Tipos de biorreactores, diseño, caracteristicas y aplicación.

1. P3.Biorreactores
Mónica Contreras
Para el CECYT 19 del IPN

2. ¿Qué es un Biorreactor?
• Un biorreactor es un recipiente o sistema
que mantiene un ambiente
biológicamente activo.
• En algunos casos, un biorreactor es un
recipiente en el que se lleva a cabo un
proceso químico que involucra
organismos o sustancias
bioquímicamente activas derivadas de
dichos organismos.
• Este proceso puede ser aeróbico o
anaerobio.
• Estos biorreactores son comúnmente
cilíndricos, variando en tamaño desde
mililitros hasta metros cúbicos y son
usualmente fabricados en acero
inoxidable.
Biorreactor a escala laboratio

4. ¿Cómo funciona un biorreactor?
• Un biorreactor funciona agregando nutrientes a una solución de agua y
microorganismos. Los organismos consumen los nutrientes hasta que alcanzan
una cierta densidad, momento en el que producen productos de desecho
adicionales (metabolitos primarios (Fase Log) y metabolitos secundarios (Fase
estacionaria). Para luego ser extraídos y purificados.

5. PARTES DE UN BIORREACTOR

6. CLASIFICACIÓN DE BIORREACTORES.
POR MODO DE OPERACIÓN.
o quimiostato

7. Tipos de Biorreactor por modo de
agitación.

8. Tanque Agitado

10. Columna de burbujas
• En estos fermentadores la agitación y
aireación se logran mediante la
inyección de aire por la parte inferior
del biorreactor.
• No cuenta con agitación mecánica.
• La aireación también permite reducir
la cantidad de calor producida
durante la fermentación.
• Las burbujas de aire van
aumentando de tamaño conforme
ascienden por el tubo interior por lo
que su comportamiento define la
hidrodinámica y otras características
del cultivo.
Distribuidores de gas

11. Air lift
• Lo que los diferencia con los de columna de burbujas es que las
corrientes de flujo del líquido están más definidas debido al
tubo interior en el tanque del biorreactor, las corrientes
ascendentes y descendentes permiten una mejor
desgasificación (salida de gas)

12. ¿Para qué sirve un Biorreactor?
Proporcionan las condiciones óptimas de crecimiento y metabolismo
célular en condiciones controladas. Se han diseñado a escala industrial y
deben cumplir ciertas características de funcionamiento como:
• Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de
cultivo.
• Mantener constante y homogénea la temperatura.
• Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
• Prevenir la sedimentación y la floculación.
• Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el
cultivo.
• Mantener el cultivo puro.
• Mantener un ambiente aséptico.
• Maximizar el rendimiento y la producción

13. ¿Qué factores se deben controlar
en un Biorreactor?
• Los biorreactores controlan las condiciones ambientales mediante la
regulación de factores como la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto,
la concentración de nutrientes, la agitación y nivel de espuma. El
seguimiento y el ajuste de estos parámetros garantizan un crecimiento
y una productividad óptimos de los organismos biológicos dentro del
biorreactor.
• Temperatura: Es una variable importante de control de una fermentación. La
temperatura afecta el crecimiento microbiano de manera notable debido a que
los microorganismos de una especia determinada sólo pueden crecer en un
rango restringido de temperaturas. Considerar temperaturas de crecimiento
levaduras (25+/-2°C) bacterias mesófilas, termófilas. Mesófilas de 35+/-2°C y
Termófilos por encima de los 45°C.

14. ¿Qué factores se deben controlar
en un Biorreactor?
• pH: Determina de forma importante la velocidad de crecimiento de los microorganismos y el
rendimiento de bioconversión. El pH de crecimiento para una especie de microorganismo
representa generalmente un máximo denominado pH óptimo. 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 y Bacterias
6,0 y 7,5.
• OXIGENACIÓN O AEREACIÓN Merece especial mención pues su ausencia o abundancia permita
una selección tanto de microorganismos como de productos del metabolismo. Cuando el cultivo
se produce en presencia de oxígeno molecular la fermentación se denomina aeróbica, y cuando
éste carece de oxígeno molecular la fermentación se denomina aeróbico por lo que es necesario
proveer oxígeno al cultivo. Para ello, se inyecta aire u oxigeno de forma estéril al medio o caldo
de cultivo por medio de un compresor.
• NIVEL DE ESPUMA La mayoría de los medios de cultivo utilizados para el crecimiento de
microorganismos contienen proteínas y péptidos que promueven la formación de biorreactor
provocan aún más la formación de grandes cantidades de espuma; esta puede incluso ser tan
importante que puede ocupar todo el espacio vacío del biorreactor (espacio de cabeza) y hasta
salir por cualquier orificio de entrada de flujo al biorreactor que no esta siendo empleado. La
formación de espuma en el biorreactor conlleva el incremento del riesgo de contaminación de la
fermentación
• Nutrientes: Deben ser fáciles de mantener ya que requieren sólo soluciones simples de
nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.
• Agitación: Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos
simples que pueden resistir la fuerza de agitación. Pero siempre se debe cuidar la velocidad de
ellas para evitar la muerte celular.

15. • ¿Cuál es el propósito de la agitación en un biorreactor?
• La agitación en un biorreactor promueve la mezcla del medio de cultivo,
asegurando una distribución uniforme de nutrientes y gases. Ayuda a prevenir
gradientes de concentración, mejora las tasas de transferencia de masa y mejora
el contacto entre las entidades biológicas y el sustrato, lo que lleva a reacciones
más eficientes.
• ¿Cómo se mantiene la esterilidad en un biorreactor?
• La esterilidad es crucial en los biorreactores para evitar la contaminación y
mantener la pureza del cultivo o producto deseado. Se logra a través de medidas
como la esterilización de equipos y medios, técnicas de manejo aséptico,
filtración de aire y monitoreo continuo de contaminación microbiana.
• ¿Cómo se suministran los nutrientes a los organismos en un biorreactor?
• Los nutrientes necesarios para el crecimiento y el metabolismo de los organismos
en un biorreactor se suministran a través del medio de cultivo. El medio contiene
nutrientes esenciales como fuentes de carbono, fuentes de nitrógeno, vitaminas,
minerales y oligoelementos. Estos nutrientes apoyan los procesos biológicos que
ocurren dentro del biorreactor.

16. Escalamiento del biorreactor
¿Qué es el escalado en la tecnología de biorreactores?
La ampliación se refiere al proceso de transición de biorreactores de laboratorio a
pequeña escala a biorreactores a mayor escala de producción. Implica adaptar las
condiciones operativas, los parámetros de diseño y las estrategias de control de
procesos para garantizar una operación exitosa y eficiente a mayor escala,
manteniendo los rendimientos y la calidad deseados del producto.

17. • ¿Cómo se logra la separación del producto en los biorreactores?
• La separación de productos en biorreactores depende de la aplicación específica
y del producto deseado. Se puede lograr a través de métodos como filtración,
centrifugación, sedimentación, cromatografía, extracción o utilizando sistemas
de membrana especializados. El método elegido depende de factores como las
características del producto, la pureza deseada y la viabilidad económica.
• ¿Cuáles son las ventajas de utilizar biorreactores?
• Los biorreactores ofrecen varias ventajas sobre los procesos por lotes
tradicionales. Proporcionan un mejor control sobre los parámetros del proceso,
mayor productividad, mejor reproducibilidad y la capacidad de operar de forma
continua o semicontinua. Los biorreactores también permiten la producción de
productos complejos, permiten la ampliación para satisfacer las demandas
comerciales y ofrecen un enfoque más sostenible para varios procesos
biológicos.

18. OTRAS APLICACIONES DE
BIORREACTORES
• Producción de enzimas, proteínas y anticuerpos
Tratamiento de aire contaminado (biodepuración)
Depuración de aguas residuales Biolixiviación de
minerales.
• Los biorreactores generalmente son utilizados para
el cultivo de las células, ayudan a acelerar los
cultivos celulares, son útiles en ingenierías de
tejido.