Biorreactor

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Biorreactor a escala de laboratorio conteniendo células animales.

Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. 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 de acero inoxidable.

Un biorreactor puede ser también un dispositivo o sistema empleado para crecer células o tejidos en operaciones de cultivo celular. Estos dispositivos se encuentran en desarrollo para su uso en ingeniería de tejidos.

En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etcétera) al elemento que se cultiva. En función de los flujos de entrada y salida, la operación de un biorreactor puede ser de tres modos distintos:

1. Lote (Batch) 2. Lote alimentado (FedBatch) 3. Continuo o quimiostato 

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Contenido[ocultar]

• 1 Diseño    de Biorreactores 

• 1.1    Introducción 

• 1.2    Cultivos y Fermentaciones 

• 1.3    Clasificación de los Biorreactores 

•

•

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• 1.4    Biorreactores 

//<![CDATA[if (window.showTocToggle) { var tocShowText = "mostrar"; var tocHideText = "ocultar"; showTocToggle(); } //]]>Diseño de Biorreactores [editar]

El diseño de biorreactores es una tarea de ingeniería bastante compleja. Los microorganismos o células son capaces de realizar su función deseada con gran eficiencia bajo condiciones óptimas. 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.

La mayoría de los fabricantes industriales de biorreactores usan recipientes, sensores, controladores y un sistema de control interconectados para su funcionamiento en el sistema de biorreacción (ver PLC).

La misma propagación celular (fenómeno conocido en inglés como Fouling) puede afectar la esterilidad y eficiencia del biorreactor, especialmente en los intercambiadores de calor. Para evitar esto, el biorreactor debe ser fácilmente limpiable y con acabados lo más sanitario posible (de ahí sus formas redondeadas).

Se requiere de un intercambiador de calor para mantener el bioproceso a temperatura constante. La fermentación biológica es una fuente importante de calor, por lo que en la mayor parte de los casos, los biorreactores requieren de agua de enfriamiento. Pueden ser refrigerados con una chaqueta externa o, para recipientes sumamente grandes, con serpentines internos.

En un proceso aerobio, la transferencia óptima de oxígeno es tal vez la tarea más difícil de lograr. El oxígeno se disuelve poco en agua (y aún menos en caldos fermentados) y es relativamente escaso en el aire (20,8 %). La transferencia de oxígeno usualmente se facilita por la agitación, que se requiere también para mezclar los nutrientes y mantener la fermentación homogénea. Sin embargo, existen límites para la velocidad de agitación, debidos tanto al alto consumo de energía (que es proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al daño ocasionado a los organismos debido a un esfuerzo de corte excesivo.

Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la fuerza de agitación. También son fáciles de mantener ya que requieren sólo soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.

En los biorreactores utilizados para crecer células o tejidos, el diseño es significativamente distinto al de los biorreactores industriales. Muchas células y tejidos, especialmente de mamífero, requieren una superficie u otro soporte estructural para poder crecer y los ambientes agitados son comúnmente dañinos para estos tipos de células y tejidos. Los organismos superiores también requieren medios de cultivo más complejos.

Introducción [editar]

El diseño en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos básicos y teóricos que conlleven a lograr un prototipo; para la realización integra de un modelo, otra gran parte, trata de la adaptación creativa y de la utilización del ingenio propio para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biológico de un cultivo vivo con el ambiente artificial de un dispositivo controlado; este es el resultado denominado biorreactor o reactor biológico. Un biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnológico que debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biológica. Externamente el 

biorreactor es la frontera de protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no controlado. El biorreactor debe por tanto suministrar los controles necesarios para que la operación o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con economía, alto rendimiento (productividad) y en el menor tiempo posible; esa es la parte tecnológica.

Cultivos y Fermentaciones [editar]

Lo primero que hay que entender en el diseño de reactores biológicos es que contrario a los químicos, su cinética no esta determinada exclusivamente por la velocidad de reacción y las variables que la determinan. Aunque se puede describir de manera similar a la química, la cinética biológica también depende de características intrínsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y taza de división celular, así como, del tipo de operación que se lleve a cabo. Por eso, lo primero que se define en el diseño de un biorreactor es el propósito de utilización; es decir, que tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de cultivo. El conjunto biorreactorsistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos:

1. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo. 2. Mantener constante y homogénea la temperatura. 3. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes. 4. Prevenir la sedimentación y la floculación. 5. Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo. 6. Mantener el cultivo puro. 7. Mantener un ambiente aséptico. 8. Maximizar el rendimiento y la producción. 9. Minimizar el gasto y los costos de producción. 10.Reducir al máximo el tiempo. 

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.

Clasificación de los Biorreactores [editar]

Clasificación Operativa [editar]

Tanto biorreactores como fermentadores se clasifican primeramente de acuerdo al modo de operación: discontinuo, semicontínuo, continuo. Esta es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor, sea químico o biológico (biorreactor). En los reactores biológicos el modo de operación define el sistema de cultivo que es el mismo y delimita la clasificación procesalproductiva del bioproceso (cultivo). Al operar un biorreactor en una determinada categoría (discontínuo, semicontínuo, contínuo), automáticamente queda determinado el modo de cultivo del sistema y se definen los parámetros y las características operativas y de diseño que intervienen en el proceso productivo del sistema.

Clasificación Biológica [editar]

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 de cultivo: anaeróbico, facultativo, aeróbico. Los bioprocesos 

de cultivo y las fermentaciones están basados en el metabolismo celular del cultivo. El metabolismo define los parámetros y características operativasbiológicas de diseño y de operación del biorreactor. Estas características son las que intervienen en la parte biológica del sistema y tienen que ver con el crecimiento, productividad y rendimiento del cultivo; por lo que, definen la clasificación biológicaprocesal del sistema de cultivo.

Clasificación BiológicaOperativa [editar]

Ambas clasificaciones; la biológica y la operativa, son procesalmente interdependientes y en su conjunto afectan el diseño final del biorreactor. Al conjuntarse ambas clasificaciones, se conjuntan también la función operativa y la biológica para establecer entre ambas un propósito de utilización, el modo de cultivo y el bioproceso. Siendo el propósito de utilización, el destino de cultivo del biorreactor; para qué tipo de cultivo va a ser utilizado el biorreactor; el modo de cultivo es sinónimo de sistema de cultivo y el bioproceso es en sí, todo el proceso.

Biorreactores y tipos de cultivo [editar]

Los sistemas biológicos que determinan el metabolismo celular de cultivo y el modo procesalbiológico del sistema son:

Células y microorganismos anaeróbicos [editar]

Bacterias en su gran mayoría, son microorganismos de metabolismo degradativo (catabólico); generalmente unicelulares, estos microorganismos son autónomos y nutricionalmente independientes (autótrofos); sus células (cuerpos) no respiran (no utilizan la glucólisis para la respiración celular), en cambio, utilizan vías alternas, donde una molécula orgánica, producida durante el proceso metabólico (catabolismo), es utilizada como aceptor de electrones, en un proceso bioquímico conocido como respiración oxidativa; esta molécula es reducida a producto orgánico en un proceso comúnmente denominado fermentación.

Células y microorganismos facultativos [editar]

Son ambivalentes, tienen la capacidad de vivir o sobrevivir entre ambientes: aeróbico (presencia de oxígeno) y anaeróbico (ausencia de oxígeno); son microorganismos de metabolismo mixto por lo que, pueden tanto degradar (catabolismo) como construir (anabolismo) materia orgánica, a partir de diferentes sustratos (materia prima), tanto orgánicos como inorgánicos. Pese a su versatilidad, sus mayores representantes son microorganismos que presentan relaciones parásitas o simbiontes tales como: hongos y levaduras, por lo que no son muy extensos.

Células y microorganismos aeróbicos [editar]

Pertenecen en su mayoría al Reino Eucariota – pero también los hay procariota – son microorganismos y células que respiran (utilizan la glucólisis como forma de respiración celular); por lo que su metabolismo es constructivo (anabólico) y deben obtener sus nutrientes de diferentes fuentes. Sus principales grupos están representados por: bacterias y microorganismos aeróbicos, plantas y animales; cuyas células se puedan cultivar en suspensiones celulares o bien, en diferentes arreglos artificiales o modificadas.

A continuación algunos de los posibles sistemas de cultivo que se pueden realizar y el tipo de biorreactor asociado a cada uno:

Cultivos Microbianos Anaeróbicos  Fermentador Bacterial (CO2) [editar]

Los microorganismos de metabolismo anaeróbico son los más simples de todos, tan solo necesitan de un medio de cultivo adecuado, agitación vigorosa y cierta cantidad de CO2 (dióxido de carbono) 

disuelto (COD) para crecer y multiplicarse. es [para descomponer los bichos de la kk]

Cultivos Microbianos Facultativos – Fermentador Bacterial [editar]

Los microorganismos facultativos toleran la presencia oxígeno en bajas concentraciones y además de un sustrato adecuado, sólo requieren agitación moderada y un medio de cultivo para crecer y desarrollarse.

Cultivos Microbianos Aeróbicos – Fermentador Bacterial (O2) [editar]

Los microorganismos aeróbicos necesariamente requieren la presencia de oxígeno (aire) disuelto (OD) para sobrevivir; además, agitación moderada y un medio de cultivo rico en nutrientes para poder crecer y desarrollarse.

Cultivos Celulares Aeróbicos y Facultativos – Fermentador Micótico (CO2) [editar]

Los cultivos celulares se diferencian de los bacteriales (microbios) en que no son microorganismos procariota, son eucariota. Son microorganismos aeróbicos o facultativos pertenecientes al Reino Fungi (hongos y levaduras), generalmente llamados micóticos, requieren de la presencia de CO2 disuelto en el medio como sustrato limitante de la velocidad de reacción y generan estructuras reproductivas muy particulares.

Cultivos Celulares Aeróbicos Estrictos – Fermentador con Aireación (O2) [editar]

El cultivo de microorganismos celulares (no bacteriales) aeróbicos estrictos requiere la presencia de oxígeno disuelto en el medio de cultivo para el metabolismo celular; así como una adecuada agitación.

Células Vegetales en Suspensión – biorreactor de Levantamiento por Aire (O2) en Régimen 

Turbulento (Re≥3000) [editar]

Las células vegetales pueden ser cultivadas en suspensiones celulares: pequeños agregados celulares que se suspenden en el medio de cultivo mediante agitación. Dado que las células vegetales respiran, el diseño del biorreactor debe incorporar una línea de aireación (aire) para suministrar oxígeno disuelto (OD) al medio de cultivo. El diseño debe contar con agitación vigorosa, pues los agregados celulares vegetales tienden a agruparse (clusters) y de alcanzar gran tamaño y peso, precipitarían. Por eso, la operación de este tipo de biorreactores debe ser en régimen turbulento (Re≥3000). Los biorreactores para células vegetales en suspensión generalmente son diseñados con un mecanismo de levantamiento por aire “air lift” que combina una agitación vigorosa (turbulenta) con una adecuada aireación (oxígeno disuelto) del medio de cultivo.

Protoplastos Vegetales  biorreactor de Levantamiento por Aire (O2) en Régimen Laminar 

(Re≤2300) [editar]

Los protoplastos son células vegetales desprovistas de su pared celular, esto se logra utilizando 

enzimas proteolíticas (proteasas y lipasas) que degradan la pared celular. Actualmente, el cultivo de protoplastos no es muy acostumbrado, pero de realizarse, requiere de una cama de aire (burbujas muy finas) que opere en régimen laminar (Re≤2300), para evitar los esfuerzos cortantes (esquileo) e hidrodinámicos (agitación) generados en el medio de cultivo dañen (lisis celular) las células en suspensión (tamaño de Kolmogorov de los Eddies). También es indispensable que el medio de cultivo contenga las proteasas y lipasas necesarias para evitar la regeneración de la pared celular.

Células Animales – biorreactor de Lecho Fluidizado (O2) [editar]

Los cultivos de células animales requieren de proximidad mutua y de un soporte sólido (anclaje) para interactuar (comunicación célulacélula) y poder metabolizar (producir); esto por cuanto, las células animales, por lo general, no son independientes y deben estar unidas a un sistema (p.ej; hepático) para funcionar adecuadamente. Para suministrar esa proximidad y el soporte necesario, los diseños de biorreactores para células animales deben aumentar la densidad celular (concentrar) de las células en cultivo. Una forma de hacerlo es incorporar un lecho fluidizado formado por cantidad de microesferas acarreadores hechas de material cerámico poroso inerte que, por su tamaño (micrométrico) forman una interfase con el medio de cultivo (fluido) que permite la transferencia de masa (nutrientes y OD), energía (calor) y momentun (agitación) entre el medio de cultivo y las células en cultivo; lo que es llamado lecho fluidizado. Los cultivos celulares animales, por la delicada naturaleza de las membranas plasmáticas requieren además de oxígeno disuelto (OD) en el medio de cultivo (tamaño de Kolmogorov de los Eddies) y de un régimen de agitación laminar (Re≤2300).

Células Inmovilizadas – biorreactor de Fibra Hueca (O2) [editar]

La inmovilización celular es otra forma de lograr proximidad celular y aumentar la densidad celular y la concentración de metabolitos dentro de las células. La inmovilización es un método mucho más eficiente y logra rendimientos muy superiores a los del lecho fluidizado. Pero, los fenómenos de transferencia (masa, momentun y energía) se ven muy limitados por la inmovilidad. Esto es especialmente crítico en cultivos de células de mamífero por cuanto ya célula no recibe la nutrición adecuada.

Los reactores de fibra hueca son los dispositivos más utilizados para inmovilizar y concentrar cultivos celulares animales. Su diseño consiste en una batería de fibras hueca y porosa en su interior, colocadas en paralelo. Las células se concentran y aumenta la densidad celular, en los intersticios de las fibras huecas. El medio de cultivo fluye en contrasentido desde el exterior del reactor o a través de una carcasa como si fuera un intercambiador de calor de doble tubo. Para solventar el problema de la escasa transferencia de masa (nutrientes y OD) dentro de la fibra hueca, un diseño novedoso es el tambor rotativo en el cual, el tambor externo rota sobre la batería de fibras huecas, generando una circulación constante de masa y de momentun, aumentando las tazas de transferencia.

Células empaquetadas  biorreactor de Lecho Empacado (O2) [editar]

El empaquetamiento celular es una forma menos drástica de inmovilización; pues ésta es parcial. También tiene el objetivo de aumentar la concentración y la densidad celular; pero al no estar enclaustradas las células, la transferencia de masa es mayor, aunque siempre limitada. Un lecho empacado es una matriz de soporte sólido que retiene las células, bien por geometría (dentro de los intersticios o espacios huecos de la matriz), bien por afinidad (paso o adherencia selectiva). Un biorreactor con este propósito debe contener un lecho de soporte sólido, sumergido en el medio de 

cultivo. La oxigenación generalmente se realiza en el exterior del lecho, a través del medio de cultivo.

Cultivos enzimáticos – Reactores de Lecho Catalítico [editar]

Los cultivos enzimáticos se comportan en algunos aspectos como cultivos celulares y en otros como reactivos químicos. Debido a que un sustrato enzimático es un catalítico de una reacción biológica, la cinética de estos reactores puede simularse como la química, pero sin olvidar que el compuesto es biológico. Los sustratos enzimáticos deben estar anclados a un lecho semisólido o a uno semifluido  según sea el caso  dependiendo de la naturaleza enzimática del sustrato; que por la naturaleza de la enzima se conocen como lechos catalíticos. Muchas veces el medio de cultivo, además de la enzima, requiere, para un sustrato determinado, su respectivo precursor metabólico llamado cofactor, más algún componente especial que agilice el proceso metabólico.

Modo de Operación y Sistemas de Cultivo [editar]

El modo de operación de un sistema de cultivo, es sinónimo del modo de operar del biorreactor o fermentador. Éste no solo influye en el diseño propio del reactor, también, en el modelo cinético de crecimiento del cultivo y en el proceso de producción. Existen tres modos de cultivo aunados a tres modos básicos de operación:

• Discontínuo(batch): por lotes o tandas, sin alimentación (F); se coloca dentro del biorreactor la carga total de cada proceso (tanda o lote) de cultivo o fermentación y se dejar que se lleve a cabo el proceso productivo o la fermentación por el tiempo que sea necesario; el cuál se denomina tiempo de retención. 

• Semicontínuo (feed batch): por lotes alimentados, con alimentación de entrada (F1); se alimenta una línea de entrada o alimentación (F1) para que el sistema de cultivo tenga un producto (biomasa) con máximo de crecimiento (exponencial) y aumente la productividad. 

• Contínuo (continuos): por quimioestato, se alimenta una línea de entrada F1 o alimentación y se drena una línea de salida F2 o lavado; de manera que los flujos o caudales de ambas líneas sean iguales y la producción sea contínua. 

Balances y ecuaciones [editar]

La parte teórica del diseño consiste en modelar; es decir, “poner” en ecuaciones el proceso biológico (bioproceso) que se lleva a cabo, para que, a partir de esas ecuaciones, dimensionar (dar dimensiones) y simular el comportamiento teórico de un modelo prototipo. Si la teoría corresponde a la práctica, el comportamiento del modelo se acercará a la realidad; está en la habilidad del diseñador, que esto sea lo más cercano posible. Antes de modelar en ecuaciones un diseño es necesario “saber” que “tamaño” va a tener el modelo, de “cuanto” se dispone y cuanto vamos a “requerir” para realizar un proyecto de ese tamaño. Eso es, hacer un balance para “igualar” todas las variables o parámetros de las ecuaciones y “llevar” la contabilidad de nuestro proyecto.

Balance general [editar]

El primer balance que debe realizarse en cualquier sistema es el Balance General o Global; en el se toma en consideración únicamente – el sistema – como una caja negra – el ambiente externo y – los flujos – que entran (F1) y salen (F2) e interaccionan con el ambiente externo. De esta forma el primer balance es:

Balance general biomasa [editar]

Velocidad de Acumulación = Velocidad de Entrada – Velocidad de Salida + Velocidad de Formación – Velocidad de Consumo

Balance General por componente [editar]

Una vez dado el balance general de biomasa, debe tomarse en cuenta que, en un sistema de cultivo, existen muchos componentes: substratos, productos, compuestos metabólicos que conforman el caldo de cultivo (medio interno); incluso la biomasa, se considera un componente en sí misma. A partir del balance general, debe establecerse un balance general para cada componente i del cultivo o la biomasa.

De acuerdo al enunciado del balance general: la velocidad de acumulación del componente i es el 

flujo de entrada (F1) por la concentración inicial del componente i   [velocidad de 

entrada] menos el flujo de salida (F2) por la concentración del componente i (Ci) [velocidad de 

salida]; más la velocidad de formación del componente i [formación] menos la velocidad de consumo del componente i [consumo]:

 Ec.1

Respecto a las velocidades de formación y consumo:

Si se trata de un componente metabólico, responden a la acumulación (formación) del componente dentro de la célula y al consumo del metabolito por parte de la célula (consumo).

Si se trata de biomasa, formación corresponde a la generación de biomasa y el consumo al consumo de biomasa durante el bioproceso; esto es, a la producción metabólica en el primer caso y a la producción o productividad en el segundo.

Nomenclatura [editar]

• V = volumen del cultivo (m³) • F1 = caudal de alimentación (m³/s) 

• F2 = caudal de salida (m³/s) 

•  = concentración del componente i en la alimentación (kg/m³) • Ci = concentración del componente i en el lavado (kg/m³) 

•  = velocidad de formación del componente i (kg/m³s) 

•  = velocidad de consumo del componente i (kg/m³s). 

Balance General por componente para cada modo de operación [editar]

La ecuación de balance general por componente Ec. 1, por ser general, se define para una operación contínua. La condición fundamental de toda operación contínua es:

En una operación contínua el flujo de entrada (F1) debe ser igual al flujo de salida (F2): F1 = F2

Esta condición se conoce como flujo en estado estacionario (FEE). Para modelar el comportamiento 

de la biomasa del cultivo en el estado estacionario (EE) además de la condición de flujo (FEE) debe haber equilibrio en la densidad o concentración de ésta. Esto se conoce como quimioestásis o equilibrio quimioestático y es por eso que a los sistemas de cultivo contínuo se les llama quimioestatos. Está condición está dada por la ecuación: dV/dt = F1 – F2 Ec. 2. Bajo la condición de FEE y suponiendo que la densidad del cultivo y de la alimentación son iguales (Ec.2, quimioestásis) la Ec.1 se reduce a: dCi/dt = F (Ci1 – Ci) + V (rfi – rci) Ec. 3. La ec.3 que se conoce como ecuación de balance para una operación contínua en estado estacionario.

De no existir el estado estacionario (EE) se producirían dentro del biorreactor dos condiciones de flujo indeseables:

Si F1 > F2 se produce el rebalse o desborde del biorreactor, condición que se da cuando el flujo de entrada sobrepasa la capacidad del reactor.

Si F2 > F1 se produce el lavado o drenado de producto o biomasa, condición que se da cuando el flujo de salida sobrepasa la capacidad del reactor.

Cuando el modo de operación es semicontínuo (feed batch) el caudal de salida F2 es nulo (F2 = 0) por lo que, el volumen V aumentará con el tiempo en función del caudal de entrada: dV/dt = F Ec.4. Y en el balance de materia se anula el término F2Ci resultando: d(VCi/dt) = FCio + V (rfi  rci) Ec.5.

Observe que el volumen que permanece dentro del operador diferencial es porque varía con el tiempo (Ec.4), en tanto que el otro no lo hace (Ec.3). Esa es la razón por la que una operación semicontínua tiene duración limitada en el tiempo (el volumen no puede incrementarse más allá del volumen de trabajo o volumen útil del biorreactor). El tiempo que dura una operación semicontínua se conoce como tiempo de residencia (tr) y es el tiempo que dura el cultivo o bioproceso en un sistema semicontínuo.

Cuando el modo de operación es discontínuo (batch) ambos caudales son nulos (F1 = F2 = 0) por lo que, el volumen es constante y se anulan los términos F1 Cio, F2 Ci en la Ec.1.Eso da como resultado: dCi/dt = rfi – rci Ec.6.

La duración de un cultivo discontínuo (batch) es también, limitada en el tiempo, pero se diferencia de la del cultivo semicontínuo (feed batch) en que depende únicamente de las condiciones iniciales del cultivo; esto por cuanto, no existe alimentación (F1). Una vez cargado el biorreactor e inoculado el medio de cultivo, la concentración de la biomasa aumenta gracias a los nutrientes, pero una vez que el sustrato que limita el crecimiento se haya agotado, el crecimiento ya no es posible y finaliza el cultivo. Por este motivo, el tiempo que dura el cultivo dentro de un biorreactor con un modo de operación discontínuo se llama tiempo de cultivo (tc).

Balances individuales [editar]

Los principales balances por componente en su forma individual son:

• Balance de Biomasa: d (VX) / dt = FiXi + VrgX – FoXo – VrcX • rgX = µX (velocidad de crecimiento celular) • rcX = kdX (velocidad de muerte celular) • Balance de Substrato: d (VS) / dt = FiSi – FoSo – VrcS • rcS = qSX / YX/S = µX / YG + m X + qPX / YP • Balance de producto: d (VP) / dt = FiPi – FoPo – VrgP • rgP = qP X • Balance de Oxígeno: d (VCL) / dt = FiCLi – FoCLo – VrcO2 + VNiO2 

• Balance de Anhídrido Carbónico: d(VCCO2) / dt = FiCCO2i – FoCCO2o + VrgCO2 – 

VNoCO2 

Nomenclatura [editar]

• V: Volumen del líquido en el biorreactor, L • t: Tiempo, h • y: Concentración del componente y en el líquido dentro del biorreactor, g/L • X: Concentración de biomasa en el líquido dentro del biorreactor, g/L • S: Concentración de substrato en el líquido dentro del biorreactor, g/L • P: Concentración de producto en el líquido dentro del biorreactor, g/L • CL: Concentración de oxígeno en el líquido dentro del biorreactor, g/L • C*: Concentración de oxígeno en el líquido en equilibrio con el gas, g/L • CCO2: Concentración de CO2 en el líquido dentro del biorreactor, g/L 

• F: Velocidad de flujo de líquido, L/h • Ni: Velocidad de transferencia de un componente del gas al líquido, g/Lh • No: Velocidad de transferencia de un componente del líquido al gas, g/Lh • rg: Velocidad de generación, formación o producción, g/Lh • rc: Velocidad de consumo o utilización, g/Lh • µ: Velocidad específica de crecimiento celular, h1 • qS: Velocidad específica de consumo de substrato, g/gh • qP: Velocidad específica de formación de producto, g/gh • m: Velocidad específica de consumo de substrato para mantenimiento celular, g/gh • Kd: Velocidad específica de muerte o declinación celular, h1 • YP: Coeficiente (estequiométrico) de rendimiento de producto basado en el consumo de 

substrato consumido para formación de producto, g/g • YP/S: Coeficiente de rendimiento de producto basado en el consumo total de substrato, g/g • YG: Coeficiente de rendimiento de biomasa basado en el consumo de substrato para 

crecimiento, g/g • YX/S: Coeficiente de rendimiento de biomasa basado en el consumo total de substrato, g/g • kLa: Coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno, h1 

Subíndices [editar]

• i = Ingreso • o = Salida • S = Sustrato • P = Producto • O2 = Oxígeno 

• CO2 = Anhídrido carbónico 

Diseño de un Quimioestato: Cultivo contínuo [editar]

Un quimioestáto un sistema de cultivo en contínuo; su operación esquemática es como la que muestra la figura. Una operación en contínuo exige una serie de consideraciones para modelar su comportamiento:

Mezcla perfecta (sin gradientes de concentración y con agitación turbulenta);

Flujo de entrada y salida iguales (F1 = F2 = F);

Volumen de operación constante (volumen de líquido dentro del biorreactor: dV/dt = 0);

Parámetros constantes de transferencia (temperatura, pH, velocidad de transferencia de oxígeno, etc.)

La operación industrial de un quimioestáto se ilustra en la figura.

Para iniciar un cultivo continuo; el biorreactor o el fermentado debe cargarse previamente con el inóculo del cultivo y luego de que este crece lo suficiente, alimentar el sistema con medio fresco a un caudal F1 y lavar el producto por un rebalse a un caudal F2, de modo que, el volumen se mantenga constante, el tiempo que dure el bioproceso o la fermentación. El caudal de salida F contiene células vivas (X), medio de cultivo con algún substrato (S) parcialmente agotado (So) y posiblemente algún producto (P). Al alimentar con medio fresco (So) el caudal de entrada (F1), la biomasa (Xo) y el producto (Po) serán iguales a cero para las condiciones de entrada; por lo que, sólo se deberá considerar la concentración de sustrato limitante del crecimiento (So) en la alimentación.

Balances y Ecuaciones en el Estado Estacionario

Teniendo en cuenta estas consideraciones, los balances de materia para X, S y P en el estado estacionario (E.E) serán:

Balance de Biomasa : VdX/dt = FX + Vrx = –(F/V)X + µX = 0; rX = mX; E.E » dX/dt = 0. Por definición D = velocidad de dilución = F/V » µ = D

Balance de Substrato : VdS/dt = F (So – S) – Vrs; rs = µX / YX/S; E.E » dS/dt = 0. Por definición: SEE = KsD / µm – D » XEE = YX/S (S0 – S)

Donde: D = velocidad de dilución; SEE = concentración del substrato limitante de la velocidad en estado estacionario; XEE = concentración de biomasa en estado estacionario.

Balance de Producto : VdP/dt = FP + Vrp = PEE = qPX / D; rP = qPX; E.E » dP/dt = 0

Donde: PEE = concentración del producto en el estado estacionario.

Nota : cuando el substrato limitante de la velocidad de crecimiento (S) es también la fuente de carbono: X = DY´X/S (So – SEE) / (D + msY´X/S)

Modelo Cinético de Monod para el Cultivo Contínuo [editar]

El modelo de crecimiento que se aplica en los sistemas de cultivo contínuo es el modelo cinético de Monod: D = µmS / (KS + S) » S = KSD / (µm – D) » X = YX/S [S0 – KSD / (µm – D)]

Velocidad Crítica de Dilución: existe un valor de dilución por encima del cual es X = 0; es decir, se produce lavado o arrastre de la biomasa por encima del valor de equilibrio que permite el estado estacionario y F2 > F1.

Este factor se conoce como dilución crítica (Dc); Dc = µmSo / Ks + So

En condiciones normales de operación contínua S0 >> KS » DC = µm por lo que, un quimioestáto debe trabajar a una fracción de µm. En términos de crecimiento de la biomasa esto significa que el quimioestáto impone una condición selectiva al crecimiento del cultivo o el microorganismo.

Formación de producto: PEE = rp/D = qPXEE/D

Determinación de Parámetros de Crecimiento: un cultivo continuo es sumamente útil para determinar parámetros de crecimiento.

1/D = 1/µm + Ks/µm * 1/SEE

Se grafica 1/D en función de 1/S los puntos se ajustan a una recta cuya intersección con el eje 1/D 

es el valor de 1/µm y cuya pendiente es Ks /µm.

D (So – SEE) / XEE = D / Y´X/S + ms

La gráfica de D (SoS) / X en función de D permite estimar 1/Y'x/s y µs cuando el sustrato limitante de la velocidad de crecimiento es la fuente de carbono.

Ecuación de Diseño de un Reactor de Mezcla Perfecta [editar]

La ecuación de diseño nos da el tiempo de residencia (t) del cultivo dentro del biorreactor. Para poder utilizar la ecuación de diseño hay que modificar la definición de componente X y sustituirlo por conversión X del componente i. Por definición: Xi = Nio – Ni / Nio Donde: N = moles del componente i. Despejando: Ni = Nio (1  Xi) » dNi/dt = Nio dXi/dt = riV Con lo que, la ecuación de balance de biomasa para el estado estacionario se transforma en: FXi + riV = VdXi/dt = 0 Reordenado: V/F = ∆Xi / ri = t = ecuación de diseño de un reactor de mezcla perfecta. Donde: t = tiempo de residencia del cultivo dentro del biorreactor; ∆Xi = Xi2 – Xi1 = dXi Otro termino comúnmente utilizado en el diseño de reactores es el tiempo espacial ( )τ  el cual define el tiempo necesario para procesar o fermentar en el biorreactor, un volumen de alimentación, medido en condiciones de entrada (presión y temperatura), igual al volumen de operación del biorreactor (el que define el estado estacionario). El tiempo espacial se obtiene dividiendo el volumen de reactor (V) entre el caudal volumétrico de entrada al biorreactor (Q):   = V/Qτ  Observe que al igual que t las unidades de   son s1.τ

Diseño de un Biorreactor Semicontínuo [editar]

Un cultivo semicontínuo posee una línea de entrada o alimentación (F1). Para iniciar un cultivo alimentado (feed batch) son validas las mismas consideraciones que se hicieron para el cultivo continuo; pero, se inicia la alimentación del cultivo cuando el sustrato limitante de la velocidad se ha agotado; esto permite controlar la velocidad de crecimiento, regulando la velocidad de alimentación (caudal); finalmente se debe alimentar el cultivo con medio fresco.

Balances y Ecuaciones [editar]

Los balances de materia respectivos para X, S y P son:

• Balance de Biomasa: d (VX)/dt = Vrx = VµX • Balance de Substrato: d (VS)/dt = FSo – Vrs • Balance de Producto: d (VP)/dt = Vrp 

Nota: en estos casos el volumen V permanece dentro del operador diferencial; esto se debe a que varía con el tiempo.

Casos [editar]

Si en la ecuación de balance de substrato la velocidad rs se reemplaza por rx / Yx/s se tiene: d (VS)/dt = FSo – 1/Yx/s. d (XV)/dt

Para controlar la velocidad de crecimiento (rx) mediante el caudal de alimentación (F) el substrato (S) debe ser cero en todo momento: S = 0 y por lo tanto: d (SV)/dt = 0. Esta condición equivale a que el sustrato sea consumido en su totalidad conforme ingresa al biorreactor; es por eso que se aplica la condición de alimentación fresca. Bajo estas condiciones, la ecuación de balance de biomasa se transforma en: d (VX)/dt = FSoYx/s y por integración: XV = XeVe + FSoYx/st Donde: 

Xe y Ve representan la concentración de biomasa y el volumen de cultivo al iniciar la alimentación.

La variación del volumen con el tiempo es: V = Ve + Ft

El criterio para diseñar una alimentación adecuada se obtiene por la ecuación: FSo = VeµXe / Yx/s la ecuación es válida para cualquier rango de µ, hasta µm.

Como criterio adicional, sobre todo en procesos de fermentación se suele seleccionar un valor de So tan alto como sea posible y lo contrario con F (uno relativamente pequeño); a fin de evitar el lavado del cultivo por dilución excesiva. No obstante esto ocasionaría que la duración del cultivo (tiempo de fermentación) se prolongarse excesivamente. Para buscar el equilibrio se diseñó empíricamente una solución de compromiso: µ = 1 / VX. d (VX)/dt = Yx/sFSo / XeVe + Yx/sFSot

Ecuación de Diseño de un biorreactor Semicontínuo Ideal [editar]

Un sistema de cultivo semicontínuo es un sistema transciende; es decir, hay un flujo temporal o transitorio que alimenta o drena (lava) el sistema. El balance general de masa que se aplica a un volumen de control (diferencial de volumen) para un componente i en un sistema de flujo semicontínuo es:

Entra  Sale  Desaparece = Acumula  › Fi  (Fi+dFi)  (rxi) dV = 0―

Operando se obtiene:  dFi = (rxi) dV Por definición la conversión del componete i en reactores en flujo (semicontínuo) es: Xi = Fio – Fi / Fio por lo que, sustituyendo en la ecuación de balance: FiodXi = rxidV Integrando la expresión anterior:   ∫ dV/Fio =   dXi/rxi∫  donde los límites de integración son: 0, V para el volumen y Xio, Xif para la conversión. Resolviendo la integral obtenemos: V/Fio =   dXi/rxi = t∫  la ecuación de diseño para un biorreactor de flujo (semicontínuo). La ecuación es válida tanto si existe o no variación de caudal (flujo) del sistema. Cuando se requiere una expresión en función de la concentración, podemos utilizar la siguiente ecuación: Fio = CioQi donde Cio es la concentración del componente i en las condiciones de entrada y Qi es el caudal volumétrico del componente i. Sustituyendo: V/Fio = V/QiCio =  /Cioτ  donde   es el tiempo espacial del biorreactor. En forma integral: τ  = Cio   dXi/rxiτ ∫  Para sistemas de densidad constante:   =    dCi/rxiτ ∫

Nota: al comparar la ecuación de diseño de un biorreactor semicontínuo ideal con la que se obtiene para uno discontínuo ideal, se observa que la diferencia está la expresión que toma el tiempo: t o t. En un biorreactor discontínuo, t representa el tiempo de cultivo tc y es igual a la duración del bioproceso o la fermentación; lo que equivale a decir, el tiempo necesario para que el substrato limitante de la velocidad se agote. En un biorreactor semicontínuo (de flujo) el tiempo t corresponde al equivalente para que la conversión de salida alcance su máximo valor posible; es decir, para que la generación de biomasa o bien, del componente metabólico X, alcancen su máximo de crecimiento (µm) para un mismo componente i. Es por eso que en un biorreactor de flujo el tiempo t se llama también tiempo de residencia tr; ya que, es el tiempo que el cultivo reside dentro del biorreactor; el cual es diferente (mayor) del tiempo de cultivo tc, puesto que aún después de agotado el substrato limitante de la velocidad, el cultivo (células o microorganismos) tiene la capacidad metabólica de seguir sintetizando metabolitos X o generar más biomasa (crecer); es por eso que le incorporan los adjetivos “limitante de la velocidad” al substrato S.

Diseño de un biorreactor discontínuo [editar]

Una sistema de cultivo discontínuo no posee alimentación (F1) o lavado (F2); se carga el contenido del biorreactor (tanda o lote) con el medio de cultivo y luego se inocula con el cultivo (células o 

microorganismos) y se deja crecer hasta obtener el producto (biomasa o metabolito).

Balances y ecuaciones [editar]

Dado que F1 = F2 = 0, las ecuaciones de balance son:

• Balance de Biomasa: d (X)/dt = rx = µX • Balance de Substrato: d (S)/dt = rs = µX / Yx/s • Balance de Producto: d (P)/dt = rp 

Casos [editar]

Generación de Biomasa: cuando la operación discontínua tiene como objetivo la generación de biomasa (células o microorganismos); se parte del supuesto de que no se forma producto y que la relación µS puede ser representada por la ecuación de Monod, con lo que las ecuaciones de balance de biomasa y balance de substrato limitante de la velocidad quedan:

• Balance de biomasa: d (X)/dt = µm (XS / Ks + S) • Balance de substrato: d (S)/dt = µm / Yx/s (XS / Ks + S) 

El sistema de ecuaciones posee solución analítica, pero en ésta, no aparece X en forma explícita, por lo que, resulta de poca utilidad. Afortunadamente, es posible analizar casos particulares, haciendo algunas suposiciones. En el caso de tomar en cuenta únicamente la fase exponencial del crecimiento, cumple que: S » Ks y las ecuaciones se reducen a las originales, salvo que µ es substituida por µm:

• Balance de biomasa: d (X)/dt = µmX • Balance de substrato: d (S)/dt = µmX / Yx/s 

Dado que bajo tales condiciones el crecimiento ocurre al máximo valor de posible, integrando la ecuación de balance de biomasa con las condiciones: t = 0, X = Xo se obtiene una expresión para la concentración de biomasa en función del tiempo: X = Xo eˆµmt o bien: lnX = lnXo + µmt La ecuación establece que para S » Ks, el crecimiento es exponencial y permite calcular el valor de µm graficando el valor del logaritmo de X (ln X) en función del tiempo (t). En forma similar, la concentración de substrato limitante de la velocidad en función del tiempo es: S = So – [(Xo / Yx/s) (eˆµmt  1)] Conforme el substrato se agota, S disminuye y la condición de S se hace comparable a Ks con lo que dX/dt comienza a disminuir (fase de desaceleración), hasta hacerse finalmente nula (S = 0); en este punto, se alcanza la máxima concentración de biomasa y finaliza el cultivo, pues se ha alcanzado la fase estacionaria.

La concentración final de biomasa (Xf) se puede calcular si se conoce Yx/s: Yx/s =  (Xf – Xo) / (Sf – So) Dado que Sf = 0, Xf = Xo + Yx/sSo Lo usual es utilizar estas ecuaciones para calcular Yx/s.

En la figura se ilustran las distintas fases de crecimiento descriptas, que surgen de la ecuación de Monod. Note que antes de la fase exponencial existe una fase de retardo durante la cual, la concentración de biomasa no se modifica substancialmente pero, ocurren cambios en la composición macromolecular y en el "estado fisiológico" de las células del cultivo. Si por algún motivo debe tomarse en cuenta esta fase, se debe aplicar una corrección a la ecuación la concentración de biomasa en función del tiempo: lnX = lnXo + µm (t – tr) donde tr es el tiempo de retardo; es decir, la modificación consiste en restarle al tiempo real, el tiempo transcurrido hasta que comienza el crecimiento exponencial. Normalmente, la fase de retardo no es deseable, tanto por la pérdida económica como por el tiempo desperdiciado; para minimizarla se hace crecer el inóculo aparte, en un medio de cultivo igual al que se va a emplear en el bioproceso (cultivo o fermentación) y luego se procede a transferirlo cuando las células ya se encuentran en la fase exponencial. La 

última fase es la decaimiento o muerte y consiste en la disminución de la concentración celular de la biomasa por lisis o muerte celular.

Ecuación de Diseño de un Biorreactor Discontinuo Ideal [editar]

Un sistema de cultivo discontínuo es un sistema discreto en cuanto al movimiento de biomasa, ya no hay flujos. Como condiciones de idealización en un biorreactor discontinuo ideal se supone que el cultivo y su medio están perfectamente agitados y que los parámetros de velocidad (r) son constantes en todo el volumen del sistema (volumen de control); es decir, que la mezcla es perfecta. La otra consideración es que se trabaja con velocidades y componentes individuales (i), por lo que se utiliza la definición de conversión del componente i (Xi), en vez de biomasa; es decir, se trabaja el componente metabólico, no la célula. La ecuación de balance del componente i es: d (Xi)/dt = rxi = µXi Teniendo en cuenta la definición de conversión y diferenciando Ni respecto al tiempo: dNi/dt = NiodXi/dt Sustituyendo en la ecuación de balance: NiodXi/dt = rxiV Separando en variables e integrando:   ∫ (Nio/rxiV) dXi =   dt∫  donde los límites de integración son: Xio (conversión de entrada) y Xf (conversión final) para la conversión y to = 0 (tiempo inicial) y tf (tiempo total de reacción) para el tiempo de reacción. Integrando obtenemos: t = Nio   dXi/rxiV∫  la ecuación general de diseño para un biorreactor discontinuo ideal.

Diseño de un Biorreactor con Aireación [editar]

Un biorreactor con aireación es por definición un reactor contínuo donde la entrada F1 es una línea de alimentación de aire estéril (O2); la salida F2 es una línea de lavado de aire estéril y el sustrato 

limitante de la velocidad de crecimiento es el oxígeno disuelto (OD).

Existen dos tipos o diseños básicos de biorreactores con aireación; ambos, de uso muy difundido: el primero es tanque agitado con línea de aireación y el segundo es el de levantamiento por aire o "air lift". De este último existe también, una variante que se utiliza para cultivos aeróbicos muy resistentes a esfuerzos cortantes e hidrodinámicos y es la cama de burbujas o “bubble bed”.

Estructura de un Reactor Contínuo de Tanque Agitado Con Línea de Aireación [editar]

Un CSTR con línea de aireación es utilizado, por lo general, como dispositivo fermentador para células y cultivos aeróbicos; su esquema se representa en la figura. En él, la aireación se da en régimen laminar o de transición (Re≤3000) por cuanto estas fermentaciones son destinadas a cultivos de células y microorganismos aeróbicos “sensibles” a esfuerzos cortantes e hidrodinámicos altos. La agitación “extra” requerida se realiza mecánicamente, por medio de: un eje transmisor de potencia provisto de aletas o turbinas de agitación y accionado por un motor de corriente alterna con control de potencia y velocidad.

Además de esto, es indispensable que el sello mecánico del eje del motor sea hermético y esterilizadle; que las líneas de entrada y salida de aire sean estériles y que la difusión del aire dentro del biorreactor sea controlada en presión, flujo y concentración. Para completar el esquema de diseño: el aire se inyecta por la parte inferior del tanque y es difundido a través de toda la mezcla por una corona con pequeños orificios espaciados regularmente o una boquilla de difusión. La “cama” de aire debe ser un “chorro” de finas burbujas de aire de pequeño diámetro, que salen de cada orificio de la corona o el difusor (boquilla) y y al ser "golpeadas" por las paletas de la turbina o el agitador, se distribuyen por todo el volumen, generándose miles de pequeñas burbujas de aire que, difunden el 02 disuelto hacia el seno del líquido. El sistema de agitación se completa con 

cuatro o seis deflectores o “baffles” que rompen el movimiento circular que imprimen las paletas de la turbina o el agitador al líquido y generan mayor turbulencia y mejor mezclado; pero sin dañar el tejido o la pared celular de las células y microorganismos (tamaño de Kolmogorov de los Eddies). Finalmente, el tanque debe poseer un intercambiador de calor formado por una camisa por la que circule agua, para poder controlar la temperatura del cultivo y evitar que este muera o sufra un estrés térmico.

Estructura de un biorreactor de Levantamiento por Aire [editar]

Cuando el volumen es muy grande (mayor que 1000 l) o se requiere de un mayor volumen de aireación, el sistema CSTR, ya no es eficiente y se requiere del levantamiento por aire. Debido a que, a mayor volumen de cultivo, también es mayor la cantidad de calor generado; se hace necesario, aumentar el área de transferencia de calor y la eficiencia de refrigeración; por lo que, el intercambiador de calor de camisa debe ser reemplazado por uno de serpentín en contra flujo o con circulación adyacente a la pared interior del tanque. Ver esquema representado en la figura.

Al igual que en el diseño de tanque agitado, el aire que ingresa al biorreactor debe ser estéril; esto se consigue, haciéndolo pasar por un filtro microporo de diámetro de poro inferior a los 0,45 micrones (0,2 µm – 0,1 µm) que impida el paso de microorganismos contaminantes. En los biorreactores de levantamiento por aire o "air lift" la cama de aire también funciona como medio de agitación; de modo que, se genere una circulación fluida de líquido con aire (burbujas) que asciende el compartimiento interno y luego desciende por el compartimiento externo, favoreciendo el mezclado perfecto.

Transferencia de 02 y Balance de Oxígeno [editar]

La velocidad de transferencia de 02 (r02) desde el seno de la fase gaseosa (burbujas) hasta la fase líquida (medio líquido) está determinada por la siguiente ecuación: rO2 = Kla (C* C) donde KLa 

es el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno; C la concentración de 02 disuelto en el seno del líquido y C* la concentración de O2 disuelto en equilibrio con la presión parcial de oxígeno 

de la fase gaseosa. El KLa y por lo tanto el grado de transferencia de oxígeno desde el seno del líquido hasta las células o microorganismos en cultivo, dependen del diseño del biorreactor y de las condiciones de operación del sistema de cultivo: caudal de aire, volumen del líquido, régimen de agitación, área de transferencia y viscosidad del cultivo. En general, disminuyen el KLa: la viscosidad y el volumen del líquido y aumentan el KLa: el área de transferencia, la agitación y la presencia de dispositivos que aumenten una, la otra, o ambas.

La ecuación de balance de oxígeno en el estado estacionario es: d(VCO2) / dt = F (C – C*) – 

VrO2 + VNiO2 donde Ni es la velocidad de transferencia de un componente del gas (oxígeno) al 

líquido (medio). Dado que el oxígeno es el substrato limitante de la velocidad de crecimiento, cuando el cultivo se encuentra en crecimiento, el flujo de entrada oxígeno (FiO2) será mayor al flujo 

de salida de oxígeno (FfO2) debido al consumo de oxígeno disuelto en el líquido por parte de las 

células o microorganismos en crecimiento y/o división celular. En este caso, la ecuación de balance de oxígeno para células o microorganismos en crecimiento es: d(VCO2) = FiO2C – 

FfO2C* – VrO2 + VNiO2 es decir, debe utilizarse la ecuación general.

Sistema de Aireación [editar]

El sistema de aireación externamente comprende las líneas de entrada Fi y salida de aire Ff e 

internamente debe optimizar la transferencia de gases nutrientes (aire) hacia el medio líquido. Un sistema de aireación consta de cuatro partes mecánicas: fuente de aire; tubería y filtros de entrada; boquilla y difusor de aire; tubería y filtros de salida. Y tres partes de control: control de flujo aire; control de presión de aire; control de difusión de oxígeno disuelto.

Fuente de Aire: dado que el sistema de aireación, en su conjunto, depende de la correcta elección del dispositivo que suministrará la fuente de aire, se siguieren dos opciones:

1. Compresor de Aire: su principal característica es que opera con: alta presión y bajo caudal de aire; por eso, cuando operan, es de manera continua o, cuando se requiere capacidad, debe haber un tanque de almacenamiento a alta presión como parte del sistema. Una segunda e importante característica es que produce un alto nivel de ruido   80dB y una≈  tercera es que, si el compresor es de tipo pistón debe lubricarse con aceite, por lo que, ésta característica se incluye en el diseño como: autolubricado (oiless) o no lubricado (oil lubricated). Existen dos tipos de diseño constructivo para compresores de aire: 

a) El compresor de diafragma: esta diseñado para un trabajo de operación contínua; su presión operación es moderada   60 psia y como su nombre lo indica, utiliza un diafragma o fuelle para≈  impulsar y comprimir el aire. El compresor de diafragma resulta adecuado para oxigenar volúmenes medianos de cultivos o microorganismos aeróbicos.

b) El compresor de pistón: es más utilizado comercialmente, no obstante, para cultivos celulares sensibles (células de membrana plasmática), no es recomendable, por cuanto, su presión de operación es muy alta (80 psia o más) para estos cultivos y puede causar daño celular severo o la lisis de las células; y porque, el pistón debe lubricarse con aceite y esto ocasiona que se filtre en pequeñas cantidades a la corriente de aire.

1. Soplador Regenerativo: se caracteriza por funcionar como si fuera una bomba centrífuga de succión y desplazamiento de aire por lo que, opera con presión negativa (vacío) en la succión y presión positiva (compresión) en el desplazamiento. Aunque su rango de acción es pequeño: ± 20”H2O a ± 40”H2O en cuanto a las presiones de operación, su capacidad de 

desplazamiento de aire es muy alta 30 cfm  50 cfm o 1000 L/min  1500 L/min por lo que, puede movilizar grandes volúmenes de aire. 

Tubería  Línea de Aire: esta debe ser de acero inoxidable.

Filtros de las Líneas de Aire: para sistemas pequeños de diámetros de tubería estándar, se utilizan filtros en línea con la tubería; estos son de membrana microporo que filtran el 99,99% de los contaminantes. Para sistemas mayores (industriales) debe diseñarse un método de esterilizar in situ la línea de aire; generalmente se hace calentando fuertemente la línea de aire y luego enfriarla. Las membranas microporo que filtran el aire tienen un punto de burbuja que es la presión de agua máxima que pueden soportan antes de romperse (recuerde que el sistema tiene un medio líquido) y un flujo máximo el cual es el máximo caudal que puede soportar la membrana antes de su ruptura.

Sistema de Difusión de Oxígeno Disuelto: debe optimizar al máximo la transferencia de oxígeno disuelto al medio líquido. El sistema consta de dos partes mecánicas: boquilla y difusor de aire; una parte de medición: sensor de oxígeno disuelto y una de control: controlador de oxígeno disuelto.

Difusor de Aire: los cultivos aeróbicos requieren que la corriente de aire estéril que se difunda en la forma de miles de pequeñas burbujas, desde el difusor de aire, hacia el volumen del líquido; esta acción se realiza mediante un plato o domo cilíndrico de acero inoxidable finamente perforado. Alternativamente y si el sistema es pequeño o mediano en escala, se puede utilizar un difusor de material cerámico poroso el cual, tiene la ventaja de que, provee una cama más fina de burbujas (de 

menor diámetro) y mayor área de transferencia (volumen de burbujas).

Control y Regulación del Flujo de Aire: recuerde que las membranas que filtran el aire tienen un punto de burbuja y un flujo máximo por encima del cual, se rompen; por eso, se debe regular el flujo de aire y controlar la presión en la línea de aire. La forma más económica de hacerlo es manualmente, con un manómetro para presión. Existe también la versión digital, más costosa, pero que, controla de forma automática el flujo de aire y la presión, según se escoja.

Control y Medición del Oxígeno Disuelto (OD): además de regular el flujo y la presión del aire en la línea o tubería, se debe controlar el valor y la concentración del oxígeno disuelto (OD) dentro del medio líquido; variable que puede medirse en dos formas (parámetros):

a) Oxígeno Disuelto (OD): es la concentración de oxígeno disuelto requerido para la reducción química de un equivalente en iones sulfito (de sodio) a la cantidad de materia orgánica presente en el medio líquido que se debe oxidar.

b) Demanda Bioquímica Oxígeno (DBO): es la taza de oxidación biológica o demanda bioquímica de oxígeno disuelto requerida por el microorganismo o célula en cultivo para oxidar la materia orgánica presente en el medio líquido.

La tasa específica de consumo de oxígeno de un cultivo está determinada por la velocidad de transferencia de oxígeno (r02) y el KLa que la correlaciona; recuerde que: rO2 = Kla (C* C). Se 

debe conocer la r02 para poder determinar el KLa; el valor de r02 se consigue en la literatura; la concentración de oxígeno disuelto en el líquido (C) es equivalente al valor de OD, e instrumentalmente, se llama: razón de toma de oxigeno (OUR) por sus siglas en inglés; el equivalente a C* (concentración de oxígeno disuelto en el líquido en equilibrio con el gas) es la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) que, instrumentalmente se llama: razón específica de toma de oxigeno: SOUR (specific oxygen uptake rate). Ambas razones pueden medirse regularse con un controlador OUR/SOUR de uso comercial.

Una probeta o electrodo OD es un sensor que mide la concentración de oxígeno disuelto en el medio líquido. Similarmente, una probeta o electrodo BOD mide la concentración de oxígeno disuelto en el medio líquido en equilibrio con el gas. ) En ambos casos, el material de su construcción debe ser acero inoxidable y su especificación es por la longitud de inmersión (H) y diámetro (D) de la probeta.

Nota: todas la imágenes de los instrumentos y equipos fueron tomadas del Catálogo en Internet de Cole Parmer: www.coleparmer.com.

Diseño de un Fermentador Semicontínuo [editar]

Los cultivos anaeróbicos y facultativos están constituidos por células y microorganismos cuyo metabolismo ante la ausencia de oxígeno, utiliza vías metabólicas alternas para la oxidación de los compuestos que le sirven de nutrientes. En estas células y microorganismos, la respiración celular se sustituye por una ruta oxidativa alterna llamada fermentación en la que, el piruvato no produce CO2 como producto final de desecho; por el contrario, se consume CO2 y esta es incorporado, junto al 

piruvato, en la fermentación, cuyo producto final de desecho, le da nombre; por ejemplo: en la fermentación alcohólica el piruvato se oxida a acetaldehído y al final de la cadena oxidativa se produce etanol como producto final de desecho.

Un fermentador es un dispositivo de tipo tanque agitado en el que se realiza una fermentación controlada. Los fermentadores suelen operar en modo semicontínuo; por cuanto, debe alimentarse 

una línea de substrato limitante de la velocidad de crecimiento (S) para mantener el crecimiento celular o microbial durante la fermentación.

El catabolismo celular de las fermentaciones además del producto final, produce gran cantidad de subproductos de desecho y metabolitos secundarios que son excretados al medio de cultivo, por las células en cultivo, y esto genera gran cantidad de espuma en el caldo de fermentación. Las espumas modifican la acidez del medio de cultivo ya que, cambian el pH del medio de cultivo y por tanto, debe regularse y controlarse la acidez del medio adecuadamente. Adicionalmente, la turbidez y la cantidad de espuma, deben mantenerse en niveles adecuados para evitar pérdidas y el mal funcionamiento del biorreactor. Finalmente, la mayoría de los procesos fermentativos generan gran cantidad de calor debido a la naturaleza exergónica del catabolismo celular de estos microorganismos, por lo que, la temperatura también debe ser controlada.

En la mayoría de los cultivos anaeróbicos el dióxido de carbono (CO2) es el substrato limitante de la 

velocidad de crecimiento por lo que, la cinética del sistema de cultivo debe modificarse incorporando la ecuación de balance de consumo de CO2: d(VCCO2)/dt = FiCCO2i – FoCCO2o 

+ VrgCO2 – VNoCO2 Donde: CCO2 = concentración de CO2 en el líquido; rg = velocidad de 

generación; No = velocidad de transferencia de un componente del líquido al gas; i = ingreso; o = salida.

Control y Medición del CO2 Disuelto (COD): la curva de generación de CO2 se debe determinar 

experimentalmente para determinar la velocidad de consumo de sustrato limitante de la velocidad (rgCO2) del cultivo; para eso, es necesario mantener el crecimiento máximo del cultivo.

En la práctica la curva de consumo de CO2 se determina basándola en la concentración de dióxido 

de carbono disuelto (COD) en el medio de cultivo; esta puede ser medida y controlada con un dispositivo comercial diseñado para ese propósito, un controlador COD y la sonda o probeta COD respectiva.

El suministro de CO2 se obtiene con un cilindro de CO2 recargable.

La regulación del flujo de CO2 se realiza manualmente con un regulador manual de flujo o 

manómetro; se debe hacer de forma que, se mantenga la concentración máxima de de dióxido de carbono disuelto, medida en el controlador COD, para que, la velocidad específica de consumo de sustrato para mantenimiento (m) se mantenga en todo momento.

El control de flujo de CO2 se realiza utilizando una válvula solenoide electrónica que el 

controlador COD dirige al recibir la señal de la probeta COD y en base a su valor, comanda la apertura o clausura de una válvula solenoide, mediante una señal de paso (abrir o cerrar) que regula el flujo de CO2 proveniente del tanque de CO2 comprimido. Las válvulas solenoides son servo 

mecanismos eléctricamente controlados y se escogen de acuerdo al material, al número de vías, al calibre y la presión y si permanecen abiertas o cerradas, entre otros.

La difusión del CO2 en el medio líquido se realiza utilizando una boquilla de difusión o un difusor 

de gases de material cerámico poroso.

Sistema de Control de Espuma [editar]

La presencia de oxigeno en el ambiente interno del biorreactor ocasiona que los productos de 

desecho del catabolismo celular de los microorganismos facultativos, sean oxidados, por lo que, las espumas se tornan densas y “jabonosas” ocasionando serios problemas funcionales y contaminado el cultivo.

Un sistema de control de espuma (ver diagrama) consta de dos subsistemas sistemas que funcionan en conjunto:

1. Subsistema Antiespuma formado por: 

• Controlador de antiespuma: comanda la bomba peristáltica que dispensa el antiespumante y recibe la señal de medición del sensor de espuma 

• Probeta o sensor antiespuma: es el sensor que mide el nivel de espuma en el medio de cultivo; se especifica de acuerdo al tamaño del frasco dispensador de antiespumante 

• Frasco dispensador de antiespumante: debe contar con su propio sistema de filtración y equiparación de presión (externa e interna) 

1. Subsistema de Bombeo Peristáltico: formado por: 

• Mangueras flexibles; • Bomba peristáltica; • Frasco dispensador; 

El frasco dispensador es factor común en ambos subsistemas.

La bomba peristáltica “maja” la manguera flexible e impulsa el flujo del fluido antiespumante dentro del biorreactor.

La manguera flexible se escoge según el material, el tipo de bomba y la longitud; se recomienda una de silicón curado o Tygon y para un sistema de bombeo L/S (bomba sencilla de velocidad fija o variable).

Nota: la manguera flexible se conecta al sistema (biorreactor) mediante un tubo de adición de reactivo. Este debe ser de acero inoxidable y su diámetro (puerto) debe ser el diámetro interno de la manguera flexible.

Sistema de Control de pH (potencial de Hidrógeno) [editar]

El sistema controla el pH del medio de cultivo; que es generada por los productos de desecho y el metabolismo propio del cultivo celular o microorganismos. Un sistema de control de acidez consta de:

Dos subsistemas mecánicos servo controlados

1. Sistema Dispensador de Ácido: que consta de: 

• Dispensador aséptico de ácido (HCl); • Filtro microporo en línea; • Manguera flexible resistente al ácido; • Bomba peristáltica; 

1. Sistema Dispensador de Álcali: que consta de: 

• Dispensador aséptico de álcali (NaOH); • Filtro microporo en línea; • Manguera flexible resistente al álcali; • Bomba peristáltica; 

Nota: recuerde que las mangueras flexibles se deben conectar al sistema (biorreactor) mediante un tubo de adición de reactivo para cada una de ellas.

Un sistema de control formado por:

• Controlador de pH: ordena y regula la acción del motor que controla a las bombas peristálticas que suministran el ácido y el álcali. 

Un sistema de medición: formado por:

• Sensor de pH: sonda o probeta electroquímica que mide la acidez y “dice” al controlador de pH, la situación del medio. 

• pH Óptimo: toda célula y microorganismo poseen un rango de acidez (pH) dentro del cual, es posible su crecimiento con normalidad; dentro de ese rango, existe un pH óptimo en el cual el crecimiento es máximo y muy bien definido. 

Al crecer los microorganismos en ambientes naturales, su rango de pH se acerca a los valores del hábitat en que se desarrolla; el rango normal de acidez en que pueden sobrevivir la mayoría de los microorganismos es 2,0 ≥ pH ≤ 10,0. La mayoría de los hábitats tienen valores de pH de 5,9 por lo que, los microorganismos que viven en esos hábitats tienen un pH óptimo equivalente (5,9). Algunos rangos de pH óptimo son: para levaduras entre 3,5 y 5,5; para bacterias entre 6,0 y 7,5; para mohos, según la cepa, se extiende entre 3 y 7; para células en cultivo entre 6,0 y 7,5. La forma exacta de la curva de acidez es muy variada y depende del metabolismo propio de cada microorganismo o célula por lo que, no se ha formulado un modelo general y simple para representarla.

Sistema de Control de Temperatura [editar]

Mantiene estable y dentro de un rango óptimo requerido por el cultivo para su máximo crecimiento, la temperatura interna del sistema.

Un sistema de control de temperatura consta de:

Dos sistemas de intercambio térmico:

• Intercambiador de Calor: dispositivo de intercambio térmico que genera calor o absorbe el calor excedente. El intercambiador de calor de caso y tubos es el más usado y se define por su área de transferencia de calor; a mayor área de transferencia de calor, mayor capacidad de absorber calor. 

• Serpentín: medio físico por el cual el calor es absorbido o transmitido al fluido. El tubo del serpentín debe ser de acero inoxidable 304 o 316 (preferiblemente) y se recomienda que sea delgado para una mejor transferencia de calor. 

Un sistema de control:

• Controlador de Temperatura: sistema que ordena y regula la acción del motor que controla las servo válvulas que regulan el flujo de líquido frío o caliente. 

Un sistema de medición:

• Sensor de temperatura: sonda (termocopla) que mide la temperatura. 

Un servo control:

• Servo Controlador de Temperatura: controla la temperatura a la que debe abrir o cerrar la válvula solenoide. 

Un sistema regulador de paso de flujo:

• Válvula Solenoide: servo mecanismo actuador que regula el flujo (paso) de líquido por la tubería o línea de paso (abre o cierra el flujo del líquido) 

Un sistema de conducción de fluido:

• Tuberías de Conducción de Agua: el agua es fluido térmico por excelencia para la transferencia de calor por conducción a través de las paredes metálicas de la tubería. Éstas deben ser de acero inoxidable. 

Nota: las tuberías deben anclarse al cuerpo del biorreactor mediante un puerto de entrada que es soporte hermético que la sujeta a la superficie plana.

Temperatura Óptima: la temperatura es otro factor ambiental que influye y que afecta el crecimiento del cultivo microbiano y celular; poniendo el juego, la propia supervivencia de la célula o microorganismo. La temperatura afecta a las células y microorganismos cultivados de dos formas distintas:

1. Conforme aumenta la temperatura, aumenta también la velocidad de las reacciones enzimáticas y el crecimiento se hace más rápido; 

1. Por encima de un máximo temperatura, se produce la desnaturalización de las proteínas celulares y la descomposición de los componentes celulares esenciales para mantener la vida, causando la muerte de las células o microorganismos en cultivo. 

En este punto analizaremos únicamente el primer ítem; más adelante veremos el segundo. Para cada célula y microorganismo existe una temperatura mínima por debajo de la cual, no hay crecimiento; es decir se inhibe el crecimiento celular. Y una temperatura máxima por encima de la cuál, la célula o microorganismo muere. Entre ese rango de temperaturas existe una temperatura óptima para la cual, el crecimiento es el más rápido posible. Estas tres temperaturas son características de cada célula y microorganismo y pueden variar ligeramente con la composición del medio de cultivo.

Clasificación de los microorganismos de acuerdo a sus temperaturas [editar]

Tipo de microorganismo Temp. Mínima (°C) Temp. Óptima (°C) Temp. Máxima (°C)Psicrófilo 5 +5 12  15 15  20Psicrótrofo 5 +5 25  30 30  35Mesófilo 5  15 30  45 35  47Termófilo 40  45 55  75 60  90Determinación de la Temperatura Óptima de Crecimiento: se realiza desde el punto de vista cinético, aplicando la Ley de Arrhenius para el crecimiento y la muerte de células o microorganismos: dln (k)/dt = Ea/RT2; dln (k) = (Ea/R)*d(1/T) Donde: k =  máx (para el  crecimiento), k =  máx (para la muerte), T = temperatura absoluta, R = constante general de los  gases ideales, Ea = energía de activación del proceso: EC para el crecimiento, Em para la muerte; EC = 8 – 12.000 cal/gmol K (crecimiento), Em = 50 – 100.000 cal/gmol K (muerte). La realización de la curva de crecimiento EC en conjunto a la curva de muerte Em representada por su logaritmo ln (k) versus el inverso del tiempo 1/T conduce a la determinación gráfica de la temperatura óptima.

Diseño de un Biorreactor de Tanque Agitado [editar]

Componentes de Diseño de un Biorreactor de Tanque Agitado

Para lograr el cumplimiento de objetivos descritos, un biorreactor de tipo tanque agitado o CSTR (ver figura), debe contar con los siguientes componentes básicos en su diseño: [1]

• Cuerpo del Biorreactor: recipiente o contenedor que alberga al cultivo o microorganismo. El contenedor es la frontera física entre el ambiente externo contaminado y el ambiente interno controlado. Un tanque contenedor o cuerpo del biorreactor se debe construir en acero inoxidable austenítico, por sus características químicas y físicas superiores; usualmente se prefiere los aceros de las series 316. 

• Dimensionamiento del Cuerpo del Biorreactor: el primer paso en el diseño de cualquier biorreactor es dimensionar el “tamaño” del tanque o del cuerpo del biorreactor; la práctica común es, hacerlo a través de variables adimensionales: variables que representan una razón entre dos parámetros con las mismas dimensiones. De esta forma, es posible escalar; es decir cambiar de dimensión o tamaño, el biorreactor y adaptarlo a otra escala de proceso. Las principales relaciones adimensionales que se utilizan en tanques agitados son: la razón de la altura de trabajo (H) al diámetro del tanque (Dt): 3 ≤ H/Dt ≥ 1 en reactores tubulares (largos) esta relación es de 4  6; la razón del diámetro del tanque (Dt) al diámetro de las hojas o aspas (Da): ½ ≤ Da/dt ≥ ¼ cuando el régimen de agitación es laminar y las revoluciones del motor menores a 150 rpm, la relación aumenta ¾; la razón entre el diámetro de la hoja (Da) y el diámetro del espacio libre o hueco entre el rotor y el cuerpo de la hoja (Dd): 2 ≤ Da/Dd ≥ 1 en turbinas axiales y hojas planas esta relación aumenta de 2 – 4; la razón entre el ancho de la hoja o aspa (L) y el espesor o grosor de esta (W): 4 ≤ L/W ≥ 1 en turbinas axiales y hojas planas esta relación se invierte ¼ ≤ L/W ≥ 1/16. En la figura aparece como “gap” – (G) es el espacio libre que se deja cuando se utilizan baffles o dispositivos amortiguadores de la turbulencia; normalmente el valor de G es: 1/12 – 1/16 del valor de J donde J es el ancho del baffle o amortiguador; J por su parte se diseña de acuerdo al diámetro del tanque (Dt) pero valor de diseño es el mismo que el del espacio libre: 1/12Dt ≤ J ≥ 1/16Dt. (Hs), no aparece en la figura, es la altura de techo o espacio libre que se deja entre la superficie libre del líquido (H) y el techo o tapa del biorreactor, para facilitar la operación del sistema; el valor mínimo de la luz (Hs) es 10% de la altura total del tanque (Ht) y el valor máximo es 50% Ht que representa el valor mínimo de volumen de operación . Finalmente, C es la altura de piso del agitador – altura desde el fondo del tanque hasta el punto más bajo de las aspas u hojas; C se dispone en base a la altura de la columna de fluido (H), normalmente: ¼ ≥ C/H ≤ ½. 

• Sistema de Agitación: tiene la función de generar la potencia necesaria para producir una mezcla perfecta para el sistema de cultivo y producir un régimen de agitación adecuado que, maximice la difusión de gases en el líquido y minimice la producción de esfuerzos cortantes y la presión hidrodinámica local y global, para optimizar los fenómenos de transferencia de momentum, calor y masa. 

Un sistema de agitación consta de cuatro partes mecánicas:

Motor Impulsor: suministra la potencia al eje de potencia; debe ser de corriente alterna (a.c), preferiblemente de inducción y su potencia debe calcularse para manejar el doble (200%) de la potencia teórica requerida para agitar el fluido y el cultivo a Re≥3000. Motor de Inducción (A.C): dado que un biorreactor debe operar de forma continua durante todo el proceso de cultivo; se requiere un motor capaz de resistir largos periodos de operación continua y trabajo duro; por eso, el motor debe ser de inducción de corriente alterna (a.c) y debe ser acorazado, preferiblemente en acero inoxidable.

Eje trasmisor de la potencia: es una barra cilíndrica de acero inoxidable 316L y por lo general se diseña en diámetros estándar: ¾”, ½”, etcétera para mayor facilidad de ajuste a los estándares de motores a.c. Su longitud depende de la profundidad del contenedor (tanque).

Acople del Eje Transmisor: ajusta y fija al motor, el eje transmisor de potencia. Existen dos tipos de acople:

Acopleadaptador de tipo taladro el puerto de entrada se acopla al eje del motor por fijación directa. El puerto de salida es un dispositivo que se adapta a varios diámetros de broca y sujeta o abraza firmemente el eje transmisor de potencia por presión y abrasión; similar al que utilizan los taladros mecánicos.

Acopleajustador de tipo tornillorosca el puerto de entrada se “enrosca” o se fija firmemente al eje del motor. El puerto de salida es un dispositivo que “abraza” el eje transmisor de potencia por un mecanismo de tornillorosca.

En ambos casos, el diámetro del puerto de entrada del acople que es la unión de éste con el eje del motor debe ser de diámetro interno igual al diámetro externo del eje del motor y el diámetro del puerto de salida que es dispositivo sujetador del eje transmisor de potencia debe ser el mismo que el diámetro externo del respectivo eje.

Puerto de Entrada del Biorreactor: se denomina puerto a la superficie física sobre el cual se instala un dispositivo de entrada o salida al biorreactor, un anclaje o un aparato mecánico o de medición; el puerto es el medio por el cual, se ajusta o fija, tal dispositivo o artefacto a la pared o superficie del tanque o del biorreactor. Como se observa en la fotografía, el puerto de entrada es la tapa o cara superior del tanque biorreactor y en donde se anclan o sujetan todos los dispositivos y periféricos que se requieren para su operación. Cada dispositivo de anclaje o sujetador también un puerto menor cuyo diámetro externo es la superficie externa total y cuyo diámetro interno es el diámetro externo del dispositivo que sujeta. Algunos puertos tienen dos diámetros internos, cuando el dispositivo que sujetan tiene diámetro externo y diámetro interno; por ejemplo, los sensores o probetas medidores y el sello mecánico del eje del agitador.

Sello Mecánico: su función es triple: evitar la contaminación, mantener hermético el sistema, servir de amortiguador de fricción. El sello mecánico también debe permitir la esterilización in situ del biorreactor, mediante una línea de vapor sobrecalentado. Un sello mecánico, generalmente se diseña en una de dos configuraciones:

Cartucho rígido: que permite el rodamiento del eje de potencia a través de soporte de cuerpo rígido que sella y aísla el paso de cualquier materia al interior del depósito.

Cartucho flexible: que permite el rodamiento del eje de potencia a través de un soporte fijo al exterior pero flexible en el interior y que también sella y aísla el paso de contaminantes al interior del depósito.

En ambos caso el sello mecánico se especifica de acuerdo al diámetro eterno del eje transmisor de potencia; el cual es el diámetro interno del puerto del sello mecánico. Dentro de lo posible se recomienda el uso de sellos flexibles ya que amortiguan mejor las vibraciones mecánicas del eje transmisor de potencia; la desventaja es que esa flexibilidad obliga a cambiarlos más frecuente, pues el desgaste es mayor.

Eje Transmisor de Potencia: transmite la potencia del motor al impulsor, a través de, las hojas de agitación. Existen ejes en los cuales ya vienen incorporadas hojas o aspas de agitación, se diseñan para operar en uno de dos sistemas de flujo, según sea, la orientación espacial de las hojas o aletas:

Flujo axial: suministran mayor efectividad de mezclado (distribución) y reducen la potencia de mezclado requerida, al distribuir mejor la mezcla; sus hojas u aspas son planas.

Flujo radial: generan mayor potencia de mezclado (turbulencia) y pueden causar daño celular; sus hojas o aspas son del tipo hélice.

Impulsores: son los dispositivos que impulsan el fluido y el movimiento, mediante hojas o aspas unidas al eje transmisor de potencia; pueden ser del tipo mecánico (agitador) o hidráulico (turbina).

Agitadores: es un impulsor formado por hojas o aspas de agitación conectadas al eje transmisor de potencia; pueden tener una distribución de flujo axial o radial.

Los propulsores de flujo radial pueden tener gran variedad de formas y diseños; dentro de éstos, las hélices son las que más se utilizan.

Hélices: existen en tres diseños básicos que dependen de la orientación espacial:

(a) – Plano XY, (b) – Plano ZX, (c) – Plano ZY

Cada orientación (plano) describe una superficie curva que es determinada por dos (2) de tres (3) ángulos de diseño:

(a) Plano XY, determina el ángulo de inclinación ( ), este varía 15’ ≤   ≤ 45’; (b) Plano ZX,α α  determina el ángulo de torsión ( ), este varía 16’ ≤   ≤ 32’; (c) Plano ZY, determina el ángulo deβ β  tensión ( ), este varía 15’ ≤   ≤ 45’.γ γ

Como se observa en la figura:

(a) – Hélices de superficie curva en el Plano XY están determinadas por los ángulos  ,  ; (b) –α β  Hélices de superficie curva en el Plano ZX están determinadas por los ángulos  ,  ; (c) – Hélices deα γ  superficie curva en el Plano ZY están determinadas por los ángulos  ,  .γ β

Por su gran potencia y la turbulencia que generan, las hélices no se recomiendan para cultivos de células sensibles; solo deben utilizarse para cultivos bacteriales o micóticos y a bajas velocidades de rotación.

Turbinas: es un impulsor de flujo axial el cual opera como una centrífuga que distribuye el flujo de líquido a través de hojas planas, a todo el volumen de fluido.

El impulso axial ha demostrado ser la forma más eficiente de diseño para reducir esfuerzos cortantes e hidrodinámicos y disminuir la turbulencia y la potencia requerida para homogenizar el mezclado; objetivo que se persigue en una mezcla perfecta. Por eso se recomienda impulsores de flujo axial para cultivar células sensibles o de membrana plasmática. Dentro de éstas, la turbina Rushton (b) es el impulsor de flujo axial más recomendado y más eficiente para generar una mezcla perfecta de alto perfil hidrodinámico, bajo en esfuerzos cortantes y alto en distribución.

Y una de control:

Control de Velocidad del Motor: los motores de inducción de corriente alterna (a.c) tienen velocidades nominales de rotación de 1800rpm o 3600rpm. Estas velocidades son muy altas para los sistemas biológicos causando la destrucción de las células y microorganismos en cultivo. La velocidad de rotación del motor debe entonces reducirse a un máximo de 600rpm (revoluciones por minuto) para que no cause daño celular. Usualmente se acopla a la salida de eje del rotor una caja de reducción de 1/3 o 1/6 para bajar la velocidad de rotación a 600rpm. Adicionalmente se coloca un control de velocidad que puede ser analógico o digital al motor para un control más fino y preciso de la velocidad de rotación.

Agitación y Mezclado

Relaciones de Potencia y Mezclado: conforme el diámetro de la hoja o aspa (Dd) aumenta, también lo hace, la potencia (Pt) requerida para realizar el trabajo de mezclado; la potencia de mezclado (Pm) es mayor porque el torque ( ) se acrecienta, recuerde que el torque es la relaciónτ  

entre la fuerza (F) y el brazo de palanca (r) y que, el brazo de palanca es el diámetro del aspa u hoja cuyo momentum (mv) aumenta al aumentar la velocidad de rotación ( ). Así entonces, cuando Ddω  es muy grande, debe disminuirse   para reducir Pt; pero esto ocasiona que Pm también se contraiga;ω  así como la turbulencia excesiva. Caso contrario ocurre cuando Dd es muy pequeño, debe aumentarse   para mejorar Pm y extender la turbulencia, ya que, en estos casos, es localizada (seω  acumula alrededor de las aspas y hojas). Este fenómeno local que se conoce como potencia fluida (Pf) provoca que el volumen de líquido que es afectado por la turbulencia local (Rex) no sea suficiente para oxigenar los tejidos y células en cultivo pues el Kla disminuye. Para que la Pf se transmita a todo el volumen de operación del fluido, es necesario que, se alcance el estado estacionario (EE) en dicha operación, y esto toma mucho tiempo lo que implica, un alto costo. La mejor forma de combinar positivamente estos efectos hidrodinámicos que se contraponen; es decir: bajar Pm y aumentar Pf es optimizar Dd. A esto se le conoce como potencia óptima de mezclado (Pe) y se logra de dos maneras:

• Colocar varias hojas o paletas (23) en diámetros (Dd) descendentes y distribuidas a alturas equidistantes a lo largo de la altura de la columna de fluido (H); 

• Colocar varias hojas o paletas (23) de igual diámetro (Dd) a alturas equidistantes a lo largo de la altura de la columna de fluido (H). 

La primera alternativa minimiza la potencia de mezclado requerida y maximiza la potencia fluida al aprovechar mejor el gradiente de mezcla. La segunda aumenta la potencia de mezclado y la potencia fluida pero también, la potencia requerida y desaprovecha el gradiente de mezcla y difusión.

Utilización de Bafles: son una mejora muy utilizada ya que pueden instalarse fácilmente en los sistemas de agitación, disminuyen (deflectan) la turbulencia ocasionada por las hojas o aspas del impulsor, rompen (disgregan) los cúmulos celulares y micelios que se forman en los respectivos cultivos y mejoran la eficiencia de mezclado. La relación óptima del diámetro del bafle (Db o J) al diámetro de tanque (Dt) es: Db/Dt = 1/10–1/12. El número indicado de bafles es 4 para sistemas moderadamente agitados y 6 para sistemas turbulentos.

Análisis de Fenómenos de Transporte [editar]

Sistemas de Intercambio Térmico [editar]

La transferencia de calor es un proceso el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere por una combinación de dos o más de estos tres procesos: convección, conducción o radiación. Uno de los mecanismos térmicos (proceso) suele predominar sobre los otros dos, también es posible que los tres procesos se den simultáneamente. La conducción es el proceso dominante en los intercambiadores de calor de casco y tubos y en el tubo serpentín. Aunque el mecanismo exacto de la conducción no se comprende, se sabe que se debe al movimiento (energía cinética) de los electrones libres que se mueven por la red cristalina del sólido y transportan energía cuando existe una diferencia (gradiente) de temperatura.

Ley de Fourier: J = K T/ x Donde J = densidad de corriente de energía (J/m²s); K = conductividadδ δ  térmica (constante característica del material). La velocidad de conducción de calor (J) a través de un cuerpo sólido (medida por unidad de sección transversal) es proporcional directamente al negativo del gradiente de temperatura que existe en dicho cuerpo.

Tabla de Conductividades Térmicas y Propiedades de Metales[1]

Metal Densidad Calor específico Conductividad térmica α

Aluminio 2700 880 209,3 8,81•105

Acero 7800 460 45 1,25•105

Cobre 8900 390 389,6 11,22•105

Latón 8500 380 85,5 2,65•105

Plata 10500 230 418,7 17,34•105

Plomo 11300 130 34,6 2,35•105

Las unidades de las magnitudes están expresadas en el Sistema Internacional de Unidades de Medida.

Cálculo de Resistencias Térmicas [editar]

Para calcular la resistencia térmica es necesario transformar las ecuaciones que modelan los distintos mecanismos de transferencia de calor para que presenten la siguiente forma: (Ta  Tb) / Qpunto = expresión matemática = Rth La expresión de la resistencia térmica Rth es diferente en cada sistema y depende del mecanismo de transferencia:

Resistencia térmica en la conducción:

En estos casos se debe distinguir entre las diferentes geometrías que se presentan en cada elemento resistivo; las configuraciones geométricas más usuales: pared plana, pared cilíndrica y pared esférica.

• Cilindro • Circuito eléctrico análogo para cilindro • Paredes conectadas en serie • Circuito eléctrico análogo para paredes compuestas conectadas en serie • Paredes compuestas conectadas en paralelo • Circuito eléctrico análogo para una pared compuesta conectada en paralelo 

Intercambiadores de Calor [editar]

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor por un mecanismo mixto de convección entre la película de un líquido procesado (medio cultivo) y la pared de un sólido metálico, seguido de la conducción del calor transferido al área transversal del sólido metálico (tubo o placa) y nuevamente la transmisión de calor por convección desde la pared del sólido metálico a otro fluido procesado (agua).

Como se observa en las figuras existen diversas formas de diseñar un intercambiador de calor. Arriba: un serpentín es un tubo metálico que se encarga del intercambio térmico; el líquido refrigerante recoge (absorbe) o transmite el calor. Abajo: una camisa o chaqueta es un dispositivo cerrado de intercambio térmico; en tanto que, un regenerador de calor es un dispositivo abierto. En todos los casos el mecanismo mixto de intercambio térmico es la convección que conduce el calor entre sólidos metálicos estáticos y superficies fluidas móviles.

Intercambiadores de Tubos:

• Doble Tubo: es el tipo más sencillo de intercambiador de calor; está formado por dos tubos metálicos concéntricos (paralelos) de diámetros diferentes; el fluido que se debe calentar o enfriar entra y fluye por el tubo de menor diámetro; el fluido térmico que ejecuta la acción, fluye por el espacio anular entre los dos tubos; éste espacio es el área de transferencia de calor. 

Como se observa en la figura existen dos configuraciones para la dirección del flujo fluido:

a) Flujo paralelo: los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. b) Contraflujo: los fluidos entran por los extremos opuestos y también fluyen en sentidos opuestos.

En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frío puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente.

El caso límite ocurre cuando la temperatura de salida del fluido frío es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente.

• Compactos: son intercambiadores de calor multitubulares y están diseñados para alcanzar una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. La razón entre el área superficial de transferencia de calor y su volumen se denomina densidad de área (b). Un intercambiador con b > 700 m2/m3 se clasifica como compacto. 

Como se observa en la figura en los intercambiadores de calor compactos los dos fluidos fluyen en direcciones ortogonales entre sí (90°) esta configuración de flujo recibe el nombre de flujo cruzado y se clasifica en función del mezclado:

a) Flujo cruzado mezclado: uno de los fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones; b) Flujo cruzado no mezclado: se disponen las placas para guiar el flujo de uno de los fluidos en dirección ortogonal al otro sin que se mezclen.

• Casco y Tubos: es el tipo más común de intercambiador para aplicaciones industriales; están formados por gran cantidad de tubos metálicos contenidos dentro en un casco o carcasa metálica. Los tubos se disponen con sus ejes paralelos al eje del casco; la transferencia de calor tiene lugar, a medida que el fluido que se desea calentar o enfriar, se mueve (fluye) por el interior de los tubos metálicos; mientras que, el fluido térmico se fluye por fuera de éstos, dentro del área de transferencia encerrada por el casco. 

Como se observa en la figura los intercambiadores de casco y tubos se clasifican según:

a) Número de pasos por el casco; b) Número de pasos por los tubos.

Enlaces externos [editar]

Diseño y Fabricación de Biorreactores multipropósito y Sistemas de Control

Referencias [editar]

1. ↑   Koshkin N. I., Shirkévich M. G. (AÑO). «págs 36, 7475, 8586», Manual de Física Elemental. ditorial Mir 1975. ISBN. 

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Biorreactor"

Categorías: Bioquímica aplicada | Biotecnología | Bioingeniería

Ciclohexano

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Ciclohexano

Nombre (IUPAC) sistemáticoCiclohexano

General

Fórmula semidesarrollada

C6H12

Fórmula molecular n/d

Identificadores

Número CAS 110827

Propiedades físicas

Estado de agregación liquidoDensidad n/dMasa molar 84.160 g/molPunto de fusión 280 K (6.5 °C)Punto de ebullición 354 K (80.74 °C)Viscosidad 1.02 cP a 17 °C

Propiedades químicas

Solubilidad en agua Immiscible

Compuestos relacionados

Hidrocarburos Bencenohexano

Peligrosidad

NFPA 70431 

Frases R R11, R38, R65, R67, R50/53

Frases S S2, S9, S16, S25, S33, S60, S61, S62

Valores en el SI y en condiciones normales(0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.

Exenciones y referencias

El ciclohexano es un cicloalcano (o hidrocarburo alicíclico) formado por 6 átomos de carbono, y 12 

átomos de hidrógeno, por lo que su fórmula es C6H12. La cadena de carbonos se encuentra cerrada 

en forma de anillo. Se obtiene de la ciclación de compuestos alifáticos, o de la reducción del benceno con hidrógeno a altas presiones en presencia de un catalizador. Se funde al llegar a los 6°C.

Tamiz molecular

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Un tamiz molecular es un material que contiene poros pequeños de un tamaño preciso y uniforme que se usa como agente adsorbente para gases y líquidos. La moléculas que son lo suficientemente pequeñas para pasar a través de los poros son adsorbidas, mientras que las moléculas mayores no. A diferencia de un filtro, el proceso opera a nivel molecular. Por ejemplo, una molécula de agua puede ser lo suficientemente pequeña para pasar, mientras que otras moléculas más grandes no pueden hacerlo. Aprovechando esta propiedad, a menudo se emplean como agentes desecantes. Un tamiz molecular puede adsorber hasta un 22% de su propio peso en agua.[1]

A menudo consisten de minerales de aluminosilicatos, arcillas, vidrios porosos, carbones microporosos, zeolitas, carbón activado o compuestos sintetizados que tienen estructuras abiertas a través de las cuales pueden difundir moléculas pequeñas como las del agua o el nitrógeno.

Los tamices moleculares se usan ampliamente en la industria del petróleo, especialmente para la purificación de corrientes de gas, y en los laboratorios de química para separar compuestos y para el desecado de los reactivos. El mercurio que contiene el gas natural es extremadamente perjudicial para las tuberías de aluminio y otras partes de los equipos de licuefacción, por lo que se emplea gel de sílice en este caso.

Los métodos para regenerar los tamices moleculares incluyen los cambios de presión (como en los concentradores de oxígeno), calentamiento y purga con un gas portador (como cuando se usa en la deshidratación de etanol), o calentar al vacío extremo.

Contenido[ocultar]

• 1   Capacidades de adsorción   [  2]      [3]    

• 2 Véase    también 

• 3   Referencias 

• 4 Enlaces    externos 

//<![CDATA[if (window.showTocToggle) { var tocShowText = "mostrar"; var tocHideText = "ocultar"; showTocToggle(); } //]]>Capacidades de adsorción[2] [3] [editar]

• 3A (tamaño de poro de 3 Å): Adsorbe NH3, H2O, (pero no C2H6), bueno para secar líquidos 

polares. • 4A (tamaño de poro de 4 Å): Adsorbe H2O, CO2, SO2, H2S, C2H4, C2H6, C3H6, etanol. No 

adsorbe C3H8 e hidrocarburos superiores. Bueno para secar líquidos y gases no polares. 

• 5A (tamaño de poro de 5 Å): Adsorbe hidrocarburos normales (lineales) hasta nC4H10, 

alcoholes hasta C4H9OH, mercaptanos hasta C4H9SH. No adsorbe isocompuestos o anullos 

mayores que C4. 

• 10X (tamaño de poro de 8 Å): Adsorbe hidrocarburos ramificados y aromáticos. Útil para secar gases. 

• 13X (tamaño de poro de 10 Å): Adsorbe dinbutilamina (pero no trinbutilamina). Util para secar hexametilfosforamida. 

Véase también [editar]

• Carbón activado    • Desecante    • Arcilla    • Gel de sílice    • Zeolita    

Referencias [editar]

1. ↑   Molecular sieve,and molecular sieves study 2. ↑   Feiser and Feiser, Reagents for Organic Synthesis, Vol. 1, Wiley, New York, 1967, p. 703 3. ↑   Breck, D.W. J. Chem. Ed., 41, 678 (1964) 

Enlaces externos [editar]

• Tamices usado para atrapar un gas de efecto invernadero (en inglés).    • Patentes de tamices moleculars (en inglés).    • FAQ sobre tamices moleculares (en inglés).    • Un sistema de deshidratación de ciclo abierto que emplea tamices moleculares (en inglés).    • SigmaAldrich (en inglés).    

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Tamiz_molecular"

Investigan celdas solares que imitan la actividad de la fotosíntesis en las plantas<!google_ad_client = "pub2282669769350974";/* Biodisol banner 336x280 */google_ad_slot = "1548597365";google_ad_width = 336;google_ad_height = 280;//>google_protectAndRun("ads_core.google_render_ad", google_handleError, google_render_ad);Investigan celdas solares que imitan la actividad de la fotosíntesis en las plantas. Investigación e innovación, energía solar

A mediados de los años 1880, Charles Fritts fabricó la primera célula solar formada por selenio recubierto con una fina capa de oro y con una eficiencia del 1%. Sin embargo, no fue hasta 1954 cuando los Laboratorios Bell descubrieron accidentalmente la que sería la primera célula solar comercial, con el silicio como base. Desde entonces, la tecnología de las celdas solares ha evolucionado mucho y, hoy por hoy, el futuro pasa por las celdas ‘fotosintéticas’, un sistema que imita la actividad de la clorofila en las hojas de las plantas. En esta línea trabaja el grupo Coloides y Celdas Solares Nanoestructuradas encabezado por Juan Antonio Anta y compuesto por Elena Guillén, Pablo González, Jesús Idígoras y Thomas Berger, de Universidad Pablo de Olavide.

Actualmente coexisten en los laboratorios de investigación tres generaciones diferenciadas de células solares, que aportan distintas soluciones a un mismo problema: usar el sol como fuente de energía renovable. Las más extendidas, las de silicio, fueron las primeras en llegar al mercado y son también las más avanzadas desde un punto de vista técnico, por su larga trayectoria.

Una prueba de ello es que, pese a haber cumplido los 54 años, todavía se sigue trabajando con ellas. En este sentido, lo más novedoso es la obtención del llamado “silicio negro” por parte de investigadores de la Universidad de Hardvard, que permitirá fabricar células solares con una sensibilidad a la luz, según estimaciones, de entre 100 y 500 veces superior al silicio normal.

El segundo paso que se ha dado en esta materia son las células de película delgada. Continuando con el uso de materiales inorgánicos, donde destaca de nuevo el silicio en distintas variantes, estas placas presentan hasta ahora una eficiencia sensiblemente menor que la anterior generación, pero 

cuentan con un buen rendimiento en el espacio.

No obstante, la línea más actual abierta en este campo apuesta por el uso de materiales orgánicos. Y es que la dificultad de obtener los elementos inorgánicos con la calidad necesaria para servir como material fotovoltaico, hace estos dispositivos demasiado caros. Por ello, desde la Universidad Pablo de Olavide se está trabajando en el marco de varios proyectos, entre ellos el Consolider HOPE del Ministerio de Ciencia e Innovación, en la optimización de la llamada célula de Grätzel, que imita de manera artificial el fenómeno de la fotosíntesis y tiene, según pruebas realizadas por distintos laboratorios, una eficiencia del 11%.

A grandes rasgos, las células de Grätzel son dispositivos fotovoltaicos introducidos a inicios de los años 90, que aprovechan la combinación de un semiconductor nanoestructurado (dióxido de titanio, principalmente) y un colorante orgánico que hace las veces de captador de luz solar. Este colorante, según señala Elena Guillén, puede ser tanto sintético como natural, e incluso permite el uso de la clorofila en este tipo de células.

Apuesta por las sales iónicas 

“En los últimos meses hemos trabajado con colorantes como la eosina o el mercurocromo, derivados del xanteno, un compuesto orgánico heterocíclico; sin embargo ahora nos estamos centrando en una línea distinta, que tiene como base los líquidos iónicos, los conocidos disolventes verdes”, apunta la investigadora.

Este cambio de objeto de investigación se debe a que, además de encontrar el colorante más adecuado, un aspecto importante a abordar en este tipo de tecnología es el problema de la evaporación de los compuestos líquidos en las células. Para esto, el grupo encabezado por el profesor Anta está trabajando con distintos tipos de sales iónicas que presentan la característica de no evaporarse a temperatura ambiente.

“Pese a su estado líquido, este tipo de disolventes presenta una viscosidad alta, por lo que en los próximos meses vamos a seguir con el estudio trabajando en distintas alternativas dentro de los líquidos iónicos, su síntesis, etc.” señala Elena Guillén.

Pros y contras de la nueva generación 

Aunque ya están puestas a la venta algunas células solares de tercera generación (por ejemplo, para la recarga de teléfonos móviles), su utilización práctica es anecdótica, según los investigadores. Sin embargo, por sus características de flexibilidad y variedad de colores y formas, el futuro de estas celdas está en nuevos nichos de mercado que pasan por la decoración o por su uso en ventanas de colores que, mientras dejan pasar la luz, aprovechan para generar electricidad.

Por otro lado, a la rápida recuperación del coste energético de la producción se estima que en un año de uso se le suma un bajo coste con respecto a los materiales. “Lo orgánico, normalmente, suele ser más barato”, afirma la investigadora, pese a que aún se sigue trabajando en la búsqueda de un colorante orgánico alternativo al usado actualmente, derivado del rutenio. “La paradoja está en que, si usas estas celdas porque su punto competitivo frente al silicio es que son más baratas y ampliamente disponibles, pero utilizas como colorante uno basado en material precioso, ¿cuál es la ventaja?” apunta Elena Guillén.

Por otro lado, en el apartado de las desventajas, los investigadores encuentran que es una tecnología relativamente nueva se inventó en el año 91 este tipo de celda a la que todavía le queda mucho para desarrollarse. Además, el máximo de eficiencia en un laboratorio es del 11%, que es competitivo, pero cuando se extrapola a escala industrial, disminuye.

Sin embargo, el principal reto tecnológico actualmente está en el problema de la degradación de las celdas. “Si usas un colorante orgánico, éste puede degradarse por la acción de la luz solar, 

disminuyendo su periodo de vida con respecto a las celdas de silicio. Por otra parte, en nuestro grupo trabajamos en uno de los aspectos fundamentales de la mejora de la estabilidad de las celdas: evitar el uso de medios líquidos que puedan presentar problemas de evaporación, etc., donde nuestra apuesta, como hemos comentado, está en las sales iónicas”, subraya la investigadora.

Liofilización 

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In a typical phase diagram , the boundary between gas and liquid runs from the triple point to the critical point. En un diagrama de fases típicas, la frontera entre el gas y el líquido corre desde el punto triple que el punto crítico. Freezedrying (blue arrow) brings the system around the triple point , avoiding the direct liquidgas transition seen in ordinary drying (green arrow). La liofilización (flecha azul) lleva el sistema alrededor del punto triple, evitando que el líquido directo de transición de gas vista en común de secado (flecha verde). 

Freezedrying (also known as lyophilization or cryodesiccation ) is a dehydration process typically used to preserve a perishable material or make the material more convenient for transport. La liofilización (también conocido como la liofilización o cryodesiccation) es un proceso de deshidratación, normalmente se utiliza para preservar un material perecedero o hacer el material más conveniente para el transporte. Freezedrying works by freezing the material and then reducing the surrounding pressure and adding enough heat to allow the frozen water in the material to sublime directly from the solid phase to the gas phase. La liofilización obras de la congelación del material y la reducción de la presión circundante y la adición de calor suficiente como para permitir que el agua congelada en el material a lo sublime directamente de la fase sólida a la fase gaseosa. 

Contents Contenidos [hide]

• 1 The freezedrying process    1 El proceso de liofilización 

• 1.1 Freezing    1.1 Congelación 

• 1.2 Primary drying    1,2 Primaria de secado 

• 1.3 Secondary    drying 1,3 Secundaria de secado 

• 2 Properties of freezedried    products 2 Propiedades de los productos liofilizados 

• 3 Freezedrying protectants    3 liofilización protectores 

• 4 Applications of freeze   drying 4 Aplicaciones de la liofilización 

• 4.1 Pharmaceutical    and biotechnology 4,1 farmacéuticos y la biotecnología 

• 4.2 Food industry    4.2 Industria de la Alimentación 

• 4.3 Technological    industry 4,3 de la industria tecnológica 

• 4.4 Other uses    4.4 Otros usos 

• 5 Freezedrying equipment    5 equipos de secado por congelación 

• 6 See also    6 Ver también • 7 References    7 Referencias • 8 External links    8 Enlaces 

externos 

//<![CDATA[if (window.showTocToggle) { var tocShowText = "show"; var tocHideText = "hide"; showTocToggle(); } //]]>[ edit ] The freezedrying process [Editar] El proceso de liofilización There are three stages in the complete drying process: freezing, primary drying, and secondary drying. Hay tres etapas en el proceso de secado completo: congelación, desecación primaria y secundaria de secado. 

[ edit ] Freezing [Editar] Congelación In a lab, this is often done by placing the material in a freezedrying flask and rotating the flask in a bath, called a shell freezer, which is cooled by mechanical refrigeration, dry ice and methanol , or liquid nitrogen . En un laboratorio, esto se hace a menudo colocando el material en un matraz de liofilización y rotando el matraz en un baño, un congelador llamado depósito, que se enfría por refrigeración mecánica, hielo seco y el metanol o el nitrógeno líquido. On a largerscale, freezing is usually done using a freezedrying machine. A mayor escala, la congelación se realiza habitualmente mediante una máquina de secado por congelación. In this step, it is important to cool the material below its triple point , the lowest temperature at which the solid and liquid phases of the material can coexist. En este paso, es importante para enfriar el material por debajo de su punto triple, la más baja temperatura a la cual las fases sólida y líquida del material pueden coexistir. This ensures that sublimation rather than melting will occur in the following steps. Esto asegura que la sublimación en lugar de la fusión se producirá en los siguientes pasos. Larger crystals are easier to freezedry. Cristales más grandes son más fáciles de liofilizar. To produce larger crystals, the product should be frozen slowly or can be cycled up and down in temperature. Para producir cristales más grandes, el producto debe ser congelado lentamente o puede ser dispuesta de arriba abajo de la temperatura. This cycling process is called annealing . Este proceso se llama ciclo de recocido. However, in the case of food, or objects with formerlyliving cells, large ice crystals will break the cell walls (discovered by Clarence Birdseye ), resulting in cell destruction, and, in the case of rehydrated foods, a poor texture. Sin embargo, en el caso de los alimentos, o con los objetos anteriormentelas células vivas, los cristales de hielo que romper las paredes celulares (descubierto por Clarence Birdseye), resultando en la destrucción de la célula, y, en el caso de los alimentos rehidratado, una textura pobre. In this case, freezing is done rapidly, in order to lower the material to below its eutectic point quickly, thus avoiding the formation of ice crystals. En este caso, la congelación se realiza rápidamente, a fin de bajar el material por debajo de su punto eutéctico rápidamente, evitando así la formación de cristales de hielo. Usually, the freezing temperatures are between −50 °C and −80 °C. Por lo general, las temperaturas de congelación se encuentran entre 50 ° C y 80 ° C. The freezing phase is the most critical in the whole freezedrying process, because the product can be spoiled if badly done. La fase de congelación es la más crítica en la congelación de todo el proceso de secado, porque el producto se puede estropear si mal hecho. 

Amorphous materials do not have a eutectic point, but do have a critical point, below which the product must be maintained to prevent meltback or collapse during primary and secondary drying. Materiales amorfos no tienen un punto eutéctico, pero tiene un punto crítico, por debajo del cual el producto debe mantenerse para evitar la fusión de devolución o el colapso durante la primaria y secundaria de secado. 

Large objects take a few months to freezedry. Los objetos grandes tomar unos meses para liofilizar. 

[ edit ] Primary drying [Editar] Primaria de secado During the primary drying phase, the pressure is lowered (to the range of a few millibars ), and enough heat is supplied to the material for the water to sublimate . Durante la fase de secado primario, la presión es baja (para el rango de una milibares pocos), y se suministra suficiente calor al material que el agua se sublima. The amount of heat necessary can be calculated using the sublimating molecules' latent heat of sublimation . La cantidad de calor necesario se puede calcular utilizando el calor de las moléculas sublimar 'latente de sublimación. In this initial drying phase, about 95% of the water in the material is sublimated. En esta fase inicial de secado, se sublima el 95% del agua en el material. This phase may be slow (can be several days in the industry), because, if too much heat is added, the material's structure could be altered. Esta fase puede ser lento (puede ser de varios días en la industria), porque, si se añade un exceso de calor, la estructura del material puede ser alterado. 

In this phase, pressure is controlled through the application of partial vacuum . En esta fase, la presión se controla mediante la aplicación de vacío parcial. The vacuum speeds sublimation, making it useful as a deliberate drying process. La sublimación del vacío velocidades, por lo que es útil como un proceso de secado deliberada. Furthermore, a cold condenser chamber and/or condenser plates provide a surface(s) for the water vapour to resolidify on. Además, una cámara de condensación fría y / o placas de condensador ofrecen una superficie (s) para el vapor de agua para volver a solidificar el. This condenser plays no role in keeping the material frozen; rather, it prevents water vapor from reaching the vacuum pump, which could degrade the pump's performance. Este condensador no desempeña ningún papel en el mantenimiento del material congelado, sino que impide que el vapor de agua llegue a la bomba de vacío, lo que podría degradar el rendimiento de la bomba. Condenser temperatures are typically below −50 °C (−60 °F). Temperaturas de condensador son típicamente inferior a 50 ° C (60 ° F). 

It is important to note that, in this range of pressure, the heat is brought mainly by conduction or radiation; the convection effect is considered to be inefficient. Es importante señalar que, en este rango de presión, el calor se lleva principalmente por conducción o radiación, el efecto de convección se considera ineficiente. 

[ edit ] Secondary drying [Editar] Secundaria de secado The secondary drying phase aims to remove unfrozen water molecules, since the ice was removed in the primary drying phase. La fase de secado secundaria tiene como objetivo eliminar las moléculas de agua no congelada, ya que el hielo se eliminó en la fase de secado primario. This part of the freezedrying process is governed by the material's adsorption isotherms . Esta parte del proceso de secado por congelación se rige por las isotermas de adsorción del material. In this phase, the temperature is raised higher than in the primary drying phase, and can even be above 0 °C, to break any physicochemical interactions that have formed between the water molecules and the frozen material. En esta fase, la temperatura se eleva más alto que en la fase de secado primario, e incluso puede estar por encima de 0 ° C, para romper cualquier interacciones físicoquímicas que se forman entre las moléculas de agua y el material congelado. Usually the pressure is also lowered in this stage to encourage desorption (typically in the range of microbars, or fractions of a pascal ). Normalmente la presión se reduce también en esta etapa para alentar la desorción (típicamente en el rango de microbares, o fracciones de Pascal). However, there are products that benefit from increased pressure as well. Sin embargo, hay productos que se benefician del aumento de la presión también. 

After the freezedrying process is complete, the vacuum is usually broken with an inert gas, such as nitrogen, before the material is sealed. Después de que el proceso de secado por congelación es 

completa, el vacío es generalmente roto con un gas inerte, como nitrógeno, antes de ser sellado el material. 

At the end of the operation, the final residual water content in the product is extremely low, around 1% to 4%. Al final de la operación, el contenido final de aguas residuales en el producto es extremadamente bajo, alrededor del 1% al 4%. 

[ edit ] Properties of freezedried products [Editar] Propiedades de productos liofilizados If a freezedried substance is sealed to prevent the reabsorption of moisture, the substance may be stored at room temperature without refrigeration, and be protected against spoilage for many years. Si una sustancia liofilizada es sellado para evitar la reabsorción de la humedad, la sustancia puede ser almacenado a temperatura ambiente sin refrigeración, y estar protegidos contra el deterioro durante muchos años. Preservation is possible because the greatly reduced water content inhibits the action of microorganisms and enzymes that would normally spoil or degrade the substance. La preservación es posible porque el contenido de agua reducido en gran medida inhibe la acción de microorganismos y enzimas que normalmente se estropean o degradar la sustancia. 

Freezedrying also causes less damage to the substance than other dehydration methods using higher temperatures. El secado por congelación también causa menos daño a la sustancia de los métodos de deshidratación de otros utilizando temperaturas más altas. Freezedrying does not usually cause shrinkage or toughening of the material being dried. La liofilización no suele causar contracción o endurecimiento del material a secar. In addition, flavours, smells and nutritional content generally remain unchanged, making the process popular for preserving food [ 1 ] . Además, los sabores, los olores y el contenido nutricional en general, no han cambiado, haciendo que el proceso popular para la conservación de alimentos [1]. However, water is not the only chemical capable of sublimation , and the loss of other volatile compounds such as acetic acid (vinegar) and alcohols can yield undesirable results. Sin embargo, el agua no es el único producto químico capaz de sublimación, y la pérdida de otros compuestos volátiles, como el ácido acético (vinagre) y alcoholes pueden producir resultados no deseados. 

Freezedried products can be rehydrated (reconstituted) much more quickly and easily because the process leaves microscopic pores. Productos liofilizados pueden ser rehidratado (reconstituido) mucho más rápida y fácilmente porque el proceso de hojas de poros microscópicos. The pores are created by the ice crystals that sublimate, leaving gaps or pores in their place. Los poros son creados por los cristales de hielo que se sublima, dejando huecos o poros en su lugar. This is especially important when it comes to pharmaceutical uses. Esto es especialmente importante cuando se trata de los usos farmacéuticos. Freezedrying can also be used to increase the shelf life of some pharmaceuticals for many years. El secado por congelación también se puede utilizar para aumentar la vida útil de algunos productos farmacéuticos durante muchos años. 

[ edit ] Freezedrying protectants [Editar] La liofilización protectores Similar to cryoprotectants , some molecules protect freezedried material. Similar a crioprotectores, algunas moléculas de proteger material liofilizado. Known as lyoprotectants, these molecules are typically polyhydroxy compounds such as sugars ( mono , di , and polysaccharides ), polyalcohols , and their derivatives. Trehalose and sucrose are natural lyoprotectants. Conocido como lyoprotectants, estas moléculas son típicamente compuestos polihidroxilados como azúcares 

(mono, diy polisacáridos), polialcoholes y sus derivados. Trehalosa y sacarosa son lyoprotectants naturales. Trehalose is produced by a variety of plant, fungi, and invertebrate animals that remain in a state of suspended animation during periods of drought (also known as anhydrobiosis ). La trehalosa es producido por una variedad de plantas, hongos y animales invertebrados que se mantienen en un estado de animación suspendida durante los períodos de sequía (también conocido como anhidrobiosis). 

[ edit ] Applications of freezedrying [Editar] Aplicaciones de la liofilización 

[ edit ] Pharmaceutical and biotechnology [Editar] farmacéutica y la biotecnología Pharmaceutical companies often use freezedrying to increase the shelf life of products, such as vaccines and other injectables. Las empresas farmacéuticas utilizan a menudo la liofilización para aumentar la vida útil de los productos, tales como vacunas y otros inyectables. By removing the water from the material and sealing the material in a vial, the material can be easily stored, shipped, and later reconstituted to its original form for injection. Al eliminar el agua de los materiales y sellar el material en un vial, el material puede ser fácilmente almacenado, transportado, y luego reconstituido a su forma original para la inyección. 

[ edit ] Food industry [Editar] Industria de la alimentación 

Freezedried coffee El café liofilizado 

Freezedrying is used to preserve food and make it very lightweight. La liofilización se utiliza para conservar los alimentos y hacen que sea muy ligero. The process has been popularized in the forms of freezedried ice cream , an example of astronaut food. El proceso se ha popularizado en forma de liofilizado de helado, un ejemplo de la alimentación de astronautas. It is also popular and convenient for hikers because the reduced weight allows them to carry more food and reconstitute it with available water. Instant coffee is sometimes freezedried, despite high costs of freezedryers. También es popular y conveniente para los senderistas, porque el reducido peso les permite llevar más alimentos y reconstituye con agua disponible. Café soluble a veces es liofilizada, a pesar de los altos costos de congelaciónsecadoras. The coffee is often dried by vaporization in a hot air flow, or by projection on hot metallic plates. El café es secado por vaporización a menudo en un flujo de aire caliente, o por proyección en caliente placas metálicas. Freezedried fruit is used in some breakfast cereal. Liofilizado de fruta se utiliza en algunos cereales para el desayuno. Culinary herbs are also freezedried, although airdried herbs are far more common and less expensive. Las hierbas 

culinarias también son liofilizados, aunque aire hierbas secas son mucho más comunes y menos costosos. However, the freezedrying process is used more commonly in the pharmaceutical industry. Sin embargo, el proceso de secado por congelación se utiliza más comúnmente en la industria farmacéutica. 

[ edit ] Technological industry [Editar], la industria tecnológica In chemical synthesis , products are often lyophilized to make them more stable, or easier to dissolve in water for subsequent use. En síntesis química, los productos son a menudo liofilizado para hacerlas más estables, o más fácil de disolver en agua para su uso posterior. 

In bioseparations, freezedrying can be used also as a latestage purification procedure, because it can effectively remove solvents. En bioseparations, el secado por congelación se puede utilizar también como un procedimiento de dos etapas finales de la purificación, ya que puede eliminar eficazmente los disolventes. Furthermore, it is capable of concentrating substances with low molecular weights that are too small to be removed by a filtration membrane. Además, es capaz de concentrar las sustancias de bajo peso molecular que son demasiado pequeños para ser retirados por un membrana de filtración. 

Freezedrying is a relatively expensive process. La liofilización es un proceso relativamente caro. The equipment is about three times as expensive as the equipment used for other separation processes, and the high energy demands lead to high energy costs. El equipo es aproximadamente tres veces más caro que el equipo utilizado para otros procesos de separación, y las demandas de energía de alta conducen a los altos costos energéticos. Furthermore, freezedrying also has a long process time, because the addition of too much heat to the material can cause melting or structural deformations. Además, la liofilización, también tiene un tiempo largo proceso, porque la adición de un exceso de calor al material puede producir la fusión o deformaciones estructurales. Therefore, freezedrying is often reserved for materials that are heatsensitive, such as proteins , enzymes , microorganisms , and blood plasma . Por lo tanto, la liofilización es a menudo reservada para los materiales que son sensibles al calor, tales como las proteínas, enzimas, microorganismos, y el plasma sanguíneo. The low operating temperature of the process leads to minimal damage of these heatsensitive products La temperatura de funcionamiento de bajo del proceso conduce a un daño mínimo de estos productos sensibles al calor 

[ edit ] Other uses [Editar] Otros usos Organizations such as the Document Conservation Laboratory at the United States National Archives and Records Administration (NARA) have done studies on freezedrying as a recovery method of waterdamaged books and documents. Organizaciones como el laboratorio de la conservación de documentos en los Estados Unidos, National Archives and Records Administration (NARA) han hecho estudios sobre la liofilización como método de recuperación de agua dañados por los libros y documentos. While recovery is possible, restoration quality depends on the material of the documents. Si bien la recuperación es posible, la calidad de la restauración depende del material de los documentos. If a document is made of a variety of materials, which have different absorption properties, expansion will occur at a nonuniform rate, which could lead to deformations. Si un documento está hecho de una variedad de materiales, que tienen propiedades de absorción diferentes, la expansión se producirá en una tasa de no uniforme, que podría dar lugar a deformaciones. Water can also cause mold to grow or make inks bleed. El agua también puede causar la formación de moho o hacer tintas de sangrar. In these cases, freezedrying may not be an effective restoration method. En estos casos, el secado por congelación no puede ser un método eficaz de restauración. 

In bacteriology freezedrying is used to conserve special strain . En la congelación de bacteriología de secado se utiliza para conservar la cepa especial. 

In highaltitude environments, the low temperatures and pressures can sometimes produce natural mummies by a process of freezedrying. En entornos de alta altitud, las bajas temperaturas y las presiones a veces pueden producir momias naturales por un proceso de liofilización. 

Advanced ceramics processes sometimes use freezedrying to create a formable powder from a sprayed slurry mist. Cerámica avanzada procesos a veces utilizan la liofilización para crear un polvo configurable de una niebla purines rociado. Freezedrying creates softer particles with a more homogeneous chemical composition than traditional hot spray drying , but it is also more expensive. La liofilización crea más suave las partículas con una composición química más homogénea que la pulverización en caliente tradicional de secado, pero también es más caro. 

Recently, some taxidermists have begun using freezedrying to preserve animals, such as pets . [ 2 ] Recientemente, algunos taxidermistas han comenzado a utilizar el secado por congelación para preservar los animales, como mascotas. [2] 

Freeze drying is also used for floral preservation. La liofilización se utiliza también para la preservación de flores. Wedding bouquet preservation has become very popular with brides who want to preserve their wedding day flowers [ 3 ] La preservación ramo de bodas se ha vuelto muy popular con las novias que quieren preservar sus flores día de la boda [3] 

[ edit ] Freezedrying equipment [Editar] La liofilización equipo 

Benchtop manifold freezedryer. Congelación de mesa variedad de pelo. 

There are essentially three categories of freezedryers: rotary evaporators, manifold freezedryers, and tray freezedryers. Hay esencialmente tres categorías de liofilizadores: evaporadores rotatorios, congelar múltiplessecadoras, y congelar la bandejasecadoras. 

Rotary freezedryers are usually used with liquid products, such as pharmaceutical solutions and tissue extracts . Congelación de Rotary secadores se utilizan generalmente con productos líquidos, como las soluciones farmacéuticas y de extractos de tejidos. 

 

Unloading trays of freezedried material from a small cabinettype freezedryer Descarga de bandejas de material liofilizado de un pequeño armario congelación de tipo de pelo 

Manifold freezedryers are usually used when drying a large amount of small containers and the product will be used in a short period of time. Manifoldsecadoras de congelación se utilizan generalmente cuando el secado de una gran cantidad de pequeños contenedores y el producto será utilizado en un corto período de tiempo. A manifold dryer will dry the product to less than 5% moisture content. Un secador de colector se seca el producto a menos del 5% de contenido de humedad. Without heat, only primary drying (removal of the unbound water) can be achieved. Sin el calor, sólo primaria de secado (eliminación del agua libre) se puede lograr. A heater must be added for secondary drying, which will remove the bound water and will produce a lower moisture content. Un calentador se debe agregar en la secundaria de secado, que se eliminará el agua de la envolvente y producirá un menor contenido de humedad. 

Production freezedryer Congelación de la producción de pelo 

Tray freezedryers are more sophisticated and are used to dry a variety of materials. Bandeja de congelaciónsecadoras son más sofisticadas y se utilizan para secar una variedad de materiales. A tray freezedryer is used to produce the driest product for longterm storage. La suspensión de la bandeja de pelo se usa para producir el más seco de productos para el almacenamiento a largo plazo. A tray freezedryer allows the product to be frozen in place and performs both primary (unbound water removal) and secondary (bound water removal) freezedrying, thus producing the driest possible endproduct. La suspensión de la bandeja de pelo permite que el producto a ser congelado en el lugar y realiza la enseñanza primaria (eliminación de agua libre) y secundaria (eliminación de agua de la envolvente) el secado por congelación, lo que produce el extremo más seco posible del producto. Tray freezedryers can dry products in bulk or in vials. Bandeja de congelaciónsecadora puede secar productos a granel o en frascos. When drying in vials, the freeze

dryer is supplied with a stoppering mechanism that allows a stopper to be pressed into place, sealing the vial before it is exposed to the atmosphere. Cuando el secado de los viales, la congelación de pelo se suministra con un mecanismo que permite tapar un tapón para ser presionado en su lugar, el cierre del vial antes de que sea expuesto a la atmósfera. This is used for longterm storage, such as vaccines. Esto se utiliza para el almacenamiento a largo plazo, tales como vacunas. 

Improved freeze drying techniques are being developed to extend the range of products that can be freeze dried, to improve the quality of the product, and to produce the product faster with less labor. Congelación de mejores técnicas de secado se están desarrollando para ampliar la gama de productos que pueden ser liofilizado, para mejorar la calidad del producto, y para producir el producto más rápido con menos mano de obra. 

Ever since the 1930s, industrial freeze drying is depended on a single type of equipment: the tray freeze dryer. Desde la década de 1930, la congelación de secado industrial se dependía de un solo tipo de equipamiento: el secador de congelación de la bandeja. In 2005 a quicker and lesslabor intensive freeze drying method is developed for bulk materials. En 2005 la congelación de la mano de obra más rápido y menos intensivo método de secado se ha desarrollado para productos a granel. This freeze drying process can produce free flowing powder from one single vessel. El congelamiento de proceso de secado puede producir polvo suelto de un solo buque. Known as [Active Freeze Drying] AFD technology. Conocido como [Liofilización Active] la tecnología de la AFD. The new proces uses continuous motion to improve mass transfer and hence cutting processing time, while also eliminating the need to transfer to and from drying trays and downstream size reduction devices. La transformación a nuevos usos movimiento continuo para mejorar la transferencia de masa y por lo tanto, reduciendo el tiempo de procesamiento, mientras que también elimina la necesidad de traslado hacia y desde las bandejas de secado y los dispositivos de reducción de tamaño intermedio. 

[ edit ] See also [Editar] Véase también • Food preservation    Conservación de alimentos • Supercritical drying    Supercrítico de secado • Freezedried Food and NASA    Liofilizada y la Alimentación de la NASA 

[ edit ] References [Editar] Referencias 1.  ̂   Freeze Dried & Dehydrated Food Explained ^ Liofilizado y Alimentos deshidratados 

Explicación 2.  ̂   http://www.tv.com/mamasfamily/catsmeow/episode/99648/summary.html ^ 

Http://www.tv.com/mamasfamily/catsmeow/episode/99648/summary.html 3.  ̂   http://www.mountainviewfreezedry.com/Wedding%20Bouquet%20Preservation

%20article.mht ^ Http://www.mountainviewfreezedry.com/Wedding% 20Bouquet% 20Preservation% 20article.mht 

• Harris, ELV and S. Angal (1989). Protein Purification Methods . Harris, ELV y S. Angal (1989). Purificación de proteínas y métodos. Oxford University Press. ISBN 0199630038 Oxford University Press. ISBN 0199630038 

• Kennedy, John F. and Joaquim MS Cabral (1993). Recovery Processes for Biological  Materials . Kennedy, John F. y Joaquim MS Cabral (1993). Procesos de recuperación de material biológico. John Wiley & Sons Ltd. John Wiley & Sons Ltd. 

• http://www.archives.gov/preservation/conservation/dryingmethods01.html    http://www.archives.gov/preservation/conservation/dryingmethods01.html 

[ edit ] External links [Editar] Enlaces externos • Freezedrying vs. Dehydration    La liofilización vs deshidratación • Pharmaceutical research, new technical developments, PAT, newest Publications    Research 

group on freezedrying of university of Erlangen, Germany (engl. Website) La investigación farmacéutica, los nuevos avances técnicos, PAT último, Publicaciones Grupo de investigación sobre la liofilización de la Universidad de Erlangen, Alemania (engl. web) 

Liofilización 

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In a typical phase diagram , the boundary between gas and liquid runs from the triple point to the critical point. En un diagrama de fases típicas, la frontera entre el gas y el líquido corre desde el punto triple que el punto crítico. Freezedrying (blue arrow) brings the system around the triple point , avoiding the direct liquidgas transition seen in ordinary drying (green arrow). La liofilización (flecha azul) lleva el sistema alrededor del punto triple, evitando que el líquido directo de transición de gas vista en común de secado (flecha verde). 

Freezedrying (also known as lyophilization or cryodesiccation ) is a dehydration process typically used to preserve a perishable material or make the material more convenient for transport. La liofilización (también conocido como la liofilización o cryodesiccation) es un proceso de deshidratación, normalmente se utiliza para preservar un material perecedero o hacer el material más conveniente para el transporte. Freezedrying works by freezing the material and then reducing the surrounding pressure and adding enough heat to allow the frozen water in the material to sublime directly from the solid phase to the gas phase. La liofilización obras de la congelación del material y la reducción de la presión circundante y la adición de calor suficiente como para permitir que el agua congelada en el material a lo sublime directamente de la fase sólida a la fase gaseosa. 

Contents Contenidos [hide]

• 1 The freezedrying process    1 El proceso de liofilización 

• 1.1 Freezing    1.1 Congelación 

• 1.2 Primary drying    1,2 Primaria de secado 

• 1.3 Secondary    drying 1,3 Secundaria de secado 

• 2 Properties of freezedried    products 2 Propiedades de los productos liofilizados 

• 3 Freezedrying protectants    3 liofilización protectores 

• 4 Applications of freeze   drying 4 Aplicaciones de la liofilización 

• 4.1 Pharmaceutical    and biotechnology 4,1 farmacéuticos y la biotecnología 

• 4.2 Food industry    4.2 Industria de la Alimentación 

• 4.3 Technological    industry 4,3 de la industria tecnológica 

• 4.4 Other uses    4.4 Otros usos 

• 5 Freezedrying equipment    5 equipos de secado por congelación 

• 6 See also    6 Ver también • 7 References    7 Referencias • 8 External links    8 Enlaces 

externos 

//<![CDATA[if (window.showTocToggle) { var tocShowText = "show"; var tocHideText = "hide"; showTocToggle(); } //]]>[ edit ] The freezedrying process [Editar] El proceso de liofilización There are three stages in the complete drying process: freezing, primary drying, and secondary drying. Hay tres etapas en el proceso de secado completo: congelación, desecación primaria y secundaria de secado. 

[ edit ] Freezing [Editar] Congelación In a lab, this is often done by placing the material in a freezedrying flask and rotating the flask in a bath, called a shell freezer, which is cooled by mechanical refrigeration, dry ice and methanol , or liquid nitrogen . En un laboratorio, esto se hace a menudo colocando el material en un matraz de liofilización y rotando el matraz en un baño, un congelador llamado depósito, que se enfría por refrigeración mecánica, hielo seco y el metanol o el nitrógeno líquido. On a largerscale, freezing is usually done using a freezedrying machine. A mayor escala, la congelación se realiza habitualmente mediante una máquina de secado por congelación. In this step, it is important to cool the material below its triple point , the lowest temperature at which the solid and liquid phases of the material can coexist. En este paso, es importante para enfriar el material por debajo de su punto triple, la más baja temperatura a la cual las fases sólida y líquida del material pueden coexistir. This ensures that sublimation rather than melting will occur in the following steps. Esto asegura que la sublimación en lugar de la fusión se producirá en los siguientes pasos. Larger crystals are easier to freezedry. Cristales más grandes son más fáciles de liofilizar. To produce larger crystals, the product should be frozen slowly or can be cycled up and down in temperature. Para producir cristales más grandes, el producto debe ser congelado lentamente o puede ser dispuesta de arriba abajo de la temperatura. This cycling process is called annealing . Este proceso se llama ciclo de recocido. However, in the case of food, or objects with formerlyliving cells, large ice crystals will break the cell walls (discovered by Clarence Birdseye ), resulting in cell destruction, and, in the case of rehydrated foods, a poor texture. Sin embargo, en el caso de los alimentos, o con los objetos anteriormentelas células vivas, los cristales de hielo que romper las paredes celulares (descubierto por Clarence Birdseye), resultando en la destrucción de la célula, y, en el caso de los alimentos rehidratado, una textura pobre. In this case, freezing is done rapidly, in order to lower the material to below its eutectic point quickly, thus avoiding the formation of ice crystals. En este caso, la congelación se realiza rápidamente, a fin de bajar el material por debajo de su punto eutéctico rápidamente, evitando así la formación de cristales de hielo. Usually, the freezing temperatures are between −50 °C and −80 °C. Por lo general, las temperaturas de congelación se encuentran entre 50 ° C y 80 ° C. The freezing phase is the most critical in the whole freezedrying process, because the product can be spoiled if badly done. La fase de congelación es la más crítica en la congelación de todo el proceso de secado, porque el producto se puede estropear si mal hecho. 

Amorphous materials do not have a eutectic point, but do have a critical point, below which the product must be maintained to prevent meltback or collapse during primary and secondary drying. Materiales amorfos no tienen un punto eutéctico, pero tiene un punto crítico, por debajo del cual el producto debe mantenerse para evitar la fusión de devolución o el colapso durante la primaria y secundaria de secado. 

Large objects take a few months to freezedry. Los objetos grandes tomar unos meses para liofilizar. 

[ edit ] Primary drying [Editar] Primaria de secado During the primary drying phase, the pressure is lowered (to the range of a few millibars ), and enough heat is supplied to the material for the water to sublimate . Durante la fase de secado primario, la presión es baja (para el rango de una milibares pocos), y se suministra suficiente calor al material que el agua se sublima. The amount of heat necessary can be calculated using the sublimating molecules' latent heat of sublimation . La cantidad de calor necesario se puede calcular utilizando el calor de las moléculas sublimar 'latente de sublimación. In this initial drying phase, about 95% of the water in the material is sublimated. En esta fase inicial de secado, se sublima el 95% del agua en el material. This phase may be slow (can be several days in the industry), because, if too much heat is added, the material's structure could be altered. Esta fase puede ser lento (puede ser de varios días en la industria), porque, si se añade un exceso de calor, la estructura del material puede ser alterado. 

In this phase, pressure is controlled through the application of partial vacuum . En esta fase, la presión se controla mediante la aplicación de vacío parcial. The vacuum speeds sublimation, making it useful as a deliberate drying process. La sublimación del vacío velocidades, por lo que es útil como un proceso de secado deliberada. Furthermore, a cold condenser chamber and/or condenser plates provide a surface(s) for the water vapour to resolidify on. Además, una cámara de condensación fría y / o placas de condensador ofrecen una superficie (s) para el vapor de agua para volver a solidificar el. This condenser plays no role in keeping the material frozen; rather, it prevents water vapor from reaching the vacuum pump, which could degrade the pump's performance. Este condensador no desempeña ningún papel en el mantenimiento del material congelado, sino que impide que el vapor de agua llegue a la bomba de vacío, lo que podría degradar el rendimiento de la bomba. Condenser temperatures are typically below −50 °C (−60 °F). Temperaturas de condensador son típicamente inferior a 50 ° C (60 ° F). 

It is important to note that, in this range of pressure, the heat is brought mainly by conduction or radiation; the convection effect is considered to be inefficient. Es importante señalar que, en este rango de presión, el calor se lleva principalmente por conducción o radiación, el efecto de convección se considera ineficiente. 

[ edit ] Secondary drying [Editar] Secundaria de secado The secondary drying phase aims to remove unfrozen water molecules, since the ice was removed in the primary drying phase. La fase de secado secundaria tiene como objetivo eliminar las moléculas de agua no congelada, ya que el hielo se eliminó en la fase de secado primario. This part of the freezedrying process is governed by the material's adsorption isotherms . Esta parte del proceso de secado por congelación se rige por las isotermas de adsorción del material. In this phase, the temperature is raised higher than in the primary drying phase, and can even be above 0 °C, to break any physicochemical interactions that have formed between the water molecules and the frozen material. En esta fase, la temperatura se eleva más alto que en la fase de secado primario, e incluso puede estar por encima de 0 ° C, para romper cualquier interacciones físicoquímicas que se forman entre las moléculas de agua y el material congelado. Usually the pressure is also lowered in this stage to encourage desorption (typically in the range of microbars, or fractions of a pascal ). Normalmente la presión se reduce también en esta etapa para alentar la desorción (típicamente en el rango de microbares, o fracciones de Pascal). However, there are products that benefit from increased pressure as well. Sin embargo, hay productos que se benefician del aumento de la presión también. 

After the freezedrying process is complete, the vacuum is usually broken with an inert gas, such as nitrogen, before the material is sealed. Después de que el proceso de secado por congelación es 

completa, el vacío es generalmente roto con un gas inerte, como nitrógeno, antes de ser sellado el material. 

At the end of the operation, the final residual water content in the product is extremely low, around 1% to 4%. Al final de la operación, el contenido final de aguas residuales en el producto es extremadamente bajo, alrededor del 1% al 4%. 

[ edit ] Properties of freezedried products [Editar] Propiedades de productos liofilizados If a freezedried substance is sealed to prevent the reabsorption of moisture, the substance may be stored at room temperature without refrigeration, and be protected against spoilage for many years. Si una sustancia liofilizada es sellado para evitar la reabsorción de la humedad, la sustancia puede ser almacenado a temperatura ambiente sin refrigeración, y estar protegidos contra el deterioro durante muchos años. Preservation is possible because the greatly reduced water content inhibits the action of microorganisms and enzymes that would normally spoil or degrade the substance. La preservación es posible porque el contenido de agua reducido en gran medida inhibe la acción de microorganismos y enzimas que normalmente se estropean o degradar la sustancia. 

Freezedrying also causes less damage to the substance than other dehydration methods using higher temperatures. El secado por congelación también causa menos daño a la sustancia de los métodos de deshidratación de otros utilizando temperaturas más altas. Freezedrying does not usually cause shrinkage or toughening of the material being dried. La liofilización no suele causar contracción o endurecimiento del material a secar. In addition, flavours, smells and nutritional content generally remain unchanged, making the process popular for preserving food [ 1 ] . Además, los sabores, los olores y el contenido nutricional en general, no han cambiado, haciendo que el proceso popular para la conservación de alimentos [1]. However, water is not the only chemical capable of sublimation , and the loss of other volatile compounds such as acetic acid (vinegar) and alcohols can yield undesirable results. Sin embargo, el agua no es el único producto químico capaz de sublimación, y la pérdida de otros compuestos volátiles, como el ácido acético (vinagre) y alcoholes pueden producir resultados no deseados. 

Freezedried products can be rehydrated (reconstituted) much more quickly and easily because the process leaves microscopic pores. Productos liofilizados pueden ser rehidratado (reconstituido) mucho más rápida y fácilmente porque el proceso de hojas de poros microscópicos. The pores are created by the ice crystals that sublimate, leaving gaps or pores in their place. Los poros son creados por los cristales de hielo que se sublima, dejando huecos o poros en su lugar. This is especially important when it comes to pharmaceutical uses. Esto es especialmente importante cuando se trata de los usos farmacéuticos. Freezedrying can also be used to increase the shelf life of some pharmaceuticals for many years. El secado por congelación también se puede utilizar para aumentar la vida útil de algunos productos farmacéuticos durante muchos años. 

[ edit ] Freezedrying protectants [Editar] La liofilización protectores Similar to cryoprotectants , some molecules protect freezedried material. Similar a crioprotectores, algunas moléculas de proteger material liofilizado. Known as lyoprotectants, these molecules are typically polyhydroxy compounds such as sugars ( mono , di , and polysaccharides ), polyalcohols , and their derivatives. Trehalose and sucrose are natural lyoprotectants. Conocido como lyoprotectants, estas moléculas son típicamente compuestos polihidroxilados como azúcares 

(mono, diy polisacáridos), polialcoholes y sus derivados. Trehalosa y sacarosa son lyoprotectants naturales. Trehalose is produced by a variety of plant, fungi, and invertebrate animals that remain in a state of suspended animation during periods of drought (also known as anhydrobiosis ). La trehalosa es producido por una variedad de plantas, hongos y animales invertebrados que se mantienen en un estado de animación suspendida durante los períodos de sequía (también conocido como anhidrobiosis). 

[ edit ] Applications of freezedrying [Editar] Aplicaciones de la liofilización 

[ edit ] Pharmaceutical and biotechnology [Editar] farmacéutica y la biotecnología Pharmaceutical companies often use freezedrying to increase the shelf life of products, such as vaccines and other injectables. Las empresas farmacéuticas utilizan a menudo la liofilización para aumentar la vida útil de los productos, tales como vacunas y otros inyectables. By removing the water from the material and sealing the material in a vial, the material can be easily stored, shipped, and later reconstituted to its original form for injection. Al eliminar el agua de los materiales y sellar el material en un vial, el material puede ser fácilmente almacenado, transportado, y luego reconstituido a su forma original para la inyección. 

[ edit ] Food industry [Editar] Industria de la alimentación 

Freezedried coffee El café liofilizado 

Freezedrying is used to preserve food and make it very lightweight. La liofilización se utiliza para conservar los alimentos y hacen que sea muy ligero. The process has been popularized in the forms of freezedried ice cream , an example of astronaut food. El proceso se ha popularizado en forma de liofilizado de helado, un ejemplo de la alimentación de astronautas. It is also popular and convenient for hikers because the reduced weight allows them to carry more food and reconstitute it with available water. Instant coffee is sometimes freezedried, despite high costs of freezedryers. También es popular y conveniente para los senderistas, porque el reducido peso les permite llevar más alimentos y reconstituye con agua disponible. Café soluble a veces es liofilizada, a pesar de los altos costos de congelaciónsecadoras. The coffee is often dried by vaporization in a hot air flow, or by projection on hot metallic plates. El café es secado por vaporización a menudo en un flujo de aire caliente, o por proyección en caliente placas metálicas. Freezedried fruit is used in some breakfast cereal. Liofilizado de fruta se utiliza en algunos cereales para el desayuno. Culinary herbs are also freezedried, although airdried herbs are far more common and less expensive. Las hierbas 

culinarias también son liofilizados, aunque aire hierbas secas son mucho más comunes y menos costosos. However, the freezedrying process is used more commonly in the pharmaceutical industry. Sin embargo, el proceso de secado por congelación se utiliza más comúnmente en la industria farmacéutica. 

[ edit ] Technological industry [Editar], la industria tecnológica In chemical synthesis , products are often lyophilized to make them more stable, or easier to dissolve in water for subsequent use. En síntesis química, los productos son a menudo liofilizado para hacerlas más estables, o más fácil de disolver en agua para su uso posterior. 

In bioseparations, freezedrying can be used also as a latestage purification procedure, because it can effectively remove solvents. En bioseparations, el secado por congelación se puede utilizar también como un procedimiento de dos etapas finales de la purificación, ya que puede eliminar eficazmente los disolventes. Furthermore, it is capable of concentrating substances with low molecular weights that are too small to be removed by a filtration membrane. Además, es capaz de concentrar las sustancias de bajo peso molecular que son demasiado pequeños para ser retirados por un membrana de filtración. 

Freezedrying is a relatively expensive process. La liofilización es un proceso relativamente caro. The equipment is about three times as expensive as the equipment used for other separation processes, and the high energy demands lead to high energy costs. El equipo es aproximadamente tres veces más caro que el equipo utilizado para otros procesos de separación, y las demandas de energía de alta conducen a los altos costos energéticos. Furthermore, freezedrying also has a long process time, because the addition of too much heat to the material can cause melting or structural deformations. Además, la liofilización, también tiene un tiempo largo proceso, porque la adición de un exceso de calor al material puede producir la fusión o deformaciones estructurales. Therefore, freezedrying is often reserved for materials that are heatsensitive, such as proteins , enzymes , microorganisms , and blood plasma . Por lo tanto, la liofilización es a menudo reservada para los materiales que son sensibles al calor, tales como las proteínas, enzimas, microorganismos, y el plasma sanguíneo. The low operating temperature of the process leads to minimal damage of these heatsensitive products La temperatura de funcionamiento de bajo del proceso conduce a un daño mínimo de estos productos sensibles al calor 

[ edit ] Other uses [Editar] Otros usos Organizations such as the Document Conservation Laboratory at the United States National Archives and Records Administration (NARA) have done studies on freezedrying as a recovery method of waterdamaged books and documents. Organizaciones como el laboratorio de la conservación de documentos en los Estados Unidos, National Archives and Records Administration (NARA) han hecho estudios sobre la liofilización como método de recuperación de agua dañados por los libros y documentos. While recovery is possible, restoration quality depends on the material of the documents. Si bien la recuperación es posible, la calidad de la restauración depende del material de los documentos. If a document is made of a variety of materials, which have different absorption properties, expansion will occur at a nonuniform rate, which could lead to deformations. Si un documento está hecho de una variedad de materiales, que tienen propiedades de absorción diferentes, la expansión se producirá en una tasa de no uniforme, que podría dar lugar a deformaciones. Water can also cause mold to grow or make inks bleed. El agua también puede causar la formación de moho o hacer tintas de sangrar. In these cases, freezedrying may not be an effective restoration method. En estos casos, el secado por congelación no puede ser un método eficaz de restauración. 

In bacteriology freezedrying is used to conserve special strain . En la congelación de bacteriología de secado se utiliza para conservar la cepa especial. 

In highaltitude environments, the low temperatures and pressures can sometimes produce natural mummies by a process of freezedrying. En entornos de alta altitud, las bajas temperaturas y las presiones a veces pueden producir momias naturales por un proceso de liofilización. 

Advanced ceramics processes sometimes use freezedrying to create a formable powder from a sprayed slurry mist. Cerámica avanzada procesos a veces utilizan la liofilización para crear un polvo configurable de una niebla purines rociado. Freezedrying creates softer particles with a more homogeneous chemical composition than traditional hot spray drying , but it is also more expensive. La liofilización crea más suave las partículas con una composición química más homogénea que la pulverización en caliente tradicional de secado, pero también es más caro. 

Recently, some taxidermists have begun using freezedrying to preserve animals, such as pets . [ 2 ] Recientemente, algunos taxidermistas han comenzado a utilizar el secado por congelación para preservar los animales, como mascotas. [2] 

Freeze drying is also used for floral preservation. La liofilización se utiliza también para la preservación de flores. Wedding bouquet preservation has become very popular with brides who want to preserve their wedding day flowers [ 3 ] La preservación ramo de bodas se ha vuelto muy popular con las novias que quieren preservar sus flores día de la boda [3] 

[ edit ] Freezedrying equipment [Editar] La liofilización equipo 

Benchtop manifold freezedryer. Congelación de mesa variedad de pelo. 

There are essentially three categories of freezedryers: rotary evaporators, manifold freezedryers, and tray freezedryers. Hay esencialmente tres categorías de liofilizadores: evaporadores rotatorios, congelar múltiplessecadoras, y congelar la bandejasecadoras. 

Rotary freezedryers are usually used with liquid products, such as pharmaceutical solutions and tissue extracts . Congelación de Rotary secadores se utilizan generalmente con productos líquidos, como las soluciones farmacéuticas y de extractos de tejidos. 

 

Unloading trays of freezedried material from a small cabinettype freezedryer Descarga de bandejas de material liofilizado de un pequeño armario congelación de tipo de pelo 

Manifold freezedryers are usually used when drying a large amount of small containers and the product will be used in a short period of time. Manifoldsecadoras de congelación se utilizan generalmente cuando el secado de una gran cantidad de pequeños contenedores y el producto será utilizado en un corto período de tiempo. A manifold dryer will dry the product to less than 5% moisture content. Un secador de colector se seca el producto a menos del 5% de contenido de humedad. Without heat, only primary drying (removal of the unbound water) can be achieved. Sin el calor, sólo primaria de secado (eliminación del agua libre) se puede lograr. A heater must be added for secondary drying, which will remove the bound water and will produce a lower moisture content. Un calentador se debe agregar en la secundaria de secado, que se eliminará el agua de la envolvente y producirá un menor contenido de humedad. 

Production freezedryer Congelación de la producción de pelo 

Tray freezedryers are more sophisticated and are used to dry a variety of materials. Bandeja de congelaciónsecadoras son más sofisticadas y se utilizan para secar una variedad de materiales. A tray freezedryer is used to produce the driest product for longterm storage. La suspensión de la bandeja de pelo se usa para producir el más seco de productos para el almacenamiento a largo plazo. A tray freezedryer allows the product to be frozen in place and performs both primary (unbound water removal) and secondary (bound water removal) freezedrying, thus producing the driest possible endproduct. La suspensión de la bandeja de pelo permite que el producto a ser congelado en el lugar y realiza la enseñanza primaria (eliminación de agua libre) y secundaria (eliminación de agua de la envolvente) el secado por congelación, lo que produce el extremo más seco posible del producto. Tray freezedryers can dry products in bulk or in vials. Bandeja de congelaciónsecadora puede secar productos a granel o en frascos. When drying in vials, the freeze

dryer is supplied with a stoppering mechanism that allows a stopper to be pressed into place, sealing the vial before it is exposed to the atmosphere. Cuando el secado de los viales, la congelación de pelo se suministra con un mecanismo que permite tapar un tapón para ser presionado en su lugar, el cierre del vial antes de que sea expuesto a la atmósfera. This is used for longterm storage, such as vaccines. Esto se utiliza para el almacenamiento a largo plazo, tales como vacunas. 

Improved freeze drying techniques are being developed to extend the range of products that can be freeze dried, to improve the quality of the product, and to produce the product faster with less labor. Congelación de mejores técnicas de secado se están desarrollando para ampliar la gama de productos que pueden ser liofilizado, para mejorar la calidad del producto, y para producir el producto más rápido con menos mano de obra. 

Ever since the 1930s, industrial freeze drying is depended on a single type of equipment: the tray freeze dryer. Desde la década de 1930, la congelación de secado industrial se dependía de un solo tipo de equipamiento: el secador de congelación de la bandeja. In 2005 a quicker and lesslabor intensive freeze drying method is developed for bulk materials. En 2005 la congelación de la mano de obra más rápido y menos intensivo método de secado se ha desarrollado para productos a granel. This freeze drying process can produce free flowing powder from one single vessel. El congelamiento de proceso de secado puede producir polvo suelto de un solo buque. Known as [Active Freeze Drying] AFD technology. Conocido como [Liofilización Active] la tecnología de la AFD. The new proces uses continuous motion to improve mass transfer and hence cutting processing time, while also eliminating the need to transfer to and from drying trays and downstream size reduction devices. La transformación a nuevos usos movimiento continuo para mejorar la transferencia de masa y por lo tanto, reduciendo el tiempo de procesamiento, mientras que también elimina la necesidad de traslado hacia y desde las bandejas de secado y los dispositivos de reducción de tamaño intermedio. 

[ edit ] See also [Editar] Véase también • Food preservation    Conservación de alimentos • Supercritical drying    Supercrítico de secado • Freezedried Food and NASA    Liofilizada y la Alimentación de la NASA 

[ edit ] References [Editar] Referencias 1.  ̂   Freeze Dried & Dehydrated Food Explained ^ Liofilizado y Alimentos deshidratados 

Explicación 2.  ̂   http://www.tv.com/mamasfamily/catsmeow/episode/99648/summary.html ^ 

Http://www.tv.com/mamasfamily/catsmeow/episode/99648/summary.html 3.  ̂   http://www.mountainviewfreezedry.com/Wedding%20Bouquet%20Preservation

%20article.mht ^ Http://www.mountainviewfreezedry.com/Wedding% 20Bouquet% 20Preservation% 20article.mht 

• Harris, ELV and S. Angal (1989). Protein Purification Methods . Harris, ELV y S. Angal (1989). Purificación de proteínas y métodos. Oxford University Press. ISBN 0199630038 Oxford University Press. ISBN 0199630038 

• Kennedy, John F. and Joaquim MS Cabral (1993). Recovery Processes for Biological  Materials . Kennedy, John F. y Joaquim MS Cabral (1993). Procesos de recuperación de material biológico. John Wiley & Sons Ltd. John Wiley & Sons Ltd. 

• http://www.archives.gov/preservation/conservation/dryingmethods01.html    http://www.archives.gov/preservation/conservation/dryingmethods01.html 

[ edit ] External links [Editar] Enlaces externos • Freezedrying vs. Dehydration    La liofilización vs deshidratación • Pharmaceutical research, new technical developments, PAT, newest Publications    Research 

group on freezedrying of university of Erlangen, Germany (engl. Website) La investigación farmacéutica, los nuevos avances técnicos, PAT último, Publicaciones Grupo de investigación sobre la liofilización de la Universidad de Erlangen, Alemania (engl. web) 

Liofilización 

From Wikipedia, the free encyclopedia De Wikipedia, la enciclopedia libre 

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In a typical phase diagram , the boundary between gas and liquid runs from the triple point to the critical point. En un diagrama de fases típicas, la frontera entre el gas y el líquido corre desde el punto triple que el punto crítico. Freezedrying (blue arrow) brings the system around the triple point , avoiding the direct liquidgas transition seen in ordinary drying (green arrow). La liofilización (flecha azul) lleva el sistema alrededor del punto triple, evitando que el líquido directo de transición de gas vista en común de secado (flecha verde). 

Freezedrying (also known as lyophilization or cryodesiccation ) is a dehydration process typically used to preserve a perishable material or make the material more convenient for transport. La liofilización (también conocido como la liofilización o cryodesiccation) es un proceso de deshidratación, normalmente se utiliza para preservar un material perecedero o hacer el material más conveniente para el transporte. Freezedrying works by freezing the material and then reducing the surrounding pressure and adding enough heat to allow the frozen water in the material to sublime directly from the solid phase to the gas phase. La liofilización obras de la congelación del material y la reducción de la presión circundante y la adición de calor suficiente como para permitir que el agua congelada en el material a lo sublime directamente de la fase sólida a la fase gaseosa. 

Contents Contenidos [hide]

• 1 The freezedrying process    1 El proceso de liofilización 

• 1.1 Freezing    1.1 Congelación 

• 1.2 Primary drying    1,2 Primaria de secado 

• 1.3 Secondary    drying 1,3 Secundaria de secado 

• 2 Properties of freezedried    products 2 Propiedades de los productos liofilizados 

• 3 Freezedrying protectants    3 liofilización protectores 

• 4 Applications of freeze   drying 4 Aplicaciones de la liofilización 

• 4.1 Pharmaceutical    and biotechnology 4,1 farmacéuticos y la biotecnología 

• 4.2 Food industry    4.2 Industria de la Alimentación 

• 4.3 Technological    industry 4,3 de la industria tecnológica 

• 4.4 Other uses    4.4 Otros usos 

• 5 Freezedrying equipment    5 equipos de secado por congelación 

• 6 See also    6 Ver también • 7 References    7 Referencias • 8 External links    8 Enlaces 

externos 

//<![CDATA[if (window.showTocToggle) { var tocShowText = "show"; var tocHideText = "hide"; showTocToggle(); } //]]>[ edit ] The freezedrying process [Editar] El proceso de liofilización There are three stages in the complete drying process: freezing, primary drying, and secondary drying. Hay tres etapas en el proceso de secado completo: congelación, desecación primaria y secundaria de secado. 

[ edit ] Freezing [Editar] Congelación In a lab, this is often done by placing the material in a freezedrying flask and rotating the flask in a bath, called a shell freezer, which is cooled by mechanical refrigeration, dry ice and methanol , or liquid nitrogen . En un laboratorio, esto se hace a menudo colocando el material en un matraz de liofilización y rotando el matraz en un baño, un congelador llamado depósito, que se enfría por refrigeración mecánica, hielo seco y el metanol o el nitrógeno líquido. On a largerscale, freezing is usually done using a freezedrying machine. A mayor escala, la congelación se realiza habitualmente mediante una máquina de secado por congelación. In this step, it is important to cool the material below its triple point , the lowest temperature at which the solid and liquid phases of the material can coexist. En este paso, es importante para enfriar el material por debajo de su punto triple, la más baja temperatura a la cual las fases sólida y líquida del material pueden coexistir. This ensures that sublimation rather than melting will occur in the following steps. Esto asegura que la sublimación en lugar de la fusión se producirá en los siguientes pasos. Larger crystals are easier to freezedry. Cristales más grandes son más fáciles de liofilizar. To produce larger crystals, the product should be frozen slowly or can be cycled up and down in temperature. Para producir cristales más grandes, el producto debe ser congelado lentamente o puede ser dispuesta de arriba abajo de la temperatura. This cycling process is called annealing . Este proceso se llama ciclo de recocido. However, in the case of food, or objects with formerlyliving cells, large ice crystals will break the cell walls (discovered by Clarence Birdseye ), resulting in cell destruction, and, in the case of rehydrated foods, a poor texture. Sin embargo, en el caso de los alimentos, o con los objetos anteriormentelas células vivas, los cristales de hielo que romper las paredes celulares (descubierto por Clarence Birdseye), resultando en la destrucción de la célula, y, en el caso de los alimentos rehidratado, una textura pobre. In this case, freezing is done rapidly, in order to lower the material to below its eutectic point quickly, thus avoiding the formation of ice crystals. En este caso, la congelación se realiza rápidamente, a fin de bajar el material por debajo de su punto eutéctico rápidamente, evitando así la formación de cristales de hielo. Usually, the freezing temperatures are between −50 °C and −80 °C. Por lo general, las temperaturas de congelación se encuentran entre 50 ° C y 80 ° C. The freezing phase is the most critical in the whole freezedrying process, because the product can be spoiled if badly done. La fase de congelación es la más crítica en la congelación de todo el proceso de secado, porque el producto se puede estropear si mal hecho. 

Amorphous materials do not have a eutectic point, but do have a critical point, below which the product must be maintained to prevent meltback or collapse during primary and secondary drying. Materiales amorfos no tienen un punto eutéctico, pero tiene un punto crítico, por debajo del cual el producto debe mantenerse para evitar la fusión de devolución o el colapso durante la primaria y secundaria de secado. 

Large objects take a few months to freezedry. Los objetos grandes tomar unos meses para liofilizar. 

[ edit ] Primary drying [Editar] Primaria de secado During the primary drying phase, the pressure is lowered (to the range of a few millibars ), and enough heat is supplied to the material for the water to sublimate . Durante la fase de secado primario, la presión es baja (para el rango de una milibares pocos), y se suministra suficiente calor al material que el agua se sublima. The amount of heat necessary can be calculated using the sublimating molecules' latent heat of sublimation . La cantidad de calor necesario se puede calcular utilizando el calor de las moléculas sublimar 'latente de sublimación. In this initial drying phase, about 95% of the water in the material is sublimated. En esta fase inicial de secado, se sublima el 95% del agua en el material. This phase may be slow (can be several days in the industry), because, if too much heat is added, the material's structure could be altered. Esta fase puede ser lento (puede ser de varios días en la industria), porque, si se añade un exceso de calor, la estructura del material puede ser alterado. 

In this phase, pressure is controlled through the application of partial vacuum . En esta fase, la presión se controla mediante la aplicación de vacío parcial. The vacuum speeds sublimation, making it useful as a deliberate drying process. La sublimación del vacío velocidades, por lo que es útil como un proceso de secado deliberada. Furthermore, a cold condenser chamber and/or condenser plates provide a surface(s) for the water vapour to resolidify on. Además, una cámara de condensación fría y / o placas de condensador ofrecen una superficie (s) para el vapor de agua para volver a solidificar el. This condenser plays no role in keeping the material frozen; rather, it prevents water vapor from reaching the vacuum pump, which could degrade the pump's performance. Este condensador no desempeña ningún papel en el mantenimiento del material congelado, sino que impide que el vapor de agua llegue a la bomba de vacío, lo que podría degradar el rendimiento de la bomba. Condenser temperatures are typically below −50 °C (−60 °F). Temperaturas de condensador son típicamente inferior a 50 ° C (60 ° F). 

It is important to note that, in this range of pressure, the heat is brought mainly by conduction or radiation; the convection effect is considered to be inefficient. Es importante señalar que, en este rango de presión, el calor se lleva principalmente por conducción o radiación, el efecto de convección se considera ineficiente. 

[ edit ] Secondary drying [Editar] Secundaria de secado The secondary drying phase aims to remove unfrozen water molecules, since the ice was removed in the primary drying phase. La fase de secado secundaria tiene como objetivo eliminar las moléculas de agua no congelada, ya que el hielo se eliminó en la fase de secado primario. This part of the freezedrying process is governed by the material's adsorption isotherms . Esta parte del proceso de secado por congelación se rige por las isotermas de adsorción del material. In this phase, the temperature is raised higher than in the primary drying phase, and can even be above 0 °C, to break any physicochemical interactions that have formed between the water molecules and the frozen material. En esta fase, la temperatura se eleva más alto que en la fase de secado primario, e incluso puede estar por encima de 0 ° C, para romper cualquier interacciones físicoquímicas que se forman entre las moléculas de agua y el material congelado. Usually the pressure is also lowered in this stage to encourage desorption (typically in the range of microbars, or fractions of a pascal ). Normalmente la presión se reduce también en esta etapa para alentar la desorción (típicamente en el rango de microbares, o fracciones de Pascal). However, there are products that benefit from increased pressure as well. Sin embargo, hay productos que se benefician del aumento de la presión también. 

After the freezedrying process is complete, the vacuum is usually broken with an inert gas, such as nitrogen, before the material is sealed. Después de que el proceso de secado por congelación es 

completa, el vacío es generalmente roto con un gas inerte, como nitrógeno, antes de ser sellado el material. 

At the end of the operation, the final residual water content in the product is extremely low, around 1% to 4%. Al final de la operación, el contenido final de aguas residuales en el producto es extremadamente bajo, alrededor del 1% al 4%. 

[ edit ] Properties of freezedried products [Editar] Propiedades de productos liofilizados If a freezedried substance is sealed to prevent the reabsorption of moisture, the substance may be stored at room temperature without refrigeration, and be protected against spoilage for many years. Si una sustancia liofilizada es sellado para evitar la reabsorción de la humedad, la sustancia puede ser almacenado a temperatura ambiente sin refrigeración, y estar protegidos contra el deterioro durante muchos años. Preservation is possible because the greatly reduced water content inhibits the action of microorganisms and enzymes that would normally spoil or degrade the substance. La preservación es posible porque el contenido de agua reducido en gran medida inhibe la acción de microorganismos y enzimas que normalmente se estropean o degradar la sustancia. 

Freezedrying also causes less damage to the substance than other dehydration methods using higher temperatures. El secado por congelación también causa menos daño a la sustancia de los métodos de deshidratación de otros utilizando temperaturas más altas. Freezedrying does not usually cause shrinkage or toughening of the material being dried. La liofilización no suele causar contracción o endurecimiento del material a secar. In addition, flavours, smells and nutritional content generally remain unchanged, making the process popular for preserving food [ 1 ] . Además, los sabores, los olores y el contenido nutricional en general, no han cambiado, haciendo que el proceso popular para la conservación de alimentos [1]. However, water is not the only chemical capable of sublimation , and the loss of other volatile compounds such as acetic acid (vinegar) and alcohols can yield undesirable results. Sin embargo, el agua no es el único producto químico capaz de sublimación, y la pérdida de otros compuestos volátiles, como el ácido acético (vinagre) y alcoholes pueden producir resultados no deseados. 

Freezedried products can be rehydrated (reconstituted) much more quickly and easily because the process leaves microscopic pores. Productos liofilizados pueden ser rehidratado (reconstituido) mucho más rápida y fácilmente porque el proceso de hojas de poros microscópicos. The pores are created by the ice crystals that sublimate, leaving gaps or pores in their place. Los poros son creados por los cristales de hielo que se sublima, dejando huecos o poros en su lugar. This is especially important when it comes to pharmaceutical uses. Esto es especialmente importante cuando se trata de los usos farmacéuticos. Freezedrying can also be used to increase the shelf life of some pharmaceuticals for many years. El secado por congelación también se puede utilizar para aumentar la vida útil de algunos productos farmacéuticos durante muchos años. 

[ edit ] Freezedrying protectants [Editar] La liofilización protectores Similar to cryoprotectants , some molecules protect freezedried material. Similar a crioprotectores, algunas moléculas de proteger material liofilizado. Known as lyoprotectants, these molecules are typically polyhydroxy compounds such as sugars ( mono , di , and polysaccharides ), polyalcohols , and their derivatives. Trehalose and sucrose are natural lyoprotectants. Conocido como lyoprotectants, estas moléculas son típicamente compuestos polihidroxilados como azúcares 

(mono, diy polisacáridos), polialcoholes y sus derivados. Trehalosa y sacarosa son lyoprotectants naturales. Trehalose is produced by a variety of plant, fungi, and invertebrate animals that remain in a state of suspended animation during periods of drought (also known as anhydrobiosis ). La trehalosa es producido por una variedad de plantas, hongos y animales invertebrados que se mantienen en un estado de animación suspendida durante los períodos de sequía (también conocido como anhidrobiosis). 

[ edit ] Applications of freezedrying [Editar] Aplicaciones de la liofilización 

[ edit ] Pharmaceutical and biotechnology [Editar] farmacéutica y la biotecnología Pharmaceutical companies often use freezedrying to increase the shelf life of products, such as vaccines and other injectables. Las empresas farmacéuticas utilizan a menudo la liofilización para aumentar la vida útil de los productos, tales como vacunas y otros inyectables. By removing the water from the material and sealing the material in a vial, the material can be easily stored, shipped, and later reconstituted to its original form for injection. Al eliminar el agua de los materiales y sellar el material en un vial, el material puede ser fácilmente almacenado, transportado, y luego reconstituido a su forma original para la inyección. 

[ edit ] Food industry [Editar] Industria de la alimentación 

Freezedried coffee El café liofilizado 

Freezedrying is used to preserve food and make it very lightweight. La liofilización se utiliza para conservar los alimentos y hacen que sea muy ligero. The process has been popularized in the forms of freezedried ice cream , an example of astronaut food. El proceso se ha popularizado en forma de liofilizado de helado, un ejemplo de la alimentación de astronautas. It is also popular and convenient for hikers because the reduced weight allows them to carry more food and reconstitute it with available water. Instant coffee is sometimes freezedried, despite high costs of freezedryers. También es popular y conveniente para los senderistas, porque el reducido peso les permite llevar más alimentos y reconstituye con agua disponible. Café soluble a veces es liofilizada, a pesar de los altos costos de congelaciónsecadoras. The coffee is often dried by vaporization in a hot air flow, or by projection on hot metallic plates. El café es secado por vaporización a menudo en un flujo de aire caliente, o por proyección en caliente placas metálicas. Freezedried fruit is used in some breakfast cereal. Liofilizado de fruta se utiliza en algunos cereales para el desayuno. Culinary herbs are also freezedried, although airdried herbs are far more common and less expensive. Las hierbas 

culinarias también son liofilizados, aunque aire hierbas secas son mucho más comunes y menos costosos. However, the freezedrying process is used more commonly in the pharmaceutical industry. Sin embargo, el proceso de secado por congelación se utiliza más comúnmente en la industria farmacéutica. 

[ edit ] Technological industry [Editar], la industria tecnológica In chemical synthesis , products are often lyophilized to make them more stable, or easier to dissolve in water for subsequent use. En síntesis química, los productos son a menudo liofilizado para hacerlas más estables, o más fácil de disolver en agua para su uso posterior. 

In bioseparations, freezedrying can be used also as a latestage purification procedure, because it can effectively remove solvents. En bioseparations, el secado por congelación se puede utilizar también como un procedimiento de dos etapas finales de la purificación, ya que puede eliminar eficazmente los disolventes. Furthermore, it is capable of concentrating substances with low molecular weights that are too small to be removed by a filtration membrane. Además, es capaz de concentrar las sustancias de bajo peso molecular que son demasiado pequeños para ser retirados por un membrana de filtración. 

Freezedrying is a relatively expensive process. La liofilización es un proceso relativamente caro. The equipment is about three times as expensive as the equipment used for other separation processes, and the high energy demands lead to high energy costs. El equipo es aproximadamente tres veces más caro que el equipo utilizado para otros procesos de separación, y las demandas de energía de alta conducen a los altos costos energéticos. Furthermore, freezedrying also has a long process time, because the addition of too much heat to the material can cause melting or structural deformations. Además, la liofilización, también tiene un tiempo largo proceso, porque la adición de un exceso de calor al material puede producir la fusión o deformaciones estructurales. Therefore, freezedrying is often reserved for materials that are heatsensitive, such as proteins , enzymes , microorganisms , and blood plasma . Por lo tanto, la liofilización es a menudo reservada para los materiales que son sensibles al calor, tales como las proteínas, enzimas, microorganismos, y el plasma sanguíneo. The low operating temperature of the process leads to minimal damage of these heatsensitive products La temperatura de funcionamiento de bajo del proceso conduce a un daño mínimo de estos productos sensibles al calor 

[ edit ] Other uses [Editar] Otros usos Organizations such as the Document Conservation Laboratory at the United States National Archives and Records Administration (NARA) have done studies on freezedrying as a recovery method of waterdamaged books and documents. Organizaciones como el laboratorio de la conservación de documentos en los Estados Unidos, National Archives and Records Administration (NARA) han hecho estudios sobre la liofilización como método de recuperación de agua dañados por los libros y documentos. While recovery is possible, restoration quality depends on the material of the documents. Si bien la recuperación es posible, la calidad de la restauración depende del material de los documentos. If a document is made of a variety of materials, which have different absorption properties, expansion will occur at a nonuniform rate, which could lead to deformations. Si un documento está hecho de una variedad de materiales, que tienen propiedades de absorción diferentes, la expansión se producirá en una tasa de no uniforme, que podría dar lugar a deformaciones. Water can also cause mold to grow or make inks bleed. El agua también puede causar la formación de moho o hacer tintas de sangrar. In these cases, freezedrying may not be an effective restoration method. En estos casos, el secado por congelación no puede ser un método eficaz de restauración. 

In bacteriology freezedrying is used to conserve special strain . En la congelación de bacteriología de secado se utiliza para conservar la cepa especial. 

In highaltitude environments, the low temperatures and pressures can sometimes produce natural mummies by a process of freezedrying. En entornos de alta altitud, las bajas temperaturas y las presiones a veces pueden producir momias naturales por un proceso de liofilización. 

Advanced ceramics processes sometimes use freezedrying to create a formable powder from a sprayed slurry mist. Cerámica avanzada procesos a veces utilizan la liofilización para crear un polvo configurable de una niebla purines rociado. Freezedrying creates softer particles with a more homogeneous chemical composition than traditional hot spray drying , but it is also more expensive. La liofilización crea más suave las partículas con una composición química más homogénea que la pulverización en caliente tradicional de secado, pero también es más caro. 

Recently, some taxidermists have begun using freezedrying to preserve animals, such as pets . [ 2 ] Recientemente, algunos taxidermistas han comenzado a utilizar el secado por congelación para preservar los animales, como mascotas. [2] 

Freeze drying is also used for floral preservation. La liofilización se utiliza también para la preservación de flores. Wedding bouquet preservation has become very popular with brides who want to preserve their wedding day flowers [ 3 ] La preservación ramo de bodas se ha vuelto muy popular con las novias que quieren preservar sus flores día de la boda [3] 

[ edit ] Freezedrying equipment [Editar] La liofilización equipo 

Benchtop manifold freezedryer. Congelación de mesa variedad de pelo. 

There are essentially three categories of freezedryers: rotary evaporators, manifold freezedryers, and tray freezedryers. Hay esencialmente tres categorías de liofilizadores: evaporadores rotatorios, congelar múltiplessecadoras, y congelar la bandejasecadoras. 

Rotary freezedryers are usually used with liquid products, such as pharmaceutical solutions and tissue extracts . Congelación de Rotary secadores se utilizan generalmente con productos líquidos, como las soluciones farmacéuticas y de extractos de tejidos. 

 

Unloading trays of freezedried material from a small cabinettype freezedryer Descarga de bandejas de material liofilizado de un pequeño armario congelación de tipo de pelo 

Manifold freezedryers are usually used when drying a large amount of small containers and the product will be used in a short period of time. Manifoldsecadoras de congelación se utilizan generalmente cuando el secado de una gran cantidad de pequeños contenedores y el producto será utilizado en un corto período de tiempo. A manifold dryer will dry the product to less than 5% moisture content. Un secador de colector se seca el producto a menos del 5% de contenido de humedad. Without heat, only primary drying (removal of the unbound water) can be achieved. Sin el calor, sólo primaria de secado (eliminación del agua libre) se puede lograr. A heater must be added for secondary drying, which will remove the bound water and will produce a lower moisture content. Un calentador se debe agregar en la secundaria de secado, que se eliminará el agua de la envolvente y producirá un menor contenido de humedad. 

Production freezedryer Congelación de la producción de pelo 

Tray freezedryers are more sophisticated and are used to dry a variety of materials. Bandeja de congelaciónsecadoras son más sofisticadas y se utilizan para secar una variedad de materiales. A tray freezedryer is used to produce the driest product for longterm storage. La suspensión de la bandeja de pelo se usa para producir el más seco de productos para el almacenamiento a largo plazo. A tray freezedryer allows the product to be frozen in place and performs both primary (unbound water removal) and secondary (bound water removal) freezedrying, thus producing the driest possible endproduct. La suspensión de la bandeja de pelo permite que el producto a ser congelado en el lugar y realiza la enseñanza primaria (eliminación de agua libre) y secundaria (eliminación de agua de la envolvente) el secado por congelación, lo que produce el extremo más seco posible del producto. Tray freezedryers can dry products in bulk or in vials. Bandeja de congelaciónsecadora puede secar productos a granel o en frascos. When drying in vials, the freeze

dryer is supplied with a stoppering mechanism that allows a stopper to be pressed into place, sealing the vial before it is exposed to the atmosphere. Cuando el secado de los viales, la congelación de pelo se suministra con un mecanismo que permite tapar un tapón para ser presionado en su lugar, el cierre del vial antes de que sea expuesto a la atmósfera. This is used for longterm storage, such as vaccines. Esto se utiliza para el almacenamiento a largo plazo, tales como vacunas. 

Improved freeze drying techniques are being developed to extend the range of products that can be freeze dried, to improve the quality of the product, and to produce the product faster with less labor. Congelación de mejores técnicas de secado se están desarrollando para ampliar la gama de productos que pueden ser liofilizado, para mejorar la calidad del producto, y para producir el producto más rápido con menos mano de obra. 

Ever since the 1930s, industrial freeze drying is depended on a single type of equipment: the tray freeze dryer. Desde la década de 1930, la congelación de secado industrial se dependía de un solo tipo de equipamiento: el secador de congelación de la bandeja. In 2005 a quicker and lesslabor intensive freeze drying method is developed for bulk materials. En 2005 la congelación de la mano de obra más rápido y menos intensivo método de secado se ha desarrollado para productos a granel. This freeze drying process can produce free flowing powder from one single vessel. El congelamiento de proceso de secado puede producir polvo suelto de un solo buque. Known as [Active Freeze Drying] AFD technology. Conocido como [Liofilización Active] la tecnología de la AFD. The new proces uses continuous motion to improve mass transfer and hence cutting processing time, while also eliminating the need to transfer to and from drying trays and downstream size reduction devices. La transformación a nuevos usos movimiento continuo para mejorar la transferencia de masa y por lo tanto, reduciendo el tiempo de procesamiento, mientras que también elimina la necesidad de traslado hacia y desde las bandejas de secado y los dispositivos de reducción de tamaño intermedio. 

[ edit ] See also [Editar] Véase también • Food preservation    Conservación de alimentos • Supercritical drying    Supercrítico de secado • Freezedried Food and NASA    Liofilizada y la Alimentación de la NASA 

[ edit ] References [Editar] Referencias 1.  ̂   Freeze Dried & Dehydrated Food Explained ^ Liofilizado y Alimentos deshidratados 

Explicación 2.  ̂   http://www.tv.com/mamasfamily/catsmeow/episode/99648/summary.html ^ 

Http://www.tv.com/mamasfamily/catsmeow/episode/99648/summary.html 3.  ̂   http://www.mountainviewfreezedry.com/Wedding%20Bouquet%20Preservation

%20article.mht ^ Http://www.mountainviewfreezedry.com/Wedding% 20Bouquet% 20Preservation% 20article.mht 

• Harris, ELV and S. Angal (1989). Protein Purification Methods . Harris, ELV y S. Angal (1989). Purificación de proteínas y métodos. Oxford University Press. ISBN 0199630038 Oxford University Press. ISBN 0199630038 

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[ edit ] External links [Editar] Enlaces externos • Freezedrying vs. Dehydration    La liofilización vs deshidratación • Pharmaceutical research, new technical developments, PAT, newest Publications    Research 

group on freezedrying of university of Erlangen, Germany (engl. Website) La investigación farmacéutica, los nuevos avances técnicos, PAT último, Publicaciones Grupo de investigación sobre la liofilización de la Universidad de Erlangen, Alemania (engl. web)