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• V. Gongora

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Ensayo de ingeniería de Biorreactores En el siguiente ensayo se hablara acerca del Biorreactor y las funciones que este desempeña de acuerdo al producto que se quiera obtener, así como los diseños que este presenta con respecto al tipo de cultivo, tipo de agitación, etc. Los Biorreactores1 son equipos donde se realiza el cultivo de microorganismos, el diseño de estos debe ser tal que asegure un ambiente uniforme entre los componentes del sistema y condiciones optimas para el crecimiento microbiano y la obtención del producto deseado. Alguna de las tareas que lleva acabo el bioreactor son1: Biorreactor

Funciones que lleva acabo: I.

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

II.

Mantener constante y homogénea la temperatura.

III.

Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.

IV.

Suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo.

V.

El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro.

Fig. 1. Se observa un Biorreactor y las funciones que este suele llevar acabo.

Los biorreactores de acuerdo a su geometría o la cantidad de agua se pueden clasificar en:

Agitados

Biorreactores

Columna Circulación

A continuación se describirá cada uno. Biorreactores agitados2 Este tipo de biorreactor suele ser empleado en laboratorios así como en la industria de fermentación ya que lleva acabo procesos en los que se exigen altas velocidades de transferencia de masa y calor, en el caldo de cultivo. Este suele

consistir de un cuerpo cilíndrico con tapas elipsoidales, semiesféricas además posee un motor al que se acopla la flecha de transmisión que contiene a su vez los impulsores que agitan el líquido. Dependiendo del tamaño del reactor, el motor puede colocarse en la tapa superior o en la inferior y para la aireación se realiza a través de tubos perforados, efectuándose la dispersión del aire en las zonas cercanas a los impulsores. Estos se suelen utilizar para células superiores, al igual para enzimas.

Fig. 2: Esta imagen muestra un biorreactor agitado.

De igual forma dependiendo del volumen que pueda contener el equipo existen parámetros geométricos los cuales suelen ser:

En esta tabla se presentan los parámetros para reactores de 7 y 35 L, los cuales se pueden adaptar para otros volúmenes.

Biorreactores de columna3 Estos no poseen un sistema de transmisión mecánica para poder mezclar el caldo de cultivo. El mezclado lo llevan acabo mediante la inyección de aire en el líquido desde el fondo del recipiente, ya que al dispersarse el aire en burbujas y al ascender estas causan la turbulencia en el líquido. Si las columnas son grandes se pueden emplear platos perforados para la redispercion de las burbujas de gas. A diferencia de los agitados estos generalmente se emplean en fermentaciones de baja viscosidad. Y pueden ser de columna de burbujeo simple, columna de burbujeo múltiple con platos perforados o distribuidor de gas, columnas de burbujeo con aireación por tubos de inyección, etc.

Fig. 3: En la siguiente imagen se muestra un biorreactor de columna de burbujeo simple.

Biorreactores de circulación Estos suelen ser definidos de acuerdo al patrón de circulación del líquido del reactor. Se clasifican en dos grandes grupos: de circulación externa o interna. 

Externa si el líquido circula por los brazos laterales conectado al cuerpo principal del biorreactor en su parte inferior y superior.4



Interna si el líquido circula en forma definida sin salir del cuerpo principal del reactor.5

Los primeros solo se han empleado a nivel experimental, mientras que los segundos se han llegado a utilizar a nivel industrial, generalmente en el tratamiento de aguas residuales, donde se emplean hongos o microalgas.

Fig. 4: Biorreactor de circulación externa

Fig. 5: Biorreactor de circulación interna

Los biorreactores suelen estar equipados con distintos instrumentos, los cuales se utilizan para facilitar el registro y análisis de variables de operación y de parámetros específicos que sirven para mantener las condiciones de la biorreacción con fines de mejorar la productividad y garantizar el éxito de la biorreacción, los parámetros mas importantes para medir en un biorreactor y los instrumentos que los miden, se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 2: Instrumentos presentes en un bioreactor. Instrumentos de medición

Parámetros a medir

Electrodo de vidrio colocado en forma Para la medición y control del de pH. aséptica, en el bioreactor y que está directamente en contacto con el caldo de fermentación. Sensores RTD (resistance temperature Medición de la temperatura. devices). Controladores de oxigeno disuelto. Medición y control del oxigeno disuelto. 1. Rompedor mecánico.

Medición y control de la espuma.

2. Adición de antiespumante Caudalimetros de aire.

Flujo volumétrico del aire.

Rotámetros

Nivel de agitación.

viscosímetros

Nivel de viscosidad

Válvulas de presión.

Presión existente en el biorreactor.

Existen otras propiedades comunes que se miden en un biorreactor las cuales son: 1. Nivel o Volumen de medio de cultivo 2. Concentración celular 3. Concentración de sustrato 4. Concentración de producto Estas son medidas y registradas mediante programas computarizados, creados de acuerdo al microorganismo utilizado y el producto de interés.

De igual manera los bioreactores se pueden clasificar en base al cultivo celular: Células libres

Agitación mecánica

Células inmovilizadas

Lecho Fluidizado

Biorreactores Lecho empaquetado

De los cuales nos enfocaremos en los biorreactores para células inmovilizadas, ya que los de células libres son biorreactores normales en los cuales el cultivo celular se encuentra disperso por todo el recipiente para mantener un mayor contacto interfacial. La inmovilización es el proceso de confinamiento de un biocatalizador, enzimático o celular, dentro o sobre una matriz solida para favorecer la liberación del producto y la reutilización del propio catalizador, esto trayendo grandes beneficios a la industria, debido a que se reducirían los costos del biocatalizador. En este proceso se utilizan 3 tipos de biorreactores los cuales son: 1. Biorreactor con agitación mecánica para células inmovilizadas6: este posee una turbina o propela con la que le permite homogeneizar todos los componentes que se encuentran dentro del equipo, ya sean las células inmovilizadas, sustrato, etc. 2. Biorreactor de lecho fluidizado6: este cuenta con un sistema de operación en modo continuo, su diseño se basa en proveer agitación y aireación por flujo forzado de aire proveyéndolo por la parte del cilindro a través de una bomba. En este se suelen utilizar polímeros sintéticos, así como también microesferas de cerámica, que cuenten con perforaciones

que permitan tener una eficiente inmovilización de las células en el soporte con el medio de cultivo. 3. Bioreactor de lecho empaquetado6: El empaquetamiento celular es una forma de inmovilización. Un lecho empacado es una matriz de soporte sólido que retiene las células, bien por geometría (dentro de los 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. Fig.

6:

en

esta

imagen

se

muestran los bioreactores por agitación

mecánica,

de

lecho

empaquetado y lecho fluidizado para células inmovilizadas.

La elección del tipo de reactor y de la estrategia de operación define la producción a obtener y la pureza del producto. También determina si se puede lograr un producto de calidad constante y una operación confiable, debido a esto, los biorreactores también se pueden clasificar en: Continuos (quimiostato) Bioreactores

Lote alimentado o Semicontinuos (fed- batch) Lote o Discontinuous (Batch)

Bioreactores continuos Son equipos donde se agrega un medio con nutrientes frescos de manera continua. Estos poseen cultivos continuos que proveen un medio constante para el crecimiento de las células y para la formación de productos con calidad uniforme.

En ellos se suelen retirar los productos y parte de las células en forma continúa, por ello suelen ser llamados biorreactores de sistema abierto. Algunos sistemas para lograr cultivos continuos son: 1. Quimiostato7: este permite crecimientos de biomasa balanceados restringidos, debido a que este crecimiento suele estar controlado por un nutriente o sustrato presente en concentraciones suficientemente bajas como para limitar la densidad de la población. Las condiciones químicas del medio suelen mantenerse constantes.

Fig. 7: La siguiente imagen representa un Quimiostato, y como esta conformado.

2. Turbidistato8: en este la concentración de células se mantiene constante. La alimentación suele ser regulada mediante el monitoreo de la densidad óptica del cultivo y se alimenta con medio fresco cuando la turbidez supera un limite prefijado. El volumen se tiene que mantener constante retirando una cantidad de fluido equivalente a la que se agrega.

Fig. 9: en esta figura se presenta las partes que posee un tubidistato típico utilizado en el laboratorio.

Biorreactores semicontinuos10 Estos son equipos en los cuales los reactivos se cargan inicialmente de forma continua o intermitente y no se extrae ningún producto durante la reacción, después se obtiene un derrame constante de producto de reacción, por lo que suelen ser llamados biorreactores de sistema semicerrado. Y se utilizan para una distribución regular del producto en reacciones homogéneas. Fig. 10

Biorreactor discontinuó o de sistema cerrado11 En ellos se suele llevar acabo una fermentación discontinua o batch. Al inicio del proceso se añade la solución esterilizada de nutrientes y se inocula con el microorganismo, esto permitiendo que se lleve a cabo la incubación en condiciones óptimas de fermentación. Y a lo largo del proceso no se añade mas nutrientes, excepto oxígeno (en forma de oxigeno), en algunas ocasiones un agente antiespumante y ácidos o bases para controlar el pH de la fermentación. La composición del medio de cultivo, la concentración de la biomasa y la concentración

de

metabolitos

cambia

metabolismo de las células.

Fig. 11: En esta imagen se pueden observar diferentes biorreactores de lote o batch, los cuales difieren en los equipos auxiliares que poseen.

generalmente

como

resultado

del

También se tiene que tomar en cuenta el desempeño de los biorreactores, los cuales casi depende en su totalidad del microorganismo que se selecciona para obtener el producto de interés. Debido a que la producción suele estar relacionada con la población de microorganismos empleada en el proceso, esto quiere decir que se tiene que mantener un ambiente constante y homogéneo, por ello asimismo los biorreactores se clasifican en:

Biorreactores

Agitación mecánica: equipo mecánico Agitación neumática: gas a presión

Biorreactores de agitación mecánica12 Primero cabe mencionar que la agitación mecánica es una operación la cual tiene como objetivo la mezcla de dos o más líquidos así como el aumento del área interfacial entre un líquido y un gas o de mantener una mezcla casi perfecta, esto con ayuda de impulsores mecánicos, de esta manera podemos definir que un biorreactor de agitación mecánica, no es mas que un recipiente el cual contiene un agitador, el cual proporcionara una mezcla homogénea de los componentes. Este tipo de biorreactor también es utilizado para reacciones con células inmovilizadas, siendo uno de los equipos mas empleado en la industria.

Fig. 12: en la siguiente imagen se muestra un biorreactor con agitador, y la formación del vórtice y remolino

El agitador es el componente principal en estos equipos y suele dividirse en dos clases aquellos que forman corrientes paralelas al eje del agitador y los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Los primeros se llaman agitadores de flujo axial13 y los segundos agitadores de flujo radial13. De los más utilizados en la industria son: de hélice, de paletas, y de turbina.

Fig. 13: Flujo radial y flujo axial.

1. Hélice14: Son empleados en líquidos poco viscosos y son de flujo axial. De estos los más pequeños giran a 1.150-1.750 rpm y los más grandes giran a 400-800 rpm. Las corrientes de flujo, que parten del agitador, se mueven a través del líquido en una dirección determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque. Las palas de la hélice cortan vigorosamente el líquido. Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice son eficaces para reactores de gran tamaño.

Fig. 14: Tipos de hélices

2. Paletas15: Estas son utilizadas para mezclados sencillos. Suelen girar a bajas o moderadas velocidades en el centro del tanque, impulsando el líquido radial y tangencialmente. Las corrientes que generan se desplazan hacia fuera hasta la pared del tanque y después hacia arriba o hacia abajo. Si los reactores son profundos se les puede instalar varias palas, unas sobre otras, en un mismo eje, asimismo en algunos diseños las palas se adaptan a la forma de las paredes del recipiente y pasan sobre ella con una pequeña holgura, estas palas suelen recibir el nombre de agitador de ancora16.

Fig. 15: tipos de agitadores de paletas.

Fig. 16: Reactor con agitador de ancora.

3. Turbina17: suelen estar constituidas por un componente impulsor con más de cuatro hojas, montadas sobre el mismo elemento y fijas a un eje rotatorio. Son eficaces para un amplio rango de viscosidades. Las hojas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales.

Un ejemplo es la

turbina Rushton18. Las paletas de hélices Rushton son planas y colocadas verticalmente a lo largo del eje de agitación, produciendo un flujo radial en una sola dirección; por lo común son utilizadas en la fermentación de líneas celulares que requieren altas tasas de oxígeno tales como la levadura, bacterias y algunos hongos.

b)

a)

c)

Fig. 17: Tipos de turbinas, a) turbina de palas rectas, b)

Fig. 18: Turbina Rushton.

turbinas de disco con palas, c) turbina de palas curvas

Entonces esto quiere decir que para procesos microbiológicos sólo se pueden utilizar tipos específicos de agitadores desarrollados para la tecnología química. Seleccionados de acuerdo al microorganismo y el producto de interés.

Biorreactores de agitación neumática Son reactores en forma tubular o tipo columna y son agitados por gas a presión, en estos las células son susceptibles de daño. Según sus características estos pueden ser: 1. Biorreactores de columna de burbujeo: estos ya fueron mencionados con anterioridad, suelen ser recipientes de geometría tubular y el mezclado de componentes se lleva acabo desde el fondo del recipiente, por inyección de aire en el líquido. 2. Biorreactores airlift19: es un recipiente de líquido dividido en 2 zonas, de las cuales solo en una se dispersa el gas. Esto provoca que la retención de gas en ambas zonas sea diferente, así causando que la circulación del fluido en el biorreactor sea por una acción de desplazamiento o empuje por el gas. La parte del reactor que contiene el flujo gas-líquido ascendente es el elevador o tubo de ascenso y la región que contiene el fluido descendente se denomina bajante o tubo descendente. Este suele ser utilizado para células superiores ya sean de células animales o vegetales.

Fig. 19: Tipos de biorreactores airlift. A) reactor airlift, b) Airlift con tubo interno, c)Airlift con loop externo

En cuanto a esta clasificación se presenta una comparación en la siguiente tabla: Tabla 3: Comparación entre la agitación mecánica y neumática.

Con esto se puede concluir que los biorreactores son equipos que suelen llevar acabo procesos químicos que involucran microorganismos y sustancias derivadas de dichos organismos, el diseño de estos puede variar conforme a ciertos criterios entre los cuales se encuentran; la funcionalidad durante numerosos días, permitir una mayor área contacto entre las fases biótica y abiótica del sistema, un consumo de energía mínimo, entradas y salidas de nutrientes, etc. Por ello que los mas utilizados a escala industrial suelen estar provistos de mecanismos, ya sean de agitación, aireación así como sistemas para controlar pH, temperatura, etc. Asimismo que los biorreactores suelen ser optimizados para obtener la máxima concentración de productos de la fermentación, como son la biomasa y/o metabolitos en un tiempo mínimo y a menor costo de producción, trayendo consigo grandes ventajas a la industria y al área de la investigación.

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