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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN TARAPOTO FACULTAD DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL

INFORME DE PRÁCTICA N°3 ELABORACION DE BIORREACTOR ASIGNATURA: Tecnología Agroalimentaria I

ESTUDIANTE: Becerra SEMESTRE: 2019 – I

DOCENTE: Ing. Dr. Abner Félix Obregón Lujerio

FECHA: Tarapoto, 16 de Junio del 2019

ELABORACION DE BIORREACTOR I.

INTRODUCCIÓN

Figura 1. Crecimiento microbiano en biorreactor

II.

OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL  Aprender a elaborar un biorreactor 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Conocer las operaciones y tratamientos debe la materia prima.  Conocer la técnica y parámetros de elaboración de biorreactor

III. MARCO TEORICO

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 aerobio o anaerobio. Estos biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable.

DISEÑO DE BIORREACTORES El diseño de los biorreactores es una tarea de ingeniería relativamente compleja y difícil. 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.

Cultivos y fermentaciones Lo primero que hay que entender en el diseño de reactores biológicos es que contrario a los químicos, su cinética no está 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 tasa 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, qué tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de cultivo. El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo. Mantener constante y homogénea la temperatura. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes. Prevenir la sedimentación y la floculación. Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo. Mantener el cultivo puro. Mantener un ambiente aséptico. Maximizar el rendimiento y la producción. 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.

Biorreactores y tipos de cultivo Los sistemas biológicos que determinan el metabolismo celular de cultivo y el modo procesal-biológico del sistema son: 

Células y microorganismos anaerobios

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

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 aerobios 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)

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.



Cultivos microbianos facultativos – fermentador bacterial

Los microorganismos facultativos toleran la presencia de 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)

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)

Los cultivos celulares se diferencian de los bacteriales (microbios) en que no son microorganismos procariota, son eucariotas. 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)

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)

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.

Modo de operación y sistemas de cultivo 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: 



Discontinuo (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 deja que se lleve a cabo el proceso productivo o la fermentación por el tiempo que sea necesario; el cual se denomina tiempo de retención. Semicontinuo (fed-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. Continuo: por quimiostato, 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 continua.

IV. MATERIALES Y MÉTODOS 4.1. MATERIA PRIMA -

Sustrato de uva

4.2. MATERIALES, -

Cuchillo Guardapolvo 2 botellas de 3 litros Tecnopor Suero con manguera Levadura Malla pH

PROCEDIMIENTO

ELABORACION DEL BIORREACTOR

Figura 1: materiales para la elaboración del biorreactor

Figura 2: corte de las botellas de 3 litros

LEVADURA

Figura 3: agua destilada

Figura 4: Levadura

Figura 5: añadir la levadura al biorreactor

Figura 6: Levadura tres veces pasado por el biorreactor

SUSTRATO

Figura 7: Estrujado de la uva

Figura 8: sustrato (uva)

Figura 9: añadir el sustrato al biorreactor

Figura 10: producto final

V.

RESULTADOS Tabla n°01: Rendimiento materia prima M.P

PESO BRUTO(gr) 1200

Uva

PESO NETO(gr) 1000

RESIDUO (gr)

5.1. RENDIMIENTO % Rendimiento =Peso bruto – Peso neto x 100 Peso neto 

Uva

R%=Pb –Pn X100 Pn R%= 1200 - 1000 X100 1000 R%= 20

5.2. AÑADAMIENTO DE LA LEVADURA Inicial - °Brix

= 12

- T°

= 28 °C

- Volumen = 600 ml - pH

=5

Final - °Brix - T° - Volumen - pH

=5 = 26 °C = 300 ml =4

200

RENDIMIENTO 20

VI. DISCUSIONES La temperatura es uno de los factores más importantes que afectan la actividad microbiana dentro de un digestor anaeróbico, y la producción de metano es fuertemente dependiente de la temperatura.

VII. CONCLUSIONES La temperatura influye no solo en las bacterias productoras de metano sino también en las bacterias productoras de ácidos. Por lo tanto, las fluctuaciones en la temperatura pueden ser ventajosas para ciertos grupos y desventajosas para otros.

VIII. BIBLIOGRÁFIA



Rodríguez Arévalo A.C, C. L. (Marzo de 2003). Diseño y construcción de los instrumentos de medición para un Biorreactor prototipo. Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica, 24(1), 55-70.



https://es.wikipedia.org/wiki/Biorreactor