente, formando burbujas, y el gas de escape se libera desde la parte
superior de la columna. El líquido desgasificado luego fluye a través del tubo de bajada
y el producto se vacía por el fondo del tanque. El tubo de bajada se puede diseñar para
que sirva como intercambiador de calor interno, o se puede agregar un intercambiador
de calor a un circuito de circulación interno (Christi MY, 1989). El rociado se realiza
dentro o fuera del tubo de aspiración. En ausencia de agitación, el reactor requiere
poca energía, lo que lo convierte en un sistema energéticamente eficiente. Los ALB
tienen una mayor transferencia de masa a medida que se logra una mayor solubilidad
del oxígeno en tanques grandes con flujo controlado y mezcla eficiente con buen
tiempo de residencia (Bailey & Olis, 1986).
Figura 10. Reactor de lecho empacado (Siegel MH & Robinson CW, 1992)
Los lechos empacados se pueden ejecutar en el modo sumergido (con o sin aireación) o en
el modo de goteo. Las velocidades de flujo en los canales pueden ser altas para eliminar la
limitación de transferencia de masa externa en la película líquida adyacente.
Simultáneamente, se puede evitar el taponamiento, aunque a costa de una gran caída de
presión (Wang G et.al, 1992).Las propiedades no deseadas de estos reactores incluyen un
control deficiente de la temperatura, gradientes de calor, reacciones secundarias no
deseadas y dificultad para reemplazar el catalizador. También sufren bloqueos y mala
transferencia de oxígeno. Los cambios en la porosidad del lecho durante la operación
alteran las características de flujo de estos reactores. Estos se utilizan generalmente en la
ingeniería de aguas residuales.
.
Reactor de lecho fluidizado
Los reactores de lecho fluidizado (FBR) constituyen un lecho empacado con partículas de
menor tamaño. Por lo tanto, se evitan los problemas de obstrucción, alta caída de presión
del líquido, canalización y compactación del lecho en comparación con los reactores de
lecho empacado. Estos reactores operan en un estado continuo con mezcla de partículas y
gradientes de temperatura uniformes. En estos reactores, en las celdas se inmovilizan
pequeñas partículas que se desplazan con el -uido. El tamaño de partícula más pequeño
facilita una mayor tasa de transferencia de masa, transferencia de oxígeno y nutrientes a
las células. La concentración de biocatalizador puede ser significativamente mayor y se
pueden superar las limitaciones de lavado de los sistemas de células libres (Gibilaro LG,
2001). En este reactor, el área de la sección transversal se expande cerca de la parte
superior para reducir la velocidad superficial del líquido fluidificante a un valor por debajo
de la velocidad terminal de las partículas para evitar la elutriación. La eficiencia del reactor
de lecho fluidizado depende de la unión de partículas que se mantienen en suspensión por
un flujo ascendente del fluido a tratar. Las partículas a menudo se denominan portadores
de biopelícula y son un núcleo inerte en el que se crea la biomasa mediante la unión
celular; o partículas porosas en las que queda atrapado el biocatalizador
(autoinmovilización).
Figura 9. Reactor aéreo (Siegel MH & Robinson CW, 1992).
Biorreactores de lecho empacado
Los reactores constituyen necesariamente un lecho de empaques, hechos de
polímero, cerámica, vidrio, material natural, y disponibles en una variedad de
formas y tamaños que permiten el flujo de fluidos de un extremo al otro. El
biocatalizador inmovilizado se empaqueta en la columna y se alimenta con
nutrientes desde arriba o desde abajo. El fluido que comprende el nutriente
disuelto y el sustrato fluye a través del lecho sólido. El -uid
-La tasa de flujo y el tiempo de residencia se controlan para aumentar o disminuir
Los reactores uidizados funcionan en corriente ascendente con líquido como fase
continua. Por lo general, la fluidización se obtiene mediante la recirculación externa del
líquido o mediante la alimentación de gas al reactor. Algunas propiedades indeseables de
los FBR incluyen el aumento del tamaño de la vasija del reactor, los requisitos de bombeo
y la caída de presión, el arrastre de partículas, la erosión de los componentes internos, la
pérdida de presión, etc.
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Conclusión
Los biorreactores se han utilizado durante décadas para producir una
variedad de biomoléculas terapéuticas y otros productos de alto valor.
Brindan la oportunidad de monitorear y controlar las condiciones
ambientales continuamente durante todo el período de cultivo/reacción
junto con el beneficio adicional de mantener un sistema cerrado. Son una
parte crítica e integral del desarrollo de muchos procesos nuevos.
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La selección y el diseño adecuados del biorreactor que aborde las altas eficiencias del
proceso determinarán la viabilidad económica del bioproceso y su correspondiente
inversión de capital. Se han desarrollado métodos de cálculo de ingeniería de procesos
adecuados para dar una comprensión cuantitativa de la transferencia de masa. Las
metodologías innovadoras para la transferencia de gas, el mantenimiento del pH, los
sensores y actuadores que detectan la temperatura, la alimentación óptima y la
cuantificación celular, etc., son herramientas importantes para la ingeniería de
procesos. Dado que los biorreactores dependen en gran medida del control de
temperatura, es esencial seleccionar el dispositivo de control de temperatura
adecuado en función de los requisitos específicos de cada aplicación mediante el
cálculo de la carga de calor. El tipo de biorreactor dependería de la morfología de las
células, la tolerancia al cizallamiento, el comportamiento de crecimiento y producción
del cultivo.
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En el contexto indio, desarrollar varios bioprocesos con estudios detallados
sobre la cinética de reacción; la transferencia de masa, etc. asume una
importancia crítica, especialmente para ampliar el proceso mediante el diseño y
la fabricación de biorreactores adecuados. La especialización en el diseño
mecánico y de procesos y la fabricación de equipos de bioprocesamiento en los
estudios de posgrado en ingeniería biotecnológica contribuirían en gran medida
al desarrollo de la capacidad autóctona del país.
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