INSTITUTO TECNOLOGICO DE DURANGODepartamento de Ingeniera Bioqumica

Informe Unidad IIMateria: INGENIERA DE BIORREACTORES Docente: Dr. NICOLS SCAR SOTO CRUZ Alumno: JOS NABOR HARO GONZLEZ

Noviembre 2015 Durango.

2.1. Funcin y caractersticas generales.

El biorreactor es el centro de todo proceso biotecnolgico. El diseo y anlisis del comportamiento de un biorreactor dependen del conocimiento de la cintica de las reacciones biolgicas y de los balances de materia y energa. En la prctica, esta metodologa se hace muy compleja debido a la naturaleza de la catlisis biolgica y del caldo de fermentacin, los cuales puede tener propiedades que varan con el tiempo y presentar patrones cinticos y de flujo muy complejos. Adems, los procesos de la transferencia de masa y calor aaden complejidad al problema.

Un biorreactor es un recipiente en el cual se llevan a cabo reacciones catalizadas por enzimas o clulas, libres o inmovilizadas, junto con los mezcladores equipos de toma de muestra y aparatos de control. Este proceso puede ser aerbico o anaerbico, estos biorreactores son comnmente cilndricos, variando en tamao desde algunos mm hasta 3 y son usualmente fabricados en acero inoxidable.

Este sistema tambin puede incluir una cmara de carga y nivelacin del agua residual antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el biogs y cmaras de presin hidrosttica y pos tratamiento (filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida del reactor. Hay muchos tipos de plantas de biogs pero los ms comunes son el domo flotante y el domo fijo. La baja aceptacin de muchos de estos biorreactores ha sido principalmente debida a los costos altos, la dificultad de instalacin y problemas en la consecucin de las partes y repuestos.

-Utilizado en procesos industriales de produccin de medicamentos, enzimas o commodities. Provee un ambiente ptimo para el crecimiento celular y la productividad asegurando el control de distintos parmetros tales como temperatura, pH, etc.

Funcionamiento

La funcin principal de un biorreactor es la de proveer un medio controlado para alcanzar el crecimiento y la formacin de productos ptimos.

Su funcionamiento depende bsicamente de:

La concentracin de biomasa. Mantenimiento de condiciones estriles. Agitacin efectiva. - Eliminacin de calor. Creacin de las condiciones correctas de corte.

La actividad metablica involucrada en el proceso se ve afectada por diversos factores. Debido a que cada grupo de bacterias intervinientes en las distintas etapas del proceso responde en forma diferencial a esos cambios, no es posible dar valores

cualitativos sobre el grado que afecta cada uno de ellos a la produccin de productos en forma precisa.

Entre los factores ms importantes a tenerse en cuenta se desarrollarn los siguientes:

Tipo de sustrato (nutrientes disponibles). Temperatura del sustrato; la carga volumtrica. Tiempo de retencin. Nivel de acidez (pH). Relacin C/N. Concentracin del sustrato; el agregado de inoculantes. Grado de mezclado. Presencia de compuestos inhibidores del proceso.

El biorreactor ideal debe:

Mantener las clulas uniformemente distribuidas en el volumen de cultivo. Mantener constante y homognea la temperatura. Minimizar los gradientes de concentracin de nutrientes. Mantener el cultivo puro. - Mantener un ambiente asptico. Maximizar el rendimiento de produccin. - Minimizar el gasto y costo de produccin. Reducir al mximo el tiempo de proceso.

Es importante debido a esto tener en cuenta muchas factores para obtener un biorreactor que cumpla la funcin que nosotros deseemos de una manera ptima, aprovechando todo lo posible disminuyendo el tiempo del proceso o el volumen necesario para un sistema

2.2. Tipos de biorreactores.

Biorreactor en Columna

Uno de los mas interesantes sistemas para fermentacin en medio slido a nivel laboratorio fue el desarrollado y patentado por el grupo del Instituto para la Investigacin y Desarrollo (IRD) en Francia (antes ORSTOM), entre 1975 y 1980, compuesto por pequeas columnas de cuatro centmetros de dimetro y veinte centmetros de altura, el cual es llenado con un medio previamente inoculado y puesto en un termorregulador de agua El equipo estconectado a una columna de cromatografa de gases para monitorear la produccin de CO2, resultado de la respiracin del microorganismo y de sus reacciones metablicas. La demanda de oxigeno se cubre por medio de aeracin forzada utilizando compresores con sistemas de regulacin de presin para evitar la compactacin excesiva del lecho. La geometra y diseo de las columnas permite que sea un equipo barato, debido a que son elaboradas a base de vidrio, por lo que la remocin del calor exotrmico de la fermentacin se lleva a cabo de manera eficiente. Requiere de poca cantidad de medio de cultivo y la fcil adaptacin del equipo a sistemas ms rudimentarios en cuanto a equipamiento y cuantificacin de productos, le confiere practicidad de uso. Sin embargo, para llevar a cabo las lecturas de los parmetros cinticos durante la fermentacin es necesario sacrificar una columna completa, ya que el diseo de la misma no permite tomar muestras. Este equipo es conveniente en las primeras etapas del desarrollo de un bioproceso ya que es adecuado para estudios de caracterizacin y optimizacin de la composicin del medio de cultivo, y para cuantificar los datos necesarios para llevar a cabo el clculo de parmetros cinticos.

Biorreactor de Columna Estril

Diseado por un grupo del Instituto Nacional de la Investigacin Agronmica (INRA) en Francia, tomando como base de diseo al biorreactor en columna. Se elaboraron varios prototipos previos al modelo desarrollado en el ao. Este biorreactor trabaja con un volumen de 1 litro, cuenta con un muestreador de humedad relativa y un sistema de calefaccin en la cabeza de la columna, mientras que en el circuito de operacin se encuentra un sistema de enfriamiento, utilizando agua fra, el cual rodea una resistencia de calentamiento. Dichas modificaciones permiten una mejor regulacin del contenido de agua durante el proceso. Es posible la toma de muestra de la columna de forma aspticaabriendo la tapa superior, la cual dispone de un dispositivo de flama que impide problemas de contaminacin. Se trabaja con varios biorreactores conectados a un sistema de control automtico

por computadora, el cual regula temperatura, humedad y aireacin a travs de la cama del sustrato. Debido a que el equipo cuenta con un sistema de control, es adecuado para llevar estudios de perfiles de velocidad de flujo del aire suministrado, as como de temperatura, permitiendo evaluar parmetros necesarios para llevar a cabo estudios de escalamiento

Tambor horizontal

Uno de los biorreactores en estado slido ms utilizado son los llamados tambor horizontal, el cual se ha diseado de varias formas: como un contenedor rotatorio, perforado o con paletas, con el finde obtener una agitacin continua del sustrato slido para incrementar el contacto entre las paredes del biorreactor y el sustrato, as como, proveer mayor oxigeno al microorganismo. Los equipos rotatorios, desarrollados por el grupo Several, consisten de un cilindro, con o sin chaqueta con agua para el control de temperatura, el cual gira lentamente volteando al medio de cultivo ayudado de pestaas que se encuentran adheridas a la pared. Este tipo de biorreactor presenta dificultades en el control de temperatura y humedad debido a problemas de aglomeramientos de clulas por ruptura micelia. En cambio los biorreactores de tipo tambor con paletas, vuelve ms eficiente la trasferencia de oxigeno y disminuye la aglomeracin de partculas de sustrato durante el crecimiento microbiano. Sin embargo, generalmente, un biorreactor de fermentacin slidacon agitacin permanente, aunque sea suave, puede modificar la estructura del medio slido. Adems, dependiendo de la naturaleza de la partcula del soporte slido, esta agitacin puede llegar a ser abrasiva causando daos al micelio. Se han diseado sistemas continuos de tambor rotatorio con el fin de mejorar los sistemas de control de temperatura y humedad, sin embargo, a medida que aumenta el volumen del sistema fermentativo la remocin de calor por las paredes del biorreactor se vuelve ms ineficiente.

Biorreactor Zymotis

Diseado y desarrollado por el grupo ORSTOM (hoy IRD de Francia), el cual consiste de platos verticales por donde internamente hay transferencia de calor debido a la circulacin de agua fra, mientras, que el aire previamente temporizado es introducido por el fondo del sistema. Entre cada plato se carga el medio slido previamente inoculado, dicha cama se mantiene esttica durante la fermentacin. Este sistema es parecido a los biorreactores de columna, con la diferencia de que las capas de sustrato estn verticalmente fijas, por lo tanto es difcil trabajar en condiciones aspticas .Adems,

existe mayor posibilidad de que la cama de sustrato presente un encogimiento del volumen durante el crecimiento del micelio, provocando que el contacto con los platos verticales disminuya a medida que la fermentacin progrese, lo cual llevara la formacin de canales pobres en transferencia de calor y oxigeno.

Biorreactor Growtek.

Es uno de los ltimos fermentadores diseado por el Departamento de Biotecnologa, Agricultura e Ingeniera en Alimentos del Instituto Tecnolgico de la India, llamado Growtek. Consiste de unenvase de 16 cm de altura y 11.3 cm de dimetro, que tiene un tubo, de 2.6 cm de dimetro y 8.5 cm de altura, pegado a la base con una inclinacin de 15 con respecto a la vertical. El cuerpo del recipiente y del tubo externo estn hechos de policarbonato, y las tapas de ambos son de polipropileno. Este biorreactor tiene dentro del envase un depsito de polipropileno que contiene una tela de fibra de vidrio en el fondo, donde se sostiene el sustrato. La fermentacin ocurre en la vasija cilndrica y el medio es introducido por el tubo inclinado. Dicho dispositivo tambin permite la dosificando de agua para mantener la humedad adecuada para el crecimiento microbiano. Sin embargo, no cuenta con un sistema de medicin de la variacin de temperatura y no es posible la toma de muestra sin descartar toda la cama del sustrato.

Biorreactor para proceso contino

Van de Lagemaat y Pyle (2001) propusieron un proceso de fermentacin en medio slido basado en la produccin continua de la enzima tanasa. Este trabajo es uno de los reportes que han explorado el diseo de biorreactores de rgimen continuo a escala laboratorio y cuyo principio es el empleo de un tornillo sin fin que sirve para alimentar y agitar los sustratos los cuales pueden o no ser inoculados en el proceso. Los estudios correspondientes de mezclado, crecimiento fngico y niveles de esporulacin han sido llevados a cabo en condiciones exitosas de operacin continua, debido a que el tiempo de residencia del complejo sustrato-microorganismoenzima es menor que en los biorreactores convencionales y al estar en condiciones cerradas la asepsia es mayor. En cambio, existe la formacin de gradientes de temperatura que no permiten un sistema homogneo de transferencia de calor. Actualmente, el inters hacia este tipo de biorreactores ha permitido el desarrollo de procedimientos que permitan la optimizacin del proceso de fermentacin en cultivo slido.

Biorreactor Columna-Charola

Diseo realizado en el Departamento de Investigacin en Alimentos de la Universidad Autnoma de Coahuila. El cual consiste de una columna de 13 pulgadas de altura y un dimetro de 10 pulgadas. Ensu interior se encuentran ocho charolas perforadas, las cuales tiene una capacidad de 140 mL cada una. La transferencia del oxgeno es por burbujeo a travs de un distribuidor de aire, permitiendo la transferencia a un flujo de 194 mL/min. La temperatura es regulada por una chaqueta de enfriamiento y/o calentamiento, por lo que es posible controlar y medir los cambios de temperatura. Bajo este sistema se permite una mejor distribucin de oxigeno por aireacin hacia las charolas.

Biorreactor Biocon.

Biocon dise, desarroll y patent un nuevo biorreactor llamado PlaFactorTM para llevar a cabofermentaciones usando matrices slidas. El sistema fue higinicamente diseado y automatizado para un proceso de cultivo en charola, el cual ya es utilizado eficientemente en plantas industriales en Biocon, en el desarrollo de productos de uso alimenticio. La fermentacin se lleva a cabo en un biorreactor controlado por computadora. Todas las operaciones del proceso fermentativo, como esterilizacin, enfriamiento, inoculacin, control, recuperacin de producto y post-esterilizacin, se realiza en un solo equipo. El equipo consta de charolas selladas colocadas una sobre la otra formando dos torres unidas por un eje central. Cada mdulo cuenta con un brazo de mezclado, el cual rota alrededor axialmente, y con canales de remocin de calor metablico, control de humedad, aireacin y vapor para la esterilizacin. Este equipo fue diseado con el objetivo de reemplazar los cuartos de incubacin por un equipo mas compacto. El equipo de PlaFactor TM es un sistema que cuenta con estudios del uso cultivos slidos para la produccin de agentes de biocontrol y productos farmacuticos a nivel industrial, lo cuales requieren altas condiciones de ascepcia y condiciones de alta precisin.

Biorreactor de lecho fluidizado.

Sistema de operacin en modo continuo el cual puede ser operado por altos periodos de tiempo a un alto valor de productividad. Los primeros biorreactores constaban de un cilindro de vidrio, con o sin chaqueta, llenado por una carga completa de lecho o sustrato, sin embrago causaba problemas de compactacin similares a los presentados en los equipos de cama empacada. Las variaciones en el lecho han permitido un mejor funcionamiento de este sistema, ya que se utilizan pedazos de esponjas, troncos naturales (loofa, coyonoxtle), polmeros sintticos (espumas de poliuterano, poliestireno), as como

tambin canastas o cajas delgadas de acero inoxidable, que cuenten con perforaciones que permiten tener una eficiente inmovilizacin de las clulas en el soporte con el medio de cultivo (Ogbonna, 2001; Rivela, 2000). Dichos soportes son llenados por el medio solid a fermentar, los cuales fueron previamente colocados a lo largo del contenedor. El principio del diseo se basa en proveer agitacin y aireacin por flujo forzado de aire proveyndolo por la parte del cilindro a travs de una bomba. El sistema provee un incremento en la transferencia de oxigeno a la cama de sustrato, sin embargo, se presenta dao al inoculo por causa del gran esfuerzo de corte generado, adems de que se forman gradientes de temperatura a travs de la columna que pueden afectar al producto deseado

2.3. Modos de operacin de los biorreactores.Batch

Batch: El crecimiento de microorganismos en batch se refiere a que las clulas se cultivan en un recipiente 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, la velocidad de agitacin, etc.) son controladas por el operador. El proceso finaliza cuando todo el substrato es consumido por la biomasa. Esta forma de cultivo es simple y se utiliza extensamente tanto en el laboratorio como a escala industrial.

Inoculacin y carga de todos los nutrimentos y sustratos al mismo tiempo y hasta su consumo total.

r =

t

Batch alimentados

Batch alimentados: En un cultivo semicontinuo o fed-batch, los nutrientes son alimentados al biorreactor de forma continua o semicontinua, mientras que no hay efluente en el sistema. Segn sea el objetivo de la operacin, la adicin intermitente del sustrato mejora la productividad de la fermentacin manteniendo baja la concentracin del substrato. Un proceso de este tipo est restringido por la capacidad volumtrica del reactor.

Por lotes de alimentacin intermitente: Varios esquemas volumen tiempo y velocidades de alimentacin.

Por lotes extendidos

Por lotes extendidos: La concentracin del sustrato (), permanece constante.

Continuo

Continuo: Un cultivo continuo consiste en alimentar nutrientes y retirar productos continuamente de un biorreactor. Bajo ciertas condiciones el cultivo puede alcanzar un estado estacionario, donde no existe variacin con el tiempo del volumen del biorreactor. De esta manera se puede utilizar para producir sustancias biolgicas a condiciones ptimas y para estudios fisiolgicos. Los tipos de biorreactores para cultivo continuo son los de Tipo Tanque Completamente Agitado (CSTR) que comprenden al quimiostato y al turbidostato y el de Tipo Tubo con Flujo Tapn (PFR de sus siglas en ingls).

Con flujos de entrada y de salida del medio de reaccin. El reactor se denomina quimiostato, en aquellos casos en los cuales la densidad celular y la concentracin permanecen constantes.

Antes del estado estacionario.

En estado estacionario.

2.4. Diseo de biorreactores.Un biorreactor es 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.Criterios ms importantes para el diseo de un fermentador:1. El envase o contenedor en donde se realizar la fermentacin debe ser capaz de ser operado aspticamente durante el tiempo en que la operacin se realice. Esto es de vital importancia en procesos continuos.2. La aereacin (o ausencia de esta) y la agitacin deben realizarse de forma que se cumplan con los requerimientos metablicos del microorganismo utilizado. El mezclado debe hacerse de forma que los nutrientes estn uniformemente distribuidos en el fermentador sin que esto conlleve dao fsico al microorganismo. El aire debe estar filtrado para evitar la entrada de microorganismos en el polvo.3. El consumo de energa debe ser tan bajo como sea posible.4. Un sistema de control de temperatura debe ser provisto en prcticamente todas las operaciones controladas. La temperatura es un factor sumamente importante en todos los procesos de fermentacin. En este sistema, un sensor se utiliza para medir la temperatura dentro del fermentador. La seal elctrica es recibida por una unidad de control que determina si la temperatura esta dentro de unrango adecuado o si la misma est ms alta o ms baja de lo prevista. Dentro de unos parmetros establecidos para la desviacin, el controlador activar la vlvula de vapor en caso de requerirse aumentar la temperatura; en el caso de que se requiera una disminucin de temperatura, se activar la vlvula que permite el paso de agua fra; por ltimo, en el caso en que la temperatura se encuentre dentro del rango aceptable, tanto la vlvula de vapor como la de agua fra permanecern cerradas.

5. Un sistema de control de pH debe ser provisto en la gran mayora de las operaciones. En muchos casos, solo se requiere de un ajuste inicial de pH. Sin embargo, en medios que no tengan efectos amortiguantes, el control de pH es muy importante, en especial si pequeas variaciones de pH afectan adversamente al microorganismo. Observe que un sensor se utiliza para establecer la medida de pH. La seal elctrica del sensor es recibida por elcontrolador que determina la accin a seguir segn el valor de pH y el rango de operacin de esta variable de control. Si el pH es ms bajo que el permitido en la lgica de control, el controlador activar la bomba de base introduciendo medio

alcalino que permita subir el pH. En el caso de que el pH sea ms alto de lo establecido en el criterio de control, se activar la bomba de cido y el pH bajar. En el caso de que el pH est dentro del rango permitido, ambas bombas permanecern desactivadas.6. El fermentador debe proveer algn tipo de sistema para un muestreo eficiente y que no promueva la contaminacin del proceso.7. Las perdidas por evaporacin deben ser mnimas.8. El diseo del envase (o tanque) debe considerar un fcil manejo para las operaciones de limpieza y mantemimiento. Las paredes del envase (o tanque) deben ser pulidas, es decir, no deben tener porosidad que dificulte la limpieza y sanitizacin.9. Los materiales de construccin deben ser resistentes a los compuestos que se generen durante el proceso y a la materia prima, sales, cidos o bases que se aadan. Adems deben ser materiales que no interfieran con las enzimas de los microorganismos que se utilicen. Usualmente los fermentadores se construyen de vidrio (en el caso de fermentadores de laboratorio) o de acero inoxidable.10. En el caso de fermentadores industriales que se instalarn basados en pruebas de planta piloto, se recomienda el uso de envases con la misma forma (o geometra). La geometra del fermentador debe ser similar a otros tanques ms pequeos o mayores de la planta o a los de la planta piloto para poder reproducir procesos a diferentes escalas.

ESCALAMIENTO

El escalamiento involucra el estudio de los problemas asociados a transferir la informacin obtenida en el laboratorio (ml) a escala de planta piloto (lt) y desde escala de planta piloto (lt) a escala industrial (m3).

En cada una de las etapas de escalamiento se evalan algunos aspectos del proceso:

1. Escala de laboratorio se llevan a cabo: la seleccin de cepas estudios bsicos de cinticas de crecimiento niveles de expresin seleccin del medio, etc.2. Planta piloto se optimizan las condiciones de operacin forma de operacin flujos, presiones Temperaturas velocidades de agitacin, etc3. Escala industrial se lleva a cabo la produccin del producto de inters a niveles rentables.

Generalmente el escalamiento se hace en base de principios de semejanza entre 2 sistemas. Esta semejanza se refiere a similitud entre las 2 escalas. Dichas similitudes pueden ser:

a) Similitudes geomtricas: Las razones entre las longitudes correspondientes deben ser iguales en ambos sistemas.b) Similitudes cinemticas Las razones entre las velocidades deben ser iguales en ambos sistemas.c) Similitudes dinmicas Las razones entre las fuerzas deben ser iguales en ambos sistemas.

a) SIMILITUDES GEOMETRICAS

b) SIMILITUDES CINEMATICAS

Contempla las velocidades especificas de crecimiento

c) SIMILITUDES DINAMICAS

1.- Coeficiente de transferencia de oxgeno: cuando una fermentacin se aumenta de escala, es importante que en la escala mayor se utilice el valor optimo de KLa encontrado a escala mas baja.

2.- Potencia por unidad de volumen (P/V) permite mantener el nivel de agitacin, para dar un valor igual de P/V involucra un incremento en la entrada de potencia por 103. (10L:10m3)

3.- Velocidad de agitacin (N) Permite mantener el nivel de agitacin, esta variable deber ser simple evaluada dado que se puede estar trabajando con microorganismos o micelas que no resistan esfuerzos de corte mayores que los

establecidos para un valor igual de la velocidad de agitacin (N), la entrada de potencia (P) debe ser incrementada por un factor de 105 (10L:10m3)4.-Mantencin del NReynold ( N Di2 /) donde: D= dimetro del agitador (cm)N= velocidad de rotacin del agitador (cm/s-1) = densidad del liquido (g/cm-2)=viscosidad del fluido

Asegura un nivel de agitacin adecuado, pero se deben tener en cuenta los mismos puntos que para el criterio de potencia por unidad de volumen.

EjerciciosEn un reactor por lote se convierte el 70%del reactivo limitante den 13 min. Calcula el tiempo de reaccin necesario para alcanzar una conversin del 95%.

Reaccin de primer orden

Si

Si

En un reactor por lote se convierte el 70% del reactivo limitante en 13 min. Calcula el tiempo de residencia necesario para efectuar dicha conversin en un RTCA.

Una enzima acta como catalizador de una reaccin biolgica y acelera la reaccin A P, los valores de los parmetros cinticos son:

Se ensay con una concentracin de sustrato (CA0 ) de 2M. Usando reactores de flujo, se desea tener una conversin del sustrato de 95%, dando una alimentacin de

a) Calcule el volumen de un reactor de flujo pistn para obtener la conversin deseada.b) Calcule el volumen de un RCTA para obtener la conversin deseada. c) Cmo se afectara el volumen de los reactores? Si K M cambiara de acuerdo a la siguiente tabla: a) FP

b) RCTA

c) KM (mM) 0.020.22202002000

VRCTA (L)3.999.97569.825668.3256653.32566503.325

VFP (L)3.429850634.373506313.810063108.175631051.831310488.388

Biblografia

Ruz-Leza, H., Rodrguez-Jasso , R., Rodrguez-Herrera, R., Contreras-Esquivel, J., & Aguilar, C. (2007). Diseo de biorreactores para fermentacin en medio slido.Revista Mexicana de Ingenira Qumica http://www.redalyc.org/pdf/620/62060105.pdfhttps://books.google.com.mx/books?id=pPHhYoWltK8C&pg=PA75&lpg=PA75&dq= Dise%C3%B1o+de+biorreactores.&source=bl&ots=OZpDYQPnqe&sig=rTYLaFRzkN wbhHB1QAQssaLfKVE&hl=es- 419&sa=X&ved=0CCUQ6AEwAWoVChMI4sb6ja2JyAIVhiqICh2vaQHf#v=onepage& q=Dise%C3%B1o%20de%20biorreactores.&f=false

http://148.206.53.231/UAMI14502.pdfhttp://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/12009/3/Paginas%20prelimin ares.pdfhttp://repositorio.eppetroecuador.ec/bitstream/20000/109/1/T-ESPOCH-052.PDFhttp://www.plantasquimicas.com/Reactores/dr93.htmhttp://www.monografias.com/trabajos63/fermentadores-cultivo- sumergido/fermentadores-cultivo-sumergido2.shtml