Biorreactores

Biorreactor

Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo.

Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. Estos biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable.

Una fermentación es un proceso biológico o bioproceso que consiste en la descomposición de la materia orgánica por microorganismos fermentadores (bacterias y hongos).

Un cultivo también es un bioproceso, pero generalmente se asocia a organismos o microorganismos superiores (en orden jerárquico) a las bacterias; los cultivos son casi todos del Reino Eucariota.

¿Para Que Sirve?

Las tareas que debe desempeñar el biorreactor, se resumen en:

1- Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen del cultivo a fin de prevenir la sedimentación o la flotación. 2- Mantener constante la temperatura.

3- Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.4- Suministrar oxigeno a una velocidad tal, que satisfaga el consumo.

5-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.

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.

Biorreactores

Biorreactor

Aquí se busca mantener las mejores condiciones ambientales al organismo o sustancia química.

En función de flujos de entrada y salida.3 tipos:

Por Lote (Batch)Lote alimentadoContinuo o quimiostato

Clasificación

DE ACUERDO A SUS FASES:Homogéneos.Heterogéneos.

DE ACUERDO AL METABOLISMO (CLASIFICACIÓN BIOLÓGICA).

Los sistemas biológicos deben interaccionar con el ambiente externo para poder crecer y desarrollarse, es por eso que los biorreactores se clasifican biológicamente de acuerdo al metabolismo procesal del sistema: ANAERÓBICO, FACULTATIVO, AERÓBICO.

DE ACUERDO A SU PROCESO DE OPERACIÓN:

Continuos.Semicontinuo.Discontinuos.

DE ACUERDO A LA MEZCLA:Biorreactor discontinuo de mezcla

completa.Biorreactor continuo de mezcla completa.Biorreactor continuo de flujo de pistón.Biorreactor reactores de lecho fluidizado.

ELECCIÓN DEL TIPO DE REACTOR: Control de PH y temperatura. Exigencias de suministro o eliminación de

reactores gaseosos. Presencia de partículas sólidas deseadas o

indeseadas en la alimentación. Estabilidad química y/o biológica de sustratos y

productos. Sustitución del catalizador. Inhibición por sustratos y/o productos. Escala de operación. Destinos del producto.

Diseño de biorreactores

Las condiciones ambientales de un biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, etc.), temperatura, pH, oxígeno disuelto y velocidad de agitación o circulación, deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas.

Diseño de biorreactores

El cilindro debe ser perfectamente esterilizable y limpiable.

Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la fuerza de agitación.

Siendo fáciles de mantener ya que requieren sólo soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades

Biorreactor

El proceso debe ser llevado a cabo con:EconomíaAlto rendimientoMenor tiempo posible

Biorreactor: cultivos

La cinética biológica depende de las características intrínsecas del organismo o del cultivo:

Crecimiento celularVelocidad de crecimiento

Cinética de crecimiento

Velocidad de crecimiento:Cambio en el número de células o en la masa

celular en un determinado tiempo.

Tiempo de duplicación o generaciónTiempo necesario para que una población se

dupliqueVaría entre cada microorganismo

Curva de crecimiento microbiano

4 fasesDistinta para cada

microorganismo

Fase de latencia o lag

Fase de adaptación a las condiciones ambientales

Duración variableSe sintetizan proteínas y ARNDuplicación insignificantica

Ocurre cuando se transfiere un inoculo desde un medio rico a un medio más pobre.

Fase exponencial

Duplicación celular Actividad metabólica Estado fisiológico más sanoVelocidad de crecimiento variable

Condiciones medio ambientalesGenética

Se alarga hasta que se agotan los nutrientes

Fase estacionaria

El número de células viables es igual número de células muertas

Nutriente limitanteProductos de desechos

Fase de muerte

La muerte celular se vuelve exponencialCanibalismoAutolisis bacterianas

Cinética de crecimiento

Biorreactor: objetivos

Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.

Mantener constante y homogénea la temperatura.

Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.

Mantener el cultivo puro. Mantener un ambiente aséptico. Maximizar el rendimiento y la producción. Minimizar el gasto y los costos de producción. Reducir al máximo el tiempo.

Parámetros a controlar

Temperatura:Afecta el crecimiento del cultivo de

microorganismos o celular.Conforme aumenta la temperaturaPor encima de la temperatura máxima.

Sensores

Laboratorio: intercambiador de calor

Parámetros a controlar

pH 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 Bacterias 6,0 y 7,5

Equipos: Condensador de acidez Condensador de alcalino Bombas peristálticas con mangueras de siliconas

Parámetros a controlar

Espuma Densas y jabonosas : productos oxidadosProblemas funcionalesContaminación del cultivoNo se pueden realizar bien las mediciones

Solución:AntiespumanteControlador sensor

Tipos de biorreactoresReactor de tanque

agitado:Más utilizadosConfiablesSistema de agitación

mecánica

Características

Agitación continua Inyección de aire por la parte inferior

Burbujas: difusión de oxígeno Contiene vanos de flectores:

Mejor mezcladoSistema de calor por fuera

Tanque agitado: consideraciones

Diseño:Dimensiones para poder escalar.Relaciones adimensionales

3<H/Dt> 1

½< Da/Dt> ¼1/4>C/Ht> ½

Sistema de agitación: Generar la potencia necesaria para producir una

mezcla perfecta para el sistema de cultivo Maximizar la difusión de gases en el líquido y

minimizar la producción de esfuerzos cortantes y la presión hidrodinámica local y global, para optimizar los fenómenos de transferencia de momentum, calor y masa.

Componentes sistema de agitación

Eje de transmisión de potencia Rotor

Motor en pedestal

Reactor “air lift”

La agitación la entrega el aire proporcionado

Modos de operación

Quimiostato o cultivo continuoSe mantiene por un tiempo indefinido

Existe un flujo continuo de reactivos frescos hacia el reactor y el producto fluye continuamente hacia fuera.

Se compone de:Un reactor con un volumen de cultivo constanteEntrada de nutrientes constanteSalida biomasa

Pasos: Cargarse con ínóculo de cultivo Agregar medio de cultivo fresco Lavar (flujo de salida)

Mantener el volumen constante

Una vez que el sistema alcanza el equilibrio, el número de células y la concentración de nutrientes en la cámara permanecen constantes, y entonces se dice que el sistema está en estado estacionario, con las células creciendo exponencialmente.

En un sistema continuo con mezcla completa, las condiciones son uniformes en todo el reactor, en un equilibrio de mezcla de nutrientes, organismos y productos.

La alimentación del sistema es medio nutriente libre de organismos y, en algunos casos, un inóculo de organismos reciclados.

Este método de cultivo continuo, permite a los organismos crecer en condiciones de estado estacionario, en las que el crecimiento ocurre a una velocidad constante y en un medio ambiente constante.

Cultivo por Lote (Batch)

El reactor se carga con la especie reactiva y, a medida que procede la reacción, cambian las condiciones en el reactor al consumirse los reactivos y formarse los productos.

Cuando se ha alcanzado el nivel deseado de reacción, se vacía el reactor, se limpia y el proceso se repite.

El crecimiento exponencial es de duración limitada

A medida que las condiciones nutricionales cambian, la velocidad de crecimiento disminuye y se entra en la fase de deceleración, seguida de la fase estacionaria, donde el crecimiento global no se obtiene, por falta de nutrientes.

Ventajas

menor riesgo de contaminación flexibilidad operacional cuando los

fermentadores se utilizan para distintos productos

control más cercano de la estabilidad genética del organismo

una mejor coordinación con estadios del proceso entre lotes previos y posteriores.

Desventajas

Improductividad en la operación del fermentadorLos fermentadores deben ser vaciados,

limpiados, esterilizados y recargados antes de cada fermentación, operaciones todas esenciales pero no productivas.

En un proceso continuo, por el contrario, una corrida puede durar semanas o meses, es decir que el tiempo no productivo es, en proporción, pequeño