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DISEO DE BIORREACTORES I

M Sc Ing NELSON HUGO RAMREZ SICHE

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INDICE

I. BIORREACTORES ........................................................................................................................... 2

1.1. DEFINICIN. ............................................................................................................................ 4

1.2. CLASIFICACIN: ..................................................................................................................... 4

1.2.1. DE ACUERDO A SUS FASES: ......................................................................................... 4

1.2.2. DE ACUERDO AL METABOLISMO (CLASIFICACIN BIOLGICA). ............................. 4

1.2.3. DE ACUERDO A SU PROCESO DE OPERACIN: ......................................................... 4

1.2.4. DE ACUERDO A LA MEZCLA: ......................................................................................... 5

1.3. ELECCIN DEL TIPO DE REACTOR: ..................................................................................... 5

1.4. DISEO DE BIORREACTORES. ............................................................................................. 5

PRINCIPIOS EN EL DISEO DE BIORREACTORES. .................................................................... 6

DESVENTAJAS: .............................................................................................................................. 6

DESVENTAJAS: .............................................................................................................................. 6

VENTAJAS:...................................................................................................................................... 7

VENTAJAS:...................................................................................................................................... 7

DESVENTAJAS: .............................................................................................................................. 7

1.5. CULTIVOS Y FERMENTACIONES. ......................................................................................... 8

1.6. BIORREACTORES Y TIPOS DE CULTIVO ............................................................................. 9

A. CLULAS Y MICROORGANISMOS ANAERBICOS.............................................................. 9

B. CLULAS Y MICROORGANISMOS FACULTATIVOS. ............................................................ 9

C. CLULAS Y MICROORGANISMOS AERBICOS............................................................... 9

1.7. TIPOS DE CULTIVO QUE SE PUEDEN REALIZAR: ............................................................... 9

CULTIVOS MICROBIANOS ANAERBICOS FERMENTADOR BACTERIAL (CO2). ........... 9

CULTIVOS MICROBIANOS FACULTATIVOS FERMENTADOR BACTERIAL. .................... 9

CULTIVOS MICROBIANOS AERBICOS FERMENTADOR BACTERIAL (O2). ............... 10

CULTIVOS CELULARES AERBICOS Y FACULTATIVOS FERMENTADOR MICTICO

(CO2). ............................................................................................................................................. 10

CULTIVOS CELULARES AERBICOS ESTRICTOS FERMENTADOR CON AIREACIN

(O2). ................................................................................................................................................ 10

CLULAS VEGETALES EN SUSPENSIN BIORREACTOR DE ELEVAMIENTO POR AIRE

(O2) EN RGIMEN TURBULENTO (Re 3000). ........................................................................... 10

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PROTOPLASTOS VEGETALES BIORREACTOR DE LEVATAMIENTO POR AIRE (O2) EN

RGIMEN LAMINAR (Re 2300). ................................................................................................. 10

CLULAS ANIMALES BIORREACTOR DE LECHO FLUIDIZADO (O2). ............................ 11

CLULAS INMOBILIZADAS BIORREACTOR DE FIBRA HUECA (O2). ............................. 11

CLULAS EMPAQUETADAS BIORREACTOR DE LECHO EMPACADO (O2). ................. 11

CULTIVOS ENZIMTICOS REACTORES DE LECHO CATALTICO. ................................ 12

1.8. MODO DE OPERACIN Y SISTEMAS DE CULTIVO. .......................................................... 12

1.8.1. DISCONTINUO (batch). .................................................................................................. 12

1.8.2. SEMICONTINUO (Fed batch). ..................................................................................... 12

1.8.3. CONTINUO. .................................................................................................................... 12

1.9. BALANCES Y ECUACIONES ................................................................................................. 13

1.9.1. BALANCE GENERAL BIOMASA .................................................................................... 13

1.9.2. BALANCE GENERAL POR COMPONENTE .................................................................. 13

1.9.3. BALANCE GENERAL POR COMPONENTE PARA CADA MODO DE OPERACIN .... 14

1.9.4. BALANCES INDIVIDUALES ........................................................................................... 15

BIBLIOGRAFA ............................................................................................................................. 177

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BIORREACTORES

1.1. DEFINICIN.

Es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biolgicamente activo. En algunos casos, un

biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso qumico que involucra organismos

o sustancias bioqumicamente activas derivadas de dichos organismos, se lleva a cabo una

reaccin catalizada por enzimas o clulas, libres o inmovilizadas. Este proceso puede ser aerbico

o anaerbico. Estos biorreactores son comnmente cilndricos, variando en tamao desde algunos

mililitros hasta metros cbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable.

El biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propias (pH, temperatura,

concentracin de oxgeno) al organismo o sustancia qumica que se cultiva.

En funcin de los flujos de entrada y salida, la operacin de un biorreactor puede ser de tres

puntos distintos:

Lote (batch).

Lote alimentado (fed batch).

Continuo o quimiostato.

1.2. CLASIFICACIN:

1.2.1. DE ACUERDO A SUS FASES:

Homogneos.

Heterogneos.

1.2.2. DE ACUERDO AL METABOLISMO (CLASIFICACIN BIOLGICA).

Los sistemas biolgicos deben interaccionar con el ambiente externo para poder crecer y

desarrollarse, es por eso que los biorreactores se clasifican biolgicamente de acuerdo al

metabolismo procesal del sistema: ANAERBICO, FACULTATIVO, AERBICO.

Los bioprocesos de cultivo y las fermentaciones estn basados en el metabolismo celular

del cultivo. El metabolismo define los parmetros y caractersticas operativas biolgicas

de diseo y de operacin del biorreactor. Estas caractersticas son las que intervienen en

la parte biolgica del sistema y tienen que ver con el crecimiento, productividad y

rendimiento del cultivo; por lo que, definen la clasificacin biolgica, procesal del sistema

de cultivo.

1.2.3. DE ACUERDO A SU PROCESO DE OPERACIN:

Continuos.

Semicontinuo.

Discontinuos.

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Esta es una clasificacin operativa y se aplica a cualquier reactor, sea qumico o biolgico

(biorreactor). En los reactores biolgicos el modo de operacin define el sistema de cultivo

que es el mismo y delimita la clasificacin procesal productiva del bioproceso (cultivo). Al

operar un biorreactor en una determinada categora (discontinuo, semicontinuo, continuo),

automticamente queda determinado el modo de cultivo del sistema y se definen los

parmetros y las caractersticas operativas y de diseo que intervienen en el proceso

productivo del sistema.

1.2.4. DE ACUERDO A LA MEZCLA:

Biorreactor discontinuo de mezcla completa.

Biorreactor continuo de mezcla completa.

Biorreactor continuo de flujo de pistn.

Biorreactor reactores de lecho fluidizado.

1.3. ELECCIN DEL TIPO DE REACTOR:

Control de PH y temperatura.

Exigencias de suministro o eliminacin de reactores gaseosos.

Presencia de partculas slidas deseadas o indeseadas en la alimentacin.

Estabilidad qumica y/o biolgica de sustratos y productos.

Sustitucin del catalizador.

Inhibicin por sustratos y/o productos.

Escala de operacin.

Destinos del producto.

1.4. DISEO DE BIORREACTORES. Es una tarea de ingeniera bastante compleja, los organismos o clulas son capaces de realizar su

funcin deseada con gran eficiencia bajo condiciones ptimas. Las condiciones ambientales de un

biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo; oxgeno, nitrgeno, dixido de carbono, etc.),

temperatura, pH, oxgeno disuelto y velocidad de agitacin o circulacin, deben ser

cuidadosamente monitoreadas y controladas.

La mayora de los fabricantes industriales de biorreactores usan recipientes, sensores,

controladores y un sistema de control interconectados para su funcionamiento en el sistema

biorreaccin.

La misma propagacin celular puede afectar la esterilidad y eficiencia del biorreactor,

especialmente en los intercambiadores de calor. Para evitar esto, el biorreactor debe ser fcilmente

limpiable y con acabados lo ms sanitario posible (de ah sus formas redondeadas).

Se requiere de un intercambiador de calor para mantener el bioproceso a temperatura constante.

La fermentacin biolgica es una fuente importante de calor, por lo que en la mayor parte de los

casos, los biorreactores requieren de agua de enfriamiento. Pueden ser refrigerados con una

chaqueta externa o, para recipientes sumamente grandes, con serpentines internos.

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En un proceso aerobio, la transferencia ptima de oxgeno es tal vez la tarea ms difcil de lograr.

El oxgeno se disuelve poco en agua (y an menos en caldos fermentados) y es relativamente

escaso en el aire (20,8 %). La transferencia de oxgeno usualmente se facilita por la agitacin que

se requiere tambin para mezclar los nutrientes y mantener la fermentacin homognea. Sin

embargo, existen lmites para la velocidad de agitacin, debidos tanto al alto consumo de energa

(que es proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al dao ocasionado a los organismos

debido a un esfuerzo de corte excesivo.

Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que

pueden resistir la fuerza de agitacin. Tambin son fciles de mantener ya que requieren solo

soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.

En los biorreactores utilizados para crecer clulas o tejidos, el diseo es significativamente distinto

al de los biorreactores industriales. Muchas clulas y tejidos, especialmente de mamfero,

requieren una superficie u otro soporte estructural para poder crecer y los ambientes agitados son

comnmente dainos para estos tipos de clulas y tejidos. Los organismos superiores tambin

requieren medios de cultivo ms complejos.

PRINCIPIOS EN EL DISEO DE BIORREACTORES.

A. BIORREACTOR DISCONTINUO DE MEZCLA COMPLETA.

Variacin de forma continua.

Constante a travs del reactor.

Empleo de enzimas solubles.

Volumen pequeo de produccin.

DESVENTAJAS:

Cambios en las condiciones de operacin.

Grado de mezcla en reactores a gran escala.

B. BIORREACTOR CONTINUO DE MEZCLA COMPLETA.

Composicin uniforme.

Verstiles y baratos.

Facilidad de control de PH, temperatura, etc.

DESVENTAJAS:

Gastos energticos elevados.

C. BIORREACTOR DE FLUJO EN PISTN.

Invariable a lo largo del tiempo.

Vara a travs del reactor.

Clulas o enzimas libres (inoculacin).

Clulas o enzimas inmovilizados.

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VENTAJAS:

Ms eficaces que los de mezcla completa.

Simples y fciles de manejar y automatizar.

D. BIORREACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

Fluidizacin: winkler (1921).

De lecho fluido o turbulento.

Biocatalizador o en suspensin.

Flujo de sustrato.

VENTAJAS:

Buen control de pH, T, gas, etc.

Gran rea de interaccin.

Facilidad de hacer trabajo en continuo.

DESVENTAJAS:

Tcnica de trabajo cara.

EL DISEO en bioingeniera no es solo la aplicacin de conceptos bsicos y tericos que conlleven a

lograr un prototipo; para la realizacin integra de un modelo, otra gran parte, trata de la adaptacin

creativa y de la utilizacin del ingenio propio para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biolgico de

un cultivo vivo con el ambiente artificial de un dispositivo controlado; este es el resultado denominado

biorreactor o reactor biolgico. Un BIORREACTOR es por tanto un dispositivo biotecnolgico que

debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la produccin y el

crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biolgica. Externamente el biorreactor es la

frontera que protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no controlado. El

biorreactor debe por tanto suministrar los controles necesarios para que la operacin o proceso

(bioproceso) se lleve a cabo con economa, alto rendimiento (productividad) y en el menor

tiempo posible; esa es la parte tecnolgica.

El biorreactor es un sistema totalmente cerrado para la recepcin y tratamiento de las aguas residuales,

residuos agrcolas y de cualquier otro tipo de residuos orgnicos biodegradables, donde son convertidos

en abono biolgico formulado, libre de todo patgeno, y genera un gas, llamado biogs, el cual se

purifica hasta llevarlo a metano puro en la mayor proporcin posible para ser utilizado en cualquier

sistema de combustin, motores o cualquier otro tipo de equipo que opere con gas natural, incluyendo

los vehculos particulares convertidos a gas natural pues tiene un alto porcentaje de metano de no

menos del 91% y su composicin, poder calorfico, etc. Es casi idntico a la del gas natural, debido a

que se purifica hasta su punto ptimo.

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1.5. CULTIVOS Y FERMENTACIONES.

Lo primero que hay que entender en el diseo de reactores biolgicos es que contrario a los

qumicos, su cintica no est determinada exclusivamente por la velocidad de reaccin y las

variables que la determinan. Aunque se puede describir de manera similar a la qumica, la cintica

biolgica tambin depende de caractersticas intrnsecas del organismo o cultivo tales como

crecimiento y tasa de divisin celular, as como del tipo de operacin que se lleve a cabo.

Por eso, lo primero que se define en el diseo de un biorreactor es el propsito de utilizacin; es

decir, qu tipo de cultivo se va utilizar, el modo de operar y/o el proceso de cultivo.

El biorreactor sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos:

a. Mantener las clulas uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.

b. Mantener constante y homognea la temperatura.

c. Minimizar los gradientes de concentracin de nutrientes.

d. Prevenir la sedimentacin y la floculacin.

e. Permitir la difusin de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.

f. Mantener el cultivo puro.

g. Mantener un ambiente asptico.

h. Maximizar el rendimiento y la produccin.

i. Minimizar el gasto y los costos de produccin.

j. Reducir al mximo el tiempo.

Una fermentacin es un proceso biolgico o bioproceso que consiste en la descomposicin de la

materia orgnica por microorganismos fermentadores (bacterias y hongos).

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Un cultivo tambin es un bioproceso; pero generalmente se asocia a organismos o

microorganismos superiores (en orden jerrquico) a las bacterias; los cultivos son casi todos del

reino Eucariota.

1.6. BIORREACTORES Y TIPOS DE CULTIVO

Los sistemas biolgicos que determinan el metabolismo celular de cultivo y el modo procesal

biolgico del sistema son:

A. CLULAS Y MICROORGANISMOS ANAERBICOS.

Bacterias en su gran mayora, son microorganismos de metabolismos degradativo (catablico);

generalmente unicelulares, estos microorganismos son autnomos y nutricionalmente

independientes ( auttrofos); sus clulas (cuerpos) no respiran (no utilizan la gluclisis para la

respiracin celular), en cambio, utilizan vas alternas, donde una molcula orgnica, producida

durante el proceso metablico (catabolismos), es utilizada como aceptor de electrones, en un

proceso bioqumico como respiracin oxidativa; esta molcula es reducida a producto orgnico

en un proceso comnmente denominado fermentacin.

B. CLULAS Y MICROORGANISMOS FACULTATIVOS.

Son ambivalentes, tienen la capacidad de vivir o sobrevivir entre ambientes: aerbico y

anaerbico; microorganismos de metabolismos mixto por lo que, pueden tanto degradar

(catabolismo) como construir (anabolismos) materia orgnica, a partir de diferentes sustratos

(materia prima), tanto orgnicos como inorgnicos. Pese a su versatilidad, sus mayores

representantes son microorganismos que presentan relaciones parsitas o simbiontes tales

como; hongos y levaduras, por lo que son muy extensos.

C. CLULAS Y MICROORGANISMOS AERBICOS.

Pertenecen en su mayora al reino Eucariota (pero tambin hay procariotas) son

microorganismos y clulas que respiran (utilizan la gluclisis como forma de respiracin

celular); por lo que su metabolismo es constructivo (anablico) y deben obtener sus nutrientes

de diferentes fuentes. Sus principales grupos estn representados por: bacterias y

microorganismos aerbicos, plantas y animales; cuyas clulas se pueden cultivar en

suspensiones celulares o bien, en diferentes arreglos artificiales o modificadas.

1.7. TIPOS DE CULTIVO QUE SE PUEDEN REALIZAR:

CULTIVOS MICROBIANOS ANAERBICOS FERMENTADOR BACTERIAL (CO2).

Los microorganismos de metabolismos anaerbico son los ms simples de todos, tan solo

necesitan de un medio de cultivo adecuado, agitacin vigorosa y cierta cantidad de CO2 disuelto

para crecer y multiplicarse.

CULTIVOS MICROBIANOS FACULTATIVOS FERMENTADOR BACTERIAL.

Los microorganismos facultativos toleran la presencia de oxgeno en bajas concentraciones y

adems de un sustrato adecuado, slo requieren agitacin moderada y un medio de cultivo

para crecer y desarrollarse.

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CULTIVOS MICROBIANOS AERBICOS FERMENTADOR BACTERIAL (O2).

Los microorganismos aerbicos necesariamente requieren la presencia de oxgeno disuelto

(OD) para sobrevivir; adems, agitacin moderada y un medio de cultivo rico en nutrientes para

poder crecer y desarrollarse.

CULTIVOS CELULARES AERBICOS Y FACULTATIVOS FERMENTADOR MICTICO

(CO2).

Los cultivos celulares se diferencian de los bacteriales (microbios) en que o son

microorganismos procariotas, son eucariotas. Son microorganismos aerbicos o facultativos

pertenecientes al reino fungi (hongos y levaduras), generalmente llamados micticos, requieren

de la presencia de CO2 disuelto en el medio como sustrato limitante de la velocidad de reaccin

y generan estructuras reproductivas muy particulares.

CULTIVOS CELULARES AERBICOS ESTRICTOS FERMENTADOR CON AIREACIN

(O2).

El cultivo de microorganismos celulares (no bacteriales) aerbicos estrictos requieren la

presencia de oxgeno disuelto en el medio de cultivo para el metabolismo celular; as como una

adecuada agitacin.

CLULAS VEGETALES EN SUSPENSIN BIORREACTOR DE ELEVAMIENTO POR AIRE

(O2) EN RGIMEN TURBULENTO (Re 3000).

Las clulas vegetales pueden ser cultivadas en suspensiones celulares: pequeos agregados

celulares que se suspenden en el medio de cultivo mediante agitacin. Dado que las clulas

vegetales, el diseo del biorreactor debe incorporar una lnea de aireacin (aire) para

suministrar oxgeno disuelto (OD) al medio de cultivo. El diseo debe contar con agitacin

vigorosa, pues los agregados celulares vegetales tienden a agruparse (clusters) y de alcanzar

gran tamao y peso, precipitaran. Por eso, la operacin de este tipo de biorreactores debe ser

en rgimen turbulento (Re 3000). Los biorreactores para clulas vegetales en suspensin

generalmente son diseados con un mecanismo de levantamiento por aire que combina una

agitacin vigorosa (turbulenta) con una adecuada aireacin (oxgeno disuelto) del medio de

cultivo.

PROTOPLASTOS VEGETALES BIORREACTOR DE LEVATAMIENTO POR AIRE (O2) EN

RGIMEN LAMINAR (Re 2300).

Los protoplastos son clulas vegetales desprovistas de su pared celular, esto se logra utilizando

enzimas proteolticas (proteasas y lipasas) que degradan la pared celular. Actualmente, el

cultivo de protoplastos no es muy comn, pero de realizarse, requiere de una cama de aire

(burbujas muy finas) que opere en rgimen laminar (Re 2300), para evitar que los esfuerzos

cortantes (esquileo) e hidrodinmicos (agitacin) generados en el medio de cultivo daen (lisis

celular) las clulas en suspensin. Tambin es indispensable que el medio de cultivo contenga

las proteasas y lipasas necesarias para evitar la regeneracin de la pared celular.

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CLULAS ANIMALES BIORREACTOR DE LECHO FLUIDIZADO (O2).

Los cultivos de las clulas animales requieren de proximidad mutua y de un soporte slido

(anclaje) para interactuar (comunicacin clula clula) y poder metabolizar (producir); esto por

cuanto, las clulas animales, por lo general, no son independientes y deben estar unidas a un

sistema (por ejemplo heptico) para funcionar adecuadamente. Par suministrar esa proximidad

y el soporte necesario, los diseos de biorreactores para clulas animales deben aumentar la

densidad celular (concentrar) de las clulas en cultivo. Una forma de hacerlo es incorporar un

lecho fluidizado formado por cantidad de microesferas acarreadoras hechas de material

cermico poros inerte que, por su tamao (micromtrico) forman una interfase con el medio de

cultivo (fluido) que permite la transferencia de masa (nutrientes y OD), energa (calor) y

momentun (agitacin) entre el medio de cultivo y las clulas en cultivo; lo que es llamado lecho

fluidizado. Los cultivos celulares animales, por la delicada naturaleza de las membranas

plasmticas requieren adems de oxgeno disuelto (OD) en el medio de cultivo y de un rgimen

de agitacin laminar (Re 2300).

CLULAS INMOBILIZADAS BIORREACTOR DE FIBRA HUECA (O2).

La inmovilizacin celular es otra forma de lograr proximidad celular y aumentar la densidad

celular y la concentracin de metabolitos dentro de las clulas. La inmovilizacin es un mtodo

mucho ms eficiente y logra rendimientos muy superiores a los del lecho fluidizado. Pero, los

fenmenos de transferencia (masa, momentun y energa) se ven muy limitados por la

inmovilidad. Esto es especialmente crtico en cultivos de clulas de mamfero por cuanto la

clula no recibe la nutricin adecuada.

Los reactores de fibra hueca son los dispositivos ms utilizados para inmovilizar y concentrar

cultivos celulares animales. Su diseo consiste en una batera de fibras huecas y porosas en su

interior, colocadas en paralelo. Las clulas se concentran y aumenta la densidad celular, en los

intersticios de las fibras huecas. El medio de cultivo fluye en contrasentido desde el exterior del

reactor o a travs de una carcasa como si fuera un intercambiador de calor de doble tubo. Para

solventar el problema de la escasa transferencia de masa (nutrientes y OD) dentro de la fibra

hueca, un diseo novedoso es el tambor rotativo en el cual, el tambor externo rota sobre la

batera de fibras huecas, generando una circulacin constante de masa y de momentun,

aumentando las tazas de transferencia.

CLULAS EMPAQUETADAS BIORREACTOR DE LECHO EMPACADO (O2).

El empaquetamiento celular es una forma menos drstica de inmovilizacin; pues sta es

parcial. Tambin tiene el objetivo de aumentar la concentracin y la densidad celular; pero al no

estar enclaustradas las clulas, la transferencia de masa es mayor, aunque siempre limitada.

Un lecho empacado es una matriz de soporte slido que retiene las clulas, bien por geometra

(dentro de los intersticios o espacios huecos de la matriz), bien por afinidad (paso o adherencia

selectiva). Un biorreactor con este propsito debe contener un lecho de soporte slido,

sumergido en el medio de cultivo. La oxigenacin generalmente se realiza en el exterior del

lecho, a travs del medio de cultivo.

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CULTIVOS ENZIMTICOS REACTORES DE LECHO CATALTICO.

Los cultivos enzimticos se comportan en algunos aspectos como cultivos celulares y en otros

como reactivos qumicos. Debido a que un sustrato enzimtico es un cataltico de una reaccin

biolgica, la cintica de estos reactores puede simularse como la qumica, pero sin olvidar que

el compuesto es biolgico. Los sustratos enzimticos deben estar anclados a un lecho

semislido o a un semifluido (segn sea el caso) dependiendo de la naturaleza enzimtica del

sustrato; que por la naturaleza de la enzimas se conocen como lechos catalticos. Muchas

veces el medio de cultivo, adems de la enzima, requiere, para un sustrato determinado, su

respectivo precursor metablico llamado cofactor, ms algn componente especial que agilice

el proceso metablico.

1.8. MODO DE OPERACIN Y SISTEMAS DE CULTIVO.

El modo de operacin de un sistema de cultivo, es sinnimo del modo de operar del biorreactor o

fermentador. ste no solo influye en el diseo propio del reactor, tambin, en el modelo cintico de

crecimiento del cultivo y en el proceso de produccin.

Existen tres modos de cultivo aunados a tres modos bsicos de operacin:

1.8.1. DISCONTINUO (batch).

Por lotes o tandas, sin alimentacin (F); se coloca dentro del biorreactor la carga total de cada

proceso (tanda o lote) de cultivo o fermentacin y se deja que se lleve a cabo el proceso

productivo o la fermentacin por el tiempo que sea necesario; el cual se denomina tiempo de

retencin.

Las clulas se cultivan en biorreactor con una concentracin inicial, sin que esta sea alterada

por nutrientes adicionales o el lavado, por lo que el volumen permanece constante y slo las

condiciones ambientales del medio (PH, temperatura, velocidad de agitacin) son controladas

por el operador. Es proceso finaliza cuando todo el sustrato es consumido por la biomasa.

1.8.2. SEMICONTINUO (Fed batch).

Por lotes alimentados, con alimentacin de entrada (F1); se alimenta una lnea de entrada o

alimentacin (F1) para que el sistema de cultivo tenga un producto (biomasa) con mximo

crecimiento (exponencial) y aumente la productividad. Los nutrientes son alimentados al

biorreactor de forma semicontinua o continua, mientras que no hay efluente en el sistema. La

adicin intermitente del sustrato mejora la productividad de la fermentacin manteniendo baja la

concentracin del sustrato. Este proceso est restringido por la capacidad volumtrica del

reactor.

1.8.3. CONTINUO.

Por quimioestato, se alimenta una lnea de entrada F1 con nutrientes de manera continua y

se drena una salida F2 o lavado; de manera que los flujos o caudales de ambas lneas sean

iguales y la produccin sea continua.

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1.9. BALANCES Y ECUACIONES

La parte terica del diseo consiste en modelar; es decir, poner en ecuaciones el proceso

biolgico (bioproceso) que se lleva a cabo, para que, a partir de esas ecuaciones, dimensionar (dar

dimensiones) y simular el comportamiento terico de un modelo prototipo.

1.9.1. BALANCE GENERAL BIOMASA

Vel Acum = Vel Ent Vel Sal + Vel Form Vel Cons

= - + -

1.9.2. BALANCE GENERAL POR COMPONENTE

Una vez dado el balance general de biomasa, debe tomarse en cuenta que, en un sistema de

cultivo, existen muchos componentes: sustratos, productos, compuestos metablicos que

conforman el caldo de cultivo (medio interno); incluso la biomasa, se considera un componente

en s misma.

A partir del balance general, debe establecerse un balance general para cada componente

del cultivo o la biomasa.

( ) = . . +

. Ec.1

Donde:

( ) : Velocidad de acumulacin del componente .

: Volumen del cultivo (m).

: Flujo o caudal de entrada (m/s).

: Concentracin inicial del componente . (kg/m).

: Flujo o caudal de salida (m/s).

: Concentracin del componente . (kg/m).

: Velocidad de formacin del componente . (kg/ms).

: Velocidad de consumo del componente . (kg/ms).

Velocidad

de

Entrada

Velocidad

de Salida

Velocidad

de

Formacin

Velocidad

de

Consumo

Velocidad de

Acumulacin

VELOCIDAD

DE

ACUMULACIN

VELOCIDAD

DE

CONSUMO

VELOCIDAD

DE

ENTRADA

VELOCIDAD

DE

FORMACIN

VELOCIDAD

DE SALIDA

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Respecto a las velocidades de formacin y consumo:

Si se trata de un componente metablico, responden a la acumulacin (formacin) del

componente dentro de la clula y al consumo del metabolito por parte de la clula (consumo).

Si se trata de biomasa, formacin corresponde a la generacin de biomasa y el consumo al

consumo de biomasa durante el bioproceso; esto es, a la produccin metablica en el primer

caso y a la produccin o productividad en el segundo.

1.9.3. BALANCE GENERAL POR COMPONENTE PARA CADA MODO DE OPERACIN

La ecuacin de balance general por componente Ec. 1, por ser general, se define para una

operacin continua.

La condicin fundamental de toda operacin continua es:

En una operacin continua el flujo de entrada (F1) debe ser igual al flujo de salida (F2):

F1 = F2

Esta condicin se conoce como flujo en estado estacionario (FEE).

Para modelar el comportamiento de la biomasa del cultivo en el estado estacionario (EE)

adems de la condicin de flujo (FEE) debe haber equilibrio en la densidad o concentracin de

sta. Esto se conoce como quimioestsis o equilibrio quimioesttico y es por eso que a los

sistemas de cultivo continuo se les llama quimioestatos. Est condicin est dada por la

ecuacin:

= Ec. 2.

Bajo la condicin de FEE y suponiendo que la densidad del cultivo y de la alimentacin son

iguales (Ec.2, quimioestsis)

la Ec.1 se reduce a la ecuacin de balance para una operacin continua en estado

estacionario.

= ( ) + (

) .. Ec. 3.

De no existir el estado estacionario (EE) se produciran dentro del biorreactor dos condiciones

de flujo indeseables:

Si F1 > F2 se produce el rebalse o desborde del biorreactor, condicin que se da cuando el flujo

de entrada sobrepasa la capacidad del reactor.

Si F2 > F1 se produce el lavado o drenado de producto o biomasa, condicin que se da cuando

el flujo de salida sobrepasa la capacidad del reactor.

Cuando el modo de operacin es SEMICONTINUO (fed-batch) el caudal de salida F2 es nulo

(F2 = 0) por lo que, el volumen V aumentar con el tiempo en funcin del caudal de entrada:

= . Ec.4.

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Y en el balance de materia se anula el trmino .

Resultando: ()

= .

+ (

) .. Ec.5.

Observe que el volumen que permanece dentro del operador diferencial es porque vara con el

tiempo (Ec.4), en tanto que el otro no lo hace (Ec.3).

Esa es la razn por la que una operacin semicontinua tiene duracin limitada en el tiempo (el

volumen no puede incrementarse ms all del volumen de trabajo o volumen til del

biorreactor). El tiempo que dura una operacin semicontinua se conoce como tiempo de

residencia (tr) y es el tiempo que dura el cultivo o bioproceso en un sistema semicontinuo.

Cuando el modo de operacin es DISCONTINUO (batch) ambos caudales son nulos

F1 = F2 = 0

Por lo que, el volumen es constante y se anulan los trminos . y . en la Ec.1.

Eso da como resultado: ()

=

Ec.6.

La duracin de un cultivo discontinuo (batch) es tambin, limitada en el tiempo, pero se

diferencia de la del cultivo semicontinuo (fed-batch) en que depende nicamente de las

condiciones iniciales del cultivo; esto por cuanto, no existe alimentacin (F1).

Una vez cargado el biorreactor e inoculado el medio de cultivo, la concentracin de la biomasa

aumenta gracias a los nutrientes, pero una vez que el sustrato que limita el crecimiento se haya

agotado, el crecimiento ya no es posible y finaliza el cultivo. Por este motivo, el tiempo que dura

el cultivo dentro de un biorreactor con un modo de operacin discontinuo se llama tiempo de

cultivo (tc).

1.9.4. BALANCES INDIVIDUALES

Los principales balances por componente en su forma individual son:

Balance de Biomasa:

d (VX) / dt = FiXi + VrgX FoXo VrcX

Velocidad de crecimiento celular

rgX = X

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velocidad de muerte celular

rcX = kdX

Balance de Sustrato:

d (VS) / dt = FiSi FoSo VrcS

rcS = qSX / YX/S = X / YG + m X + qPX / YP

Balance de producto:

d (VP) / dt = FiPi FoPo VrgP

rgP = qP X

Balance de Oxgeno:

d (VCL) / dt = FiCLi FoCLo VrcO2 + VNiO2

Balance de Anhdrido Carbnico:

d(VCCO2) / dt = FiCCO2i FoCCO2o + VrgCO2 VNoCO2

NOMENCLATURA

V: Volumen del lquido en el biorreactor, L

t: Tiempo, h

y: Concentracin del componente y en el lquido dentro del biorreactor, g/L

X: Concentracin de biomasa en el lquido dentro del biorreactor, g/L

S: Concentracin de sustrato en el lquido dentro del biorreactor, g/L

P: Concentracin de producto en el lquido dentro del biorreactor, g/L

CL: Concentracin de oxgeno en el lquido dentro del biorreactor, g/L

C*: Concentracin de oxgeno en el lquido en equilibrio con el gas, g/L

CCO2: Concentracin de CO2 en el lquido dentro del biorreactor, g/L

F: Velocidad de flujo de lquido, L/h

Ni: Velocidad de transferencia de un componente del gas al lquido, g/Lh

No: Velocidad de transferencia de un componente del lquido al gas, g/Lh

rg: Velocidad de generacin, formacin o produccin, g/Lh

rc: Velocidad de consumo o utilizacin, g/Lh

: Velocidad especfica de crecimiento celular, h-1

qS: Velocidad especfica de consumo de sustrato, g/gh

qP: Velocidad especfica de formacin de producto, g/gh

m: Velocidad especfica de consumo de sustrato para mantenimiento celular, g/gh

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Kd: Velocidad especfica de muerte o declinacin celular, h-1

YP: Coeficiente (estequiomtrico) de rendimiento de producto basado en el consumo de

sustrato consumido para formacin de producto, g/g

YP/S: Coeficiente de rendimiento de producto basado en el consumo total de sustrato,

g/g

YG: Coeficiente de rendimiento de biomasa basado en el consumo de sustrato para

crecimiento, g/g

YX/S: Coeficiente de rendimiento de biomasa basado en el consumo total de sustrato,

g/g

kLa: Coeficiente volumtrico de transferencia de oxgeno, h-1

SUBNDICES

i = Ingreso

o = Salida

S = Sustrato

P = Producto

O2 = Oxgeno

CO2 = Anhdrido carbnico

BIBLIOGRAFA

ARIAS, HOYOS Y OROZCO ( 2002). CULTIVO DE CLULAS VEGETALES EN

BIORREACTORES: UN SISTEMA POTENCIAL PARA LA PRODUCCIN DE

METABOLITOS. Rev.Fac.Nal.Agr.Medelln.Vol.55, No.1.p.1473-1495

SCRAGG, Alan (2002). BIOTECNOLOGA PARA INGENIEROS: SISTEMAS BIOLGICOS

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VAZQUEZ, OROZCO Y LEOBARDO (2007). MANUAL DE PRCTICAS: LABORATORIO

DE BIORREACTORES. Instituto Politcnico Nacional. Colombia.

WARD, Owen P. (1991). BIOTECNOLOGA DE LA FERMENTACIN: PRINCIPIOS,

PROCESOS Y PRODUCTOS. Editorial Acribia. Zaragoza Espaa.