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TIPOS DE BIORREACTORES
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TIPOS DE BIORREACTORES
La fermentación es un proceso dividido en dos categorías muy amplias: fermentación sumergida y fermentación en estado sólido.
La sumergida se ha empleado para la producción de alcohol, ácidos orgánicos, enzimas, antibióticos, vitaminas y aminoácidos.
La de estado sólido para la producción de metabolitos microbianos a partir de hongos
FERMENTACIÓN SUMERGIDA
Técnica más popular Medio contiene ingredientes altamente
procesados Actividad del agua del medio es
elevada Propenso a la contaminación Problemas reologicos a
concentraciones de substrato elevadas Optimizar mezclado
FERMENTACIÓN EN ESTADO SÓLIDO
El medio utilizado es usualmente un substrato en estado sólido (ej. Salvado de arroz, salvado de trigo, o trigo en grano), el cual no requiere procesamiento.
Es necesario considerar las propiedades de absorción de agua del substrato sólido durante la fermentación.
Debido al bajo contenido de agua, existen menores problemas de contaminación
Los requerimientos energéticos también son menores que para la fermentación sumergida
CONFIGURACIÓN DE BIOREACTORESSISTEMAS DE FERMENTACIÓN SUMERGIDA
La eficiencia de desempeño de un biorreactor depende de:
Concentración de la biomasa Mantenimiento de condiciones
asépticas Eficiencia en la transferencia de calor
y masa Operación en condiciones óptimas de
proceso (controles)
LOS BIOREACTORES PUEDEN CLASIFICARSE EN TRES GRUPOS BASÁNDOSE EN EL TIPO DE PROCESO BIOQUÍMICO EMPLEADO:
Bioreactor sin agitación ni aereación (procesos anaerobicos, ej. Producción de vino y cerveza).
Bioreactor con agitación y aereación (procesos de fermentación aerobica sumergida) ej. Producción de ácido citrico y penicilina.
Bioreaactores con aereación, pero sin agitación (fermentación aérobica en estado sólido) ej. Producción de enzimas de alimentos.
Sin embargo en la práctica industrial los biorreactores se distinguen por su configuración y diseño.
TIPOS DE BIORREACTORES
Biorreactor de Tanque Agitado
VENTAJAS
Velocidades de transferencia de oxígeno excelentes
Baja inversión Bajos costos de operación
CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO
Relación altura-diámetro 1:3 o 1:6 Agitador superior o inferior Aspersor de anillo con agujeros para
suministro de aire Deflectores para evitar formación de
vortex y mejorar el mezclado. Presión positiva mínima para asegurar
esterilidad.
La selección del propulsor depende de las características físicas y biológicas del caldo de fermentación.
Dispositivos de muestreo deben estar en compartimientos que permitan la esterilización con vapor.
BIORREACTOR DE BUCLE AGITADO POR AIRE
Se utilizan para fermentaciones con poco esfuerzo cortante y requerimientos bajos de energía.
CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO
En este proceso aire bombeado del fondo del reactor crea burbujas boyantes, las cuales ejercen un arrastre en el fluido circundante, creándose un movimiento del fluido de tipo circular, el cual provee de oxígeno y mezclado del caldo de fermentación
DESVENTAJAS DE LOS BIORREACTORES DE BUCLE AGITADO POR AIRE A GRAN ESCALA
Esterilización inadecuada. Capital de inversión más elevado. Los requerimientos de aereación son
difíciles de obtener
MEJORAS EN EL DISEÑO
Un biorreactor de bucle agitado equipado con un tubo de arrastre resulta en mejor circulación del líquido y áreas interfaciales gas a líquido más grandes, y da una mejor eficiencia en el mezclado y mejor capacidad de transferencia de oxígeno.
REACTOR “AIR LIFT” CON TUBOS DE ARRASTRE
Un ejemplo significativo de un biorreactor de bucle agitado que fue escalado a un muy alto nivel comercial es el fermentador ICI de ciclos de presión. En este proceso, se utiliza metanol como substrato para producir proteína unicelular utilizando Methylophilus metrylotrophus a una capacidad de producción de 60,000 toneladas por año.
BIORREACTOR ICI
BIORREACTOR DE CAMA FLUIDA
En las últimas décadas se ha reportado un incremento significativo en la aplicación de sistemas de reactores de cama fluida.
Han sido utilizados principalmente para células que han sido inmovilizadas en cierto material en partículas.
Se pueden utilizar partículas con gran densidad y la velocidad de flujo requerida para la fluidización puede lograrse independientemente del rendimiento del reactor.
VENTAJAS DE UN BIORREACTOR DE CAMA FLUIDA
Mejor transferencia de calor. Mejor transferencia de masa. Excelente capacidad de mezcla en las
tres fases. Requerimientos relativamente bajos de
energía. Bajo esfuerzo cortante lo que lo hace
ideal para células sensibles.
DESVENTAJAS DE LOS BIORREACTORES DE CAMA FLUIDA
La fluidización de partículas acarreadoras de vidrio y cerámica pueden requerir medios con velocidades de flujo altas los cuales pueden resultar en costos de bombeo más elevados y eventualmente fugas de células
APLICACIONES
Biorreactores de cama fluida de fases gas-líquido-sólido pueden emplearse para la producción de enzimas lignolíticas, tratamiento de aguas de desecho de refinerías y tratamiento de aguas crudas.
BIORREACTOR MICROACARREADOR
El crecimiento de la células en partículas microacarreadoras depende directamente de la superficie disponible para el crecimiento hasta el punto donde las partículas microacarreadoras alcanzan una concentración suficiente para inhibir las células y por ende reducir su rendimiento.
Los microacarreadores deben tener una densidad entre 1.02 y 1.10 kg/m3 para permitir su fácil suspensión en reactores agitados.
BIORREACTOR MICROACARREADOR
DESVENTAJAS DE LOS FERMENTADORES MICROACARREADORES
La toxicidad del medio de soporte puede causar fases de crecimiento lento, muerte de las células en su estado inicial de desarrollo y rendimientos limitados de las células.
Las colisiones de partícula acarreadora con partícula acarreadora y de partícula acarreadora con el impulsor y las fuerzas hidrodinámicas de corte pueden causar viabilidad reducida de las células.
APLICACIONES
Han sido utilizados para el cultivo de células humanas de fibroblasto, para producir masa celular e interferón.
VENTAJAS DE LOS BIORREACTORES MICROACARREADORES
Gran área superficial para el crecimiento celular provista bajo condiciones de esfuerzo cortante bajo, permitiendo la utilización de equipo de fermentación convencional.
BIORREACTOR DE MEMBRANA
Un biorreactor de fibra hueca consiste en un paquete cilíndrico de un gran número de fibras individuales las cuales se mantienen unidas en un arreglo similar a la de un intercambiador de calor de concha y tubos. Existen unidades comerciales de biorreactores de fibra hueca con una capacidad lúminal entre 0.01 m2 y 1.0 m2.
FIGURE 1 CARTUCHO DE FIBRA HUECA EN CORTE SECCIONAL MOSTRANDO LAS FIBRAS Y EL CULTIVO DE LINFOCITOS
VENTAJAS DE LOS BIORREACTORES DE MEMBRANA
Proveen una gran área superficial en un pequeño volumen (tanto como 200 cm2 por mL)
Permite que un gran número de células se adhieran en un pequeño volumen.
Excelente sistema de intercambio de nutrientes y desechos a través de la pared de las fibras.
DESVENTAJAS
Dificultad de monitorear y controlar el crecimiento y metabolismo del cultivo.
Bajas transferencias de oxígeno al haber altas densidades de células.
Bloqueo y ruptura de las membranas debido al excesivo crecimiento.
La acumulación de productos tóxicos en la fibra hueca pueden también inhibir la actividad metabólica del sistema celular.
El efecto de contención de microorganismos, en la fisiología y viabilidad a largo plazo, y productividad no están claros aún.
APLICACIONES
Esta técnica ha sido utilizada en la producción de ácido láctico, conversión de L-histidina y biosíntesis de galactosidasa.
Los biorreactores de membrana han sido utilizados ampliamente para el cultivo de células vegetales y animales.
FOTO BIORREACTORES
PROYECTO DE FOTOBIOREACTOR
FOTO BIORREACTORES
Las microalgas han sido utilizadas con éxito, alcanzando grandes productividades en comparación con otras plantas más sofisticadas.
Los altos índices de productividad en estos sistemas se deben a la gran cantidad de biomasa producida en el biorreactor.
APLICACIONES
Las microalgas han sido utilizadas para la preparación de vitaminas, pigmentos, antioxidantes y ácidos grasos, así como para la acuacultura.
TIPOS DE TÉCNICAS DE CULTIVO
Las técnicas de cultivo empleadas son sistemas abiertos y cerrados, o semi cerrados para el exterior.
DISEÑOS
Los fotobiorreactores communes que se utilizan son los de tipo tubular y los de tipo de platos.
La cianobacteria Spirulina platensis ha sido estudiada en fotobiorreactores batch y continuos bajo condiciones variables de energía lumínica incidente y limitaciones de nutrientes.
BIORREACTORES DE INNOVACIÓN Y PARA USOS ESPECIALES
BIOFERMENTADOR ESPACIAL
La transferencia de conocimiento de un bioreactor convencional a un bioreactor en microescala para cultivar células en el espacio es un campo emergente de las ciencias de la vida en el espacio y sus aplicaciones.
BIORREACTOR ESPACIAL
LOS BIORREACTORES UTILIZADOS EN LA TIERRA PUEDEN NO SER ADECUADOS PARA EL ESPACIO POR UNA SERIE DE CAUSAS:
Los materiales utilizados al presente para la fabricación de un biorreactor no son aceptables en el espacio por razones de medio ambiente o seguridad.
El biorreactor espacial tiene que cumplir con lo requerido en cuanto a tamaño, peso y potencia.
Las condiciones de microgravedad en el espacio crean un impedimento significativo para la operación de un biorreactor debido a la alteración en los factores físicos que gobiernan la sedimentación de las células, mezclado de nutrientes y dispersión de los productos secundarios.
Los nutrientes, oxígeno y productos de desecho deben ser transportados de manera eficiente por intercambios del medio, perfusión o mezclado lento ya que las corrientes convectivas se reducen a cerca de cero.
BIORREACTOR DE TEJIDOS
Se espera que jueguen un rol dominante en la producción de tejidos para aplicaciones en la medicina.
La ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa se esperan que sean las herramientas más poderosas para reparar el daño o la enfermedad de tejidos y órganos, debido a que tejidos de donantes no cubren la demanda actual.
CARTILAGO HUMANO HECHO EN BIORREACTOR DE TEJIDOS
TECNOLOGÍA DE FERMENTACIÓN Y DISEÑO 41
La ingeniería de tejidos se refiere al desarrollo de substitutos biológicos para restaurar, mantener o mejorar la función del tejido.
Un sistema de biorreactor de tejidos necesitaría ser compacto y capaz de mantener un gran número de células a densidades relativamente elevadas por un período de tiempo prolongado.
BIORREACTOR PARA CREAR UN ORGANO COMPLETO
APLICACIONES
El cultivo de células de hepatoma para la producción de higados bioartificiales ha sido probada en un biorreactor de tejidos utilizando cama fluida y fibra hueca.
Un nuevo reto de la ingeniería de los bioprocesos en el cultivo de células involucra el desarrollo de técnicas de cultivo altamente sofisticadas para producir células madre hematopoyéticas y producir órganos completos.
BIORREACTOR DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
La espectroscopia de RMN ha sido utilizada como una herramienta para estudios no invasivos en tiempo real de procesos metabólicos de suspensiones de células en biorreactores.
El biorreactor de RMN ha sido utilizado en línea para el análisis de reacciones metabólicas en los procesos de fermentación.
Uno de los parámetros críticos en la evaluación de biorreactores para la formación de productos es el estado de oxigenación de las células, el cual puede determinarse utilizando RMN.
BIORREACTOR ACOPLADO CON ESPECTROFOTÓMETRO DE MASAS
Un minibiorreactor con una entrada de membrana para una sonda de espectrofotómetro de masas se reportó para procesos biológicos con análisis en línea de compuestos volátiles tales como H2, CH4, O2, N2 y CO2, etanol y metanol.
BIORREACTOR ACOPLADO CON ESPECTROFOTÓMETRO DE MASAS
CARACTERÍSTICAS
Rangos típicos de medición son desde porcentajes hasta partes por trillón en unos pocos segundos hasta minutos.
El biorreactor ofrece detección sensible de cambios pequeños en la concentración de gases disueltos, permitiendo mediciones cinéticas rápidas y estudios metabólicos a profundidad.
BIORREACTOR INTEGRADO
Un biorreactor integrado tiene como objetivo el de mejorar la productividad de los procesos de fermentación por la integración de la fermentación y la recuperación del producto, removiendo de forma continúa los productos inhibitorios.
Los biorreactores de dos fases con particiones tienen gran ámbito de aplicación para incrementar la productividad de un bioproceso.
