1ARQTema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operacin
Tema 5 Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operacin
Clasificacin de los BiorreactoresBiorreactores con biocatalizadores en suspensin: Agitacin Mecnica y Agitacin NeumticaBiorreactores con biocatalizadores inmovilizados: Enzimas y Clulas. Biorreactores especiales
Conocer los tipos de biorreactores y sus caractersticas.Saber las aplicaciones generales de los diferentes tipos de biorreactoresConocer las formas de operacin en los biorreactores con los diferentes biocatalizadores.Determinar, una vez conocido el biocatalizador, las posibles configura-ciones de biorreactores para llevar a cabo una transformacin determinada.Determinar el tipo de operacin ms adecuado a emplear en la transformacin.
ContenidosObjetivos
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Caractersticas Generales
Condiciones de operacin suaves (Poco aporte energtico) Transformacin isoterma (Resolucin BM y BE no acoplado) Productividad (actividad y estabilidad biocatalizador, rdto producto)
BIORREACTORRecipiente en el que se lleva a cabo una transformacin en la
que interviene un biocatalizador
2Clasificacin de Biorreactores
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Clasificacin
Tipo de operacinFasesForma
Tubos h >>
Tanques h
Otros
Homogneos
Heterogneos
Discontinuo
Semicontinuo
Continuo
Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensin: enzimas (homogneos) y clulas (heterogneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y clulas, mtodosBiorreactores especiales: estado slido, fotobiorreactores,
TIPOS de BIORREACTORES
Clasificacin de Biorreactores
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Clasificacin
Tipo de operacinFasesForma
Tubos h >>
Tanques h
Otros
Homogneos
Heterogneos
Discontinuo
Semicontinuo
Continuo
Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensin: enzimas (homogneos) y clulas (heterogneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y clulas, mtodosBiorreactores especiales: estado slido, fotobiorreactores,
Biocatalizadores en suspensin: enzimas (homogneos) y clulas (heterogneos, G-L-S)
TIPOS de BIORREACTORES
3Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Tipo de agitacin
Agitacin mecnica: equipo mecnico
Agitacin neumtica: gas a presin
Distribucin homognea del catalizador: Agitacin
Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Tipo de agitacin
Agitacin mecnica: equipo mecnico
Agitacin neumtica: gas a presin
Distribucin homognea del catalizador: Agitacin
Agitacin mecnica: equipo mecnico
4Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Reactor tipo TANQUE AGITADOAgitacin MecnicaCaractersticas generales
Tipo de Flujo (ideal): Flujo en Mezcla Perfecta Relacin h/: 1 Verstiles: permite cambios, uso multipropsito Los ms empleados Agitados mecnicamente (tipos de agitadores):
consumo relativamente elevado de potencia
Otros elementos: bafles deflectores, rompe-espumas Aireados (clulas aerobias): Distribuidores de aire Transferencia de calor: Serpentines, camisas Tipo de operacin: Discontinua, Semicontinua, Continua
Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Tipo de agitacin
Agitacin mecnica: equipo mecnico
Agitacin neumtica: gas a presin
Distribucin homognea del catalizador: Agitacin
Agitacin neumtica: gas a presin
5Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Reactores tipo COLUMNAAgitacin NeumticaCaractersticas generales
Relacin h/: > 6/1, Reactores tubulares(COLUMNAS de BURBUJEO)
Agitados neumticamente (gas a presin)Aireados: Distribuidores de aireTransferencia de calor: Serpentines,
Cambiador externoTipo de operacin: Discontinua, ContinuaAccesorios: recirculacin (AIR-LIFT)Clulas susceptibles dao
Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Columna de burbujeo Rgimen de Flujo
Flujo HeterogneoFlujo Homogneo
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Columna de burbujeo
Caractersticas
Fase slida (microorganismo) disuelta en fase lquidaClulas susceptibles de dao celularMicroorganismos floculantes (Lecho fluidizado trifsico)Procesos: Produccin cerveza, vinagre,
levadura panadera, SCP, aguas residualesCaractersticas de diseo:
- distribuidores de gas parte inferior recipiente- Parte superior con mayor dimetro (arrastres): vS
Control por velocidad de transporte de oxgenoSistemas bifsicos(control pelcula lquida)
Diseo: f (flujo en el recipiente): f (mezcla axial) Modelos de dos zonas
Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Caractersticas
Fase slida (microorganismo) disuelta en fase lquida
Clulas susceptibles de dao celular (clulas superiores)Caractersticas de diseo:
- distribuidores o inyectores de gas - Elementos mecnicos internos (externos)Movimiento del lquido
Control por velocidad de transporte de oxgenoSistemas bifsicos(control pelcula lquida)
Diseo: f (flujo en el recipiente): f (mezcla axial) Modelos de tres zonas
Air-lift
7Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Air-lift Caractersticas
Procesos: cultivo de clulas superiores (animales y vegetales)tejidos u rganos de clulas vegetalestratamiento aguasSCP (a partir de metanol)
Dos ZONAS (ASCENDENTE y DESCENDENTE): Diferente densidad: Separacin gas zona superior.Movimiento lquido ascendente y descendente separados fsicamenteGas se introducido en zona ascendente.
CONFIGURACIONES: Recirculacin internaRecirculacin externa.
Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Air-lift Configuraciones: Recirculacin interna
Salida gas Salida gas
Tubo o bafle
Descendente
Ascendente
Distribuidos de gas
Entrada gas (aire) Entrada gas (aire)
8Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Air-lift ConfiguracionesRecirculacin externa
Salida gas
Descendente
Ascendente
Distribuidos de gas
Entrada gas (aire)
Biorreactores con biocatalizadores en suspensin
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Caractersticas
Comparacin Agitacin Mecnica y Neumtica
Bajo
Elevado
Daocelular
Generacin baja(todo tipo de
sistemas)ModeradaElevadoBaja Neumtica
Generacin elevada
(sistemas no muy exotrmicos)
ElevadaPequeoBaja y AltaMecnica
Transferenciacalor
PotenciaVolumen reactorViscosidad
9Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Clasificacin
Tipo de operacinFasesForma
Tubos h >>
Tanques h
Otros
Homogneos
Heterogneos
Discontinuo
Semicontinuo
Continuo
Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensin: enzimas (homogneos) y clulas (heterogneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y clulas, mtodosBiorreactores especiales: estado slido, fotobiorreactores,
TIPOS de BIORREACTORES
Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y clulas, mtodos
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Tipo de biocatalizador
Enzimas
Clulas
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Enzimas Reactores Heterogneos
Elevadas producciones, calidad constante Mayor estabilidad E que en suspensin. Inmovilizacin Reutilizacin catalizador (Alto precio)
Tanques agitados Lechos
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Tanque agitado (CSTR)
Equipos cilndricos hD Agitacin mecnica Mezcla perfecta (lquidos con baja viscosidad) Homogeneizacin: Elevada N (P/V)posible abrasin Bajos costes produccin Gran automatizacin Equipos verstiles Enzimas inmovilizadas: configuraciones
partculas suspendidas (filtro) Partculas retenidas (agitador, bafles) Circulacin partculas
Enzimas
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Tanque slurry
Tanque cesta Tanque (tabiques)Tanque agitado (CSTR)Enzimas
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Lecho fijo
Elevadas [E]Alto inmovilizado Bajos costes produccin (automatizacin)Flujo pistn: f(z), no f(r)Enzimas inmovilizadas: configuraciones
lecho fijo lecho de fibra monolito
Lecho fijo
Lecho de fibra
Monolito
Enzimas Reactores tubulares
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Clulas
Tipo de inmovilizacin
Pasiva
Activa
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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INMOVILIZACIN PASIVA
Crecimiento clulas en superficies materiales rugososOperacin en continuo
- VENTAJAS:- No pre-produccin clulas- Gran capacidad de TM- Partculas reutilizables- Cambio de escala no complicado
- DESVENTAJAS:- No esterilidad: tratamiento residuos
Clulas
Filtro biolgico
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Ejemplos
PenicilinaEspuma de poliuretanoPenicillium chrisogenum
LipasaEspuma de poliuretanoRizopus chimensis
c -linolnicoEspuma de poliuretanoMucor ambiguusCelulasaAceroTrichoderma viride
Acetona, butanol, etanolEsponja naturalClostridium acetobutilicum
EtanolAcero o espuma de poliesterS. cerevisiaeAmilasaEspuma de siliconaE. coli
MetanoEspuma de poliuretanoMicroorganismos metanognicosTratamiento de residuosEspuma de poliuretanoCultivo mixto
ProductoSoporteClulas
INMOVILIZACIN PASIVAClulas
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Tanque agitado
- Robustez biocatalizador: diseos agitador- Proceso aerobio: limitaciones
Lecho fijo- VENTAJAS:
- facilidad operacin- velocs reaccin
- DESVENTAJAS:- Taponamiento lecho:
Clulas no viables o resting cells- No gran aporte de O2- Eliminacin CO2
- Tratamiento L-S
Lecho fluidizado
- MO aerobios y anaerobios- MO susceptibles de dao celular- Fcil Control y medida- Introduccin catalizador activo- Veloc. mnima fluidizacin con recirculacin lquido- Pequeas partculas con elevada rea- Mala estabilidad- Complejidad diseo- No esterilidad
INMOVILIZACIN ACTIVA
Clulas
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Anticuerpos monoclonales---Clulas animales
Tanque agitado
Lecho fluidizado
Lecho fijo
Reactor
Tratamiento aguas---Cultivo mixto
cido glutmicoColgenoBrevibacterium flavum
EtanolAlginato clcicoS. cerevisiaefumricoasprticoGel poliacrilamidaE. coli
ProductoInmovilizacinClulas
INMOVILIZACIN ACTIVA
Ejemplos
Clulas
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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- Membranas preformadas: separacin clulas del medio-Operacin continuaMEMBRANAS:
- ultrafiltracin (polimricas) - cermicas, siliconas- intercambio inico
tamao: 0,1 y 5 m; f(tamao celular)Material: acetato y nitrato celulosa
polipropilenopoliacrilonitrilo, etc
Permeabilidad: f(tamao, estructura, hidrofobicidad, carga)Forma: fibras huecas (hollow fiber
Reactores de membrana
Clulas
INMOVILIZACIN ACTIVA (atrapamiento)
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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VENTAJAS:- Mtodo inmovilizacin no daa metabolismo: en suspensin- Empleo para clulas viables con o sin crecimiento (resting cells)- No wash-out- Resting cells: combinacin reaccin y regeneracin- Mayor pureza producto: Down-stream- Posibilidad de permeabilidad selectiva:
- No a inhibidores- Componentes de fases L y G por membranas diferentes (no oxigenacin L)- Entada de nutrientes por membranas diversas- Empleo de medios no acuosos sin emulsin (y separacin de fases)
- Proteccin contra stress hidrodinmico
Clulas
INMOVILIZACIN ACTIVA (atrapamiento) Reactores de membrana
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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DESVENTAJAS:- Transferencia de Materia:
- Distribucin heterognea de clulas, mo mviles- Distribucin heterognea de sustratos: empleo resting cells- Transporte por difusin.
- Compatibilidad clulas con membranas sintticas: metabolismo- Monitorizacin y control
cido lcticoLactobacillus delbrenkri-lactamasaE. coli
ProductoClulas
Clulas
Reactores de membranaINMOVILIZACIN ACTIVA (atrapamiento)
Ejemplos
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Biorreactores especiales
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Clasificacin
Tipo de operacinFasesForma
Tubos h >>
Tanques h
Otros
Homogneos
Heterogneos
Discontinuo
Semicontinuo
Continuo
Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensin: enzimas (homogneos) y clulas (heterogneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y clulas, mtodosBiorreactores especiales: estado slido, fotobiorreactores, intensificacin de procesos
TIPOS de BIORREACTORES
Biocatalizadores especiales: estado slido, fotobiorreactores
Biorreactores especiales
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Tipo de transformacin
Fermentacin en estado slido
Fotobiorreactores
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Biorreactores especiales
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Agitacin Mecnica: Tanques agitadosFermentadores rotatoriosBiorreactores pulsantes
Operacin continua o discontinua
BIORREACTORES ESPECIALES Estado Slido
Biorreactores especiales
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- Sustratos slidos- Bajos niveles de humedad (40%,
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Biorreactores especiales
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BIORREACTORES PULSANTES
- Agitacin pos pulsos: movimiento elementos equipo (platos, mbolo)- Procesos aerobios- Elevada viscosidad- Aplicaciones: Operacin continua
Produccin MetabolitosTratamiento de residuos
Aerobio, anaerobioTratamiento de residuosCultivo mixtoaerobioSCPLevadura
Aerobio, inmovilizacin
----Aerobio, elevada viscosidadAerobio, elevada viscosidad
Caractersticas proceso
cido acticoAcetobacter aceti
EtanolZymomonas mobiliscido ctricoAspergillus nigerAntibiticosCyathus striatus
ProductoClulas
BIORREACTORES ESPECIALES
Biorreactores especiales
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- CO2Metabolitos (auttrofo)- Energa luminosa (fottrofo)- Compuesto dador de e- (H2O)- Organismos fotosintticos: bacterias fotosintticas, microalgas, cianobacterias,
FOTOBIORREACTORES
Complemento alimentario (biomasa)Espacio: O2 y alimento
Produccin metabolitos de valor aadidoPigmentos, antioxidantes, prods farmacuticos
MedioambienteEliminacin sustancias txicas (metales pesados, fijacin CO2)Inculos suelos contaminadosRegeneracin atmsfera sistemas cerrados
BIORREACTORES ESPECIALES
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Biorreactores especiales
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ACTIVIDAD BIOSINTTICA:- Eficacia sistema iluminacin:
- Luz natural - Luz artificial
- Veloc. Volumtrica absorcin luz:- Superficie de T.E.- I luz incidente
ContinuosBuen control condicionesCalidad cte productoPermiten esterilizacinElevado gasto energticoDificultad cambio de escala
Poco gasto energticoDifcil controlPurezaFases luz-oscuridadMenor productividad
BIORREACTORES ESPECIALES FOTOBIORREACTORES
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Bibliografa recomendada
Asenjo, J.A. y Merchuck, J.C. 1994. Bioreactor System Design. Marcel Dekker. 139-206.Atkinson, B. 1986. Reactores Bioqumicos. Revert. 15-45.Atkinson, B. y Mavituna, F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology
Handbook. Stockton Press. 2nd Ed., 608-624Bailey, J.E. y Ollis, D.F. 1986. Biochemical Engineering Fundamentals. McGraw-Hill. 2
Ed. 535-539Blanch H.W. y Clark, D.S. 1996. Biochemical Engineering. Marcel Dekker. 276-277, 292-
300Doran, P. M. 1995. Bioprocess Engineering Principles. Academia Press. 336-353.Godi, Casasblancas, F. y Lpez Santn, J. (eds.). 1998. Ingeniera Bioqumica.
Sntesis. 131-144, 299-230Shuler, M.L. y Kargi, F. 2002. Bioprocess Engineering. Basic Concepts. 2 Ed. Prentice
Hall. 245-290
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