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Células inmovilizadas y

Reactores lecho fluidificado (“fluidized-bed”)

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Inmovilización, implica la restricción del movimiento a un espacio definido.

Células Inmovilizadas

VENTAJAS:1- Mayor concentración celular.2- Se reusan las células, bajando costos de su generación.3- Se elimina el lavado (wash out) a altas tasas de dilución.4- Por 1 y 3 se logran mayores productividades volumétricas.5- A veces mejora el microambiente de las células (x contacto).6- En algunos casos mejora la estabilidad genética.7- Células mas protegidas al daño por shear.

LIMITACIONES:1- Problemas de difusión de sustrato.2- Problemas de difusión de producto.

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Enzimas Inmovilizadas

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ATRAPAMIENTO:

1- En matrices: materiales poliméricos. Alginato de Ca, agar,poliacrilamida, colágeno.

matrices sólidas. Carbón activado, cerámicaporosa, tierra diatomeas

2- En membranas (semipermeables): membranas de nylon,celulosa, polisulfona.

Enzimas Inmovilizadas

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UNIDAS A SUPERFICIE:

1- Adsorción: fuerzas débiles, unión inestable. Materiales inorgánicos: sílica, alúmina, vidrio,

cerámica

Materiales orgánicos: celulosa, sephadex.

2- Unión covalente: por grupos amino, carboxilo, hidroxilo, sulfhidrilos.

Enzimas Inmovilizadas

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Células InmovilizadasSimilar a enzimas, pero hay que mantener viabilidad.Permite mas de un paso de transformación, regeneración de cofactores, etc.

INMOVILIZACIÓN ACTIVA: Métodos mas usados:

1- Atrapamiento: con matrices porosas.

2- Encapsulación: en pequeñas capsulas unidas por membranas odirectamente entre membranas (hollow fiber).

Menos usados:3- Adsorción: para aumentar la superficie la matriz puede tener

poros (4-5 veces diámetro células)4- Unión covalente: generalmente es nocivo para las células.

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Métodos de atrapamiento:

Células Inmovilizadas

1- Gelatina de polímeros:mezclando agar, o gelatina con las células antes de quesolidifiquen. Poca difusión

2- Precipitación de polímeros: Polímeros que precipitan con cambios de pH o solventes.Poca resistencia de las células a los cambios

3- Gelatina de intercambio iónico:Alginato de Na + CaCl2 + células--- Células atrapadas en Alginato de Ca

4- Policondensación:Resinas epoxi por policondensación (poliuretano). Generalmente es nocivo para las células.

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Células Inmovilizadas

INMOVILIZACIÓN PASIVA:

1- Films biológicos: crecimiento en multicapa. Muy comúnnaturalmente (en cultivos mixtos se pueden

diferenciar capas)

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LIMITACIONES DIFUSIONALES:

Da= =

rmax: tasa máxima de bioconversiónDe: Difusión efectiva del sustrato limitanteδ: espesor de la capa de difusiónS0: concentración en el líquido del sustrato limitante

En el caso de un film De/δ es el coeficiente de transferencia de masa (ej: KL)

máxima tasa de bioconversión

máxima tasa de difusión

rmax

(De/δ) S0

Células Inmovilizadas

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Si Da >>1 - La difusión limita la conversiónSi Da = 1 - Las tasas son comparablesSi Da <<1 - La bioconversión es la limitante

Se prefiere que Da < 1 para que la difusión no sea limitante

Las limitaciones difusionales pueden ser:

Externas: se puede reducir con mayor turbulencia en la interfase

Intrapartículas: se puede reducir con partículas maspequeñas, mayor tamaño de poros, etc.

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Biorreactores paracélulas inmovilizadas

Generalmente las matrices son frágiles

Reactores con baja shear:-Air-lift-columna de burbujas-columnas empaquetadas-lechos fluidos

Si el soporte es resistente:-CSTR

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LECHO ENPAQUETADOPACKED BED

LECHO FLUIDOFLUIDIZED BED

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Velocidad superficial = Flujo / área de sección

Aumenta la caída de presión pero el lecho no aumenta su volumen

Cuando la fuerza de arrastre equilibra el pseo de las partículas, el lecho comienza a expandirse

El lecho estátotalmente fluidificado, la presión ya no varía y el lecho va aumentando su volumen

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Lecho FluidoFluidized Bed

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Si la reacción biocatalítica es lenta, el tiempo de residencia debe ser alto, para lo cual el flujo debe ser lento.Si el lecho no fluidifica:

- Mayor flujo con recirculación- Mayor flujo de aire- Ambos- Aumentar la velocidad superficial disminuyendo eldiámetro del reactor

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Parte superior:>Diam < velocidad superficialLas particulas sedimentan mas

Sección central:Ocurre el proceso

Base: Entra el fluído y/o recircula

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El mezclado depende de:

- Densidad de las partículas- Diámetro de las partículas- Relación de las velocidades del líquido y gas

Partículas muy densas: se precisa > velocidad superficial:- Mayor flujo- Recirculación - Menor diámetro del reactor

Se dificulta con partículas de densidad similar al líquido y mas aun si varía en el proceso

- de la partícula por > biomasa, gas atrapado- del líquido por >concentración de productos

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Regimenes del flujo del fluido (liq/gas):

- Disperso: Baja velocidad del gas con respecto al líquido. Burbujas pequeñas y distribución uniforme.

- Coalescente: Velocidades similares. Las burbujas coalescen (se juntan entre si), no uniformes

- Sludge : > velocidad del gas con respecto al líquido. Burbujas muy grandes, pueden ocupar todo el diámetro del reactor

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Las partículas de distinta densidad, una se mantienen fluidizadas y la otro sedimenta.Esta última podría adsorber algún inhibidor.

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