Diseño de Biorreactores

DISEÑO DE
BIORREACTORES
Y FERMENTADORES

DISEÑO DE BIORREACTORES
Y FERMENTADORES
Microorganismos, enzimas,
células animales y vegetales

Un biorreactor es un
……………….........donde se
realiza el cultivo, su
diseño debe asegurar un
ambiente uniforme y
adecuado para la
…………………………………………….
de los microorganismos.
Es uno de los equipos
fundamentales de la microbiología industrial.
Definición:
recipiente
reproducción y el hábitat

Provee de servicios y
condiciones necesarias
para el cultivo, tales
como:
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
…………………………………………
………………………………………..
mezclado,
termostatización,
suministro de oxígeno,
entradas para adición
de nutrientes, control
del pH, espuma, y
salidas par la toma de
muestra etc.

Los biorreactores se diseñan
según la escala con sus propias
características y objetivos,
pues hay de distintos tamaños,
formas de operación y
configuración geométrica.

BIORREACTOR DE
ESCALA INDUSTRIAL

Calidad de
mezclado; incluyendo
tiempo de mezcla y
patrones de flujo que
favorezcan tanto la
distribución de la
materia prima, como
su conversión a
producto.
Características de un
Biorreactor:

Factibilidad técnica y económica en
la construcción de unidades de gran
volumen.
Bajos costos de operación y
mantenimiento.
Operación aséptica
Altas velocidades de transferencia de
masa, momento y calor, a bajo costo o
con economía aceptable.

Mantener las células
uniformemente distribuidas en
todo el volumen del cultivo a fin de
prevenir………………………………………………
…………………
Mantener constante la……………
¿Para Que Sirve?
la sedimentación o la
flotación.
Temperatura.

Minimizar los gradientes de
concentración de nutrientes.
Suministrar oxigeno a una velocidad
tal, que satisfaga el consumo.
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.

CLASIFICACIÓN DE
LOS BIORREACTORES

Podemos distinguir
dos tipos de
fermentadores según
el estado del medio
de cultivo:
TIPOS DE
FERMENTADORES
Fementadores:
………………………………..líquidos y sólidos.

En ellos los nutrientes se encuentran en esta
forma y los microorganismos se desarrollan
flotando libremente en el volumen de medio de
cultivo o formando Agregados más o menos
esféricos (pellets) en el caso de los cultivos de
hongos. Este tipo de cultivos se denomina en
ocasiones………………………………………..
El diseño físico tienden a incluir la presencia
de sondas que permitan medir y corregir
parámetros como temperatura, pH, aireación,
etc. durante el cultivo.
FERMENTADORES LÍQUIDOS
cultivo sumergido.

En ellos los nutrientes se encuentran en
esta forma y los microorganismos se
desarrollan en la superficie del substrato o
penetrando en él. Es un tipo de
fermentación muy aplicada en la producción
de algunos alimentos (setas cultivadas, koji,
etc.) y también la que tiene lugar en los
procesos de compostaje de residuos
orgánicos. Tipos: Tambor, Bandejas,
Sistema de lecho (bed system)
FERMENTADORES SÓLIDOS

Tipos de reactores empleados en
fermentaciones en sustrato sólido
Cámara de bandejas Tambor rotatorio
Tambor balanceo

COMPARACIÓN ENTRE FSS Y FERMENTACIÓN
LÍQUIDA SUMERGIDA
FSS Fermentación sumergida
Medios simples. Requieren adición de agua o una
solución mineral. Sustratos variables
Medios con mayor cantidad de ingredientes,
mayor costo. Buena reproducibilidad en medios
definidos
Bajo øH20 reduce riesgos de contaminación Mayores riesgos de contaminación
Medios concentrados. Elevada concentración de
producto Menor volumen de reactor
Medios diluidos, Volúmenes de fermentación
grandes. Altas concentraciones de medio puede
afectar crecimiento. Alimentación de sustrato es
común
Menor consumo de energía para airear Transferencia G-L es generalmente limitante
Mezclado imperfecto o casi imposible. Difusión
puede limitar el proceso
Mezclado intenso.
La difusión de nutrientes es generalmente no
limitante
Remoción de calor es crítica. Transferencia de
calor por evaporación puede ser importante
Alto contenido de agua facilita control de Tra
Control del proceso dificultosa.
Estimación de biomasa no es directa
Amplio desarrollo en sistemas de medición y
control
Downstream processing simple. Contaminación de
producto con componentes del medio es alta
Bajos volúmenes de efluentes líquidos
La remoción de grandes volúmenes de agua
aumenta costos en los procesos de separación y
purificación
Cinética y fenómenos de transporte poco
conocidos
Modelos cinéticos y difusionales

En los que microorganismos están
adheridos a superficies estáticas y los
nutrientes pasan por filtración o goteo a
través de ellos (Producción de vinagre por
goteo), o los microorganismos se
encuentran formando agregados que se
mantienen en suspensión por medio de una
corriente de medio de cultivo líquido
(reactores de lecho fluidifizado).
FERMENTADORES SEMISÓLIDOS.

Describiremos brevemente
dos tipos de biorreactores de
uso muy difundido:…....................
.........................................................
el tanque
agitado y el "air lift".

TIPOS DE AGITACIÓN
Tanque agitado
"air lift"

Son los fermentadores más sencillos. La
agitación se consigue por un sistema de palas
unidas a un eje y un motor y por las
turbulencias creadas por un sistema de bafles
adosados a las paredes de la cuba de
fermentación.
La aireación se consigue por un difusor de aire
que emite desde la parte inferior de la cuba
de fermentación.
Fermentadores en tanque

http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/
AFTAgitacion/AFT20040606.htm

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.
La transferencia de
oxígeno al cultivo se
hace por las burbujas
que van ascendiendo
por el volumen de
cultivo.

AGITACION Y DISTRIBUCION
DE
GAS EN TANQUES AGITADOS

El principal problema de estos
fermentadores es el elevado coste del
sistema mecánico de agitación,
principalmente cuando se realizan cultivos
de hongos filamentosos en los que la
viscosidad debida al micelio aumenta mucho.

En estos fermentadores la
agitación y aireación se
logran mediante la inyección
de aire por la parte inferior
del biorreactor.
La entrada de aire produce
por convección que se
canaliza por un tubo vertical
interior en la cuba.
Fermentadores Air- lift

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
relación
superficie/volumen
disminuye y la
transferencia de oxígeno al
cultivo es menor.

Fermentadores Deep-Jet
En ellos el aire se inyecta a presión desde
la parte superior de la cuba de
fermentación de forma que las burbujas de
aire se van haciendo más pequeñas (mejor
transferencia de oxígeno)
Hasta llegar al final del cilindro interior, y
a partir de ahí las burbujas Vuelven a
crecer al ascender por la parte exterior de
la cuba de fermentación.
En la práctica, es un fermentador similar al
anterior; pero operado al revés.

BIORREACTOR AIR-LIFT
RECIRCULACIÓN INTERNA
DE TANQUES

BIORREACTOR AIR-LIFT
RECIRCULACIÓN EXTERNA
DE TANQUES
vertical
Tubo de bajada

Fermentador de cerveza moderno

http://es.scribd.com/doc/10115538
7/Diseno-de-Biorreactores

CULTIVO DE PERFUSIÓN
Modo continuo con recirculación
celular.
•Adición continua de nutrientes.
•Remoción continua de
metabolitos.
•Retención de células en
birreactor
Supera las desventajas de un
cultivo de células animales.
• Lento crecimiento de células
animales.
•Sensibles a metabolitos
producidos por ellas.
Obteniendo grandes densidades
y alta productividad.

Desenvolvimento de um
bioprocesso

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.

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
tanques son de acero inoxidable y están
pulidos a fin de facilitar la limpieza y
posterior esterilización.

Biorreactor agitado
mecânicamente

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
microorganismos y esporos.
En los reactores de tipo "air lift" (Figura 20)
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.

Tipos de reactores empleados en fermentaciones en
sustrato sólido

iorreactores
stán fabricados en materiales capaces de mantener las condiciones óptimas de presión, tempe
tc.,
ue en la mayoría de los casos es acero inoxidable. Los criterios básicos de diseño de un biorre
on:
Características bioquímicas del cultivo a realizar.
Características hidrodinámicas del reactor: es necesario minimizar los fenómenos de
ansporte en el reactor, para evitar gradientes de nutrientes, temperatura,...
Cinética de crecimiento y producción del microorganismo.
Asegurar la estabilidad genética del microorganismo, impidiendo que se estimulen
utaciones.
Esterilización lo más barata posible, hasta el punto de que, a pesar de su importancia,
según el proceso, se llega a obviar.
Control de las condiciones ambientales.
Diseño y modo de operación.
Potencial para el escalado creciente de producción.
nclusión de sistemas de oxigenación adecuados a las exigencias del
icroorganismo.

- Sistemas de muestreo para
determinar las condiciones
internas del biorreactor.
- Adopción de refrigeradores, para
mantener constantes las
condiciones de
temperatura (la actividad
microbiana genera una gran
cantidad de calor, que puede
afectar negativamente a la
producción).
- Materiales no tóxicos (ni para el
microorganismo ni para el
consumo).
- Capacidad para soportar altas
presiones.
- Resistencia a la corrosión.

pos de biorreactores
De lecho fijo o empaquetado. Los microorganismos se encuentran en una
mpaquetada. Por lo general, la alimentación se produce de forma vertical e
cendente.
En columna de burbujas. El sustrato es el medio líquido en el que están in
s
lulas, aportándose éste por la parte inferior del reactor. Se insufla gas com
r
parte inferior que, junto con una serie de bucles externos, permite homog
erior del reactor, suprimiendo posibles gradientes.
De lecho fluidizado. No son muy corrientes, dados su alto coste y complej
croorganismo permanece suspendido (debido a burbujeo continuo, lo que
cil
conseguir) en el fermentador, como consecuencia del sustrato líquido as

echo de goteo. Son los más tradicionales (similares a los de lecho fijo). El
e pasar lentamente por la matriz empaquetada que contiene al microorga
oceso semicontinuo, aunque permiten trabajar también en discontinuo), lo
e la consideración de un tiempo de residencia en dicha matriz.
enzimas o células inmovilizadas. Son los más interesantes y novedosos. Lo
as presentan grandes ventajas, pero es difícil aislar la enzima que nos inte
en reutilizar continuamente el biocatalizador, disminuyendo los costes. D
lización puede efectuarse por medios físicos (adsorción, el más usado, o
miento mecánico en matriz o membrana) o químicos (enlaces covalentes)
ntan el inconveniente de que, dado que las células pueden participar en va
sos fermentativos, aumenta la inestabilidad genética.

nstrumentación y control del proceso
La información aportada por estas variables permite conocer la
marcha del proceso fermentativo, y por lo
anto permite conocer las condiciones óptimas para la producción.
1. Temperatura. Influye en la cinética de las reacciones, y la
estabilidad y actividad enzimáticas. En
grandes fermentadores, es aconsejable disponer de diversos
medidores.
2. pH. Afecta a la permeabilidad de la pared celular y al grado en que
se producen las reacciones
catalizadas por las enzimas presentes en ella. Los medidores son
sencillos de manejar.
3. Oxígeno disuelto en el caldo de fermentación. Los aparatos
nstrumentales son de difícil
esterilización y baja fiabilidad, por lo que se mide como diferencia
entre los flujos de entrada y
salida.

4. CO
. Se usan electrodos de membrana
o técnicas espectrofotométricas o
cromatográficas.
5. Sondas de enzimas
inmovilizadas. Informan sobre el
nivel de producción de un
determinado
2
metabolito. Se usan sensores
situados cerca de las enzimas
inmovilizadas de interés.
6. Biomasa. Se obtiene
indirectamente por balances de
materia.
La información suministrada por el
procesado de los datos obtenidos
permitirá controlar el proceso de
forma más eficiente, aumentando
la productividad, producción y
rendimiento.

Bioreactor de celulas
animales

Bioreactores de celulas animales

Para satisfacer los cuatro primeros
puntos es necesario que el biorreactor
esté provisto de un sistema de
agitación, a demás para el punto (4) se
requiere de un sistema que inyecte
aire en el cultivo.

células animales y
vegetales
Y FERMENTADORES

FERMENTADORES
células animales y
vegetales

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