2.4 BALANCE DE MASA EN SISTEMAS

BIOLÓGICOS

M.Q. Ubaldo Baños Rodríguez

BALANCE DE MASA Y

ENERGÍA

Diseño de reactores bioquímicos

Un reactor bioquímico ya sea un fermentador o un biorreactor, provee todos los

servicios que son necesarios para el cultivo, tales como mezclado, termostatización,

suministro de oxígeno, entradas para adición de nutrientes, control del pH, etc. Por otra

parte, cuando se habla de sistemas de cultivo o, también, métodos de cultivo, se hace

referencia al modo de operar el biorreactor, esto es en forma continua o discontinua.

Figura 1. Esquema de un

biorreactor con indicación de los

caudales y concentraciones a la

entrada y a la salida. La flecha

que rodea el eje del agitador

significa que el cultivo está

perfectamente mezclado.

Para un componente cualquiera del cultivo, incluida la biomasa, se

puede plantear el siguiente balance de materia en el biorreactor (ver

Fig. 1).

……..Ecuación (1)

1/18

En la ecuación (1), V es el volumen de cultivo, F1 es caudal de alimentación, F2 el de

salida, Ci1 la concentración del componente "i" en la alimentación y Ci la concentración

en el caudal de salida, la que, si el cultivo esta bien mezclado, se puede asumir idéntica

a la que hay dentro del biorreactor. Los restantes términos, rfi y rci se refieren a la

velocidad de formación y consumo del componente "i" respectivamente.

Por otra parte el volumen de cultivo variará en el tiempo según sean F1 y F2. Suponiendo que la

densidad del cultivo y de la alimentación son iguales resulta:

……..Ecuación (2)

Dependiendo como sean F1 y F2 surgen tres sistemas de cultivo básicos:

Ambos caudales son

iguales y por la ec.

(2) es V constante,

por lo tanto la ec. (1)

se reduce a ec. (3)

…..(3)

Cultivo

continuo

El caudal de salida, F2, es nulo, por lo que V aumentará

en el tiempo en función del caudal de entrada, ec. (4).

Batch

alimentado …..(4)

Ambos caudales son nulos por lo que V es constante y

en la ec. (1) se anulan los términos FlCi1 , F2Ci ; ec. (5).

Batch …..(5)

Reactores bioquímicos

tubulares en torre

Figura 2.

Diferencias entre procesos bioquímicos y químicos

1.- La complejidad de la mezcla reaccionante.

2.- El incremento en la masa de microorganismos junto con la realización de la

transformación bioquímica.

3.- La capacidad de los microorganismos de sintetizar sus propios catalizadores

(enzimas).

4.- Las condiciones suaves de temperatura y pH (normalmente).

5.- La dificultad del mantenimiento de la transformación bioquímica requerida

(estabilidad).

6.- Restricción de fase acuosa.

7.- Las concentraciones relativamente bajas de sustrato y productos.

Las conversiones bioquímicas con ayuda de microorganismos difieren de los procesos

puramente químicos en varios sentidos, particularmente en:

Proceso químico:

Refinación de petróleo

Proceso bioquímico:

Fermentación alcohólica

M.Q. Ubaldo Baños Rodríguez

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA

1.- Las características cinéticas de los componentes reaccionantes

y la influencia de las variables de operación, por ejemplo:

temperatura, presión, y pH sobre estas características.

El diseño de un fermentador se puede predecir si se conoce lo siguiente:

2.- Las restricciones externas impuestas por la configuración del

fermentador, por ejemplo: tipo, geometría, y la velocidad de

eliminación de calor y la situación de superficie de intercambio

térmico.

3.- En general un fermentador se diseña mediante el uso de

ecuaciones que expresan los balances de materia, balances

de calor, velocidades de reacción y velocidades de fluido.

M.Q. Ubaldo Baños Rodríguez

4.- El punto de partida es la ley de conservación de materia aplicada a los componentes

reactivos del sistema (ecuaciones 1 y 2, ya mencionadas anteriormente).

5.- Si el espacio considerado es el volumen completo del fermentador, entonces se trata de

un balance de materia global, mientras que un balance de materia aplicado a un

elemento de fluido muy pequeño se define como un balance diferencial de materia.

Fermentador de yogurt

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA

M.Q. Ubaldo Baños Rodríguez

Etapas para el diseño de un fermentador:

1.- La selección de una cepa apropiada de una especie particular de microorganismo;

esto determina en gran parte la fase de crecimiento en la que se forma el producto, las

regiones de pH y temperatura que pueden considerarse, el grado de aerobicidad requerido y

el efecto probable de contaminación.

Proceso de fermentación para obtener yogurt hidrolizado.

2.- La selección de una configuración apropiada, es decir, una forma de fermentador

tipo tanque agitado discontinuo, fermentador tipo tanque agitado continuo, o fermentador

tubular, etc.

3.- La determinación de las dimensiones del fermentador, por ejemplo volumen y

diámetro, y los valores de las variables de operación, principalmente concentraciones,

temperaturas y pH, así como el tiempo del proceso para fermentadores discontinuos y

caudal para fermentación continua.

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA

Figura 3.

4.- El dimensionado de la superficie de transmisión de calor y los dispositivos de

mezclado requeridos.

5.- Las necesidades de potencia y aireación

6.- El diseño mecánico, incluyendo la selección de los materiales de construcción, y si se

requiere dispositivos para el mantenimiento de condiciones asépticas.

7.- Servicios o instalaciones de manipulación y control.

8.- Factores de seguridad

Además, para el diseño de un fermentador se requiere de conocimientos y experiencia en microbiología,

termodinámica, bioquímica, cinética microbiana y bioquímica, mecánica de fluidos, transferencia de

materia y calor, y economía. Se requieren dos tipos de información diferentes, la asociada con los

cambios bioquímicos que tienen lugar, y la relacionada con la velocidad a la que estos suceden.

Esquema general de un proceso de fermentación. Figura 4.

Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo,

es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso bioquímico que involucra organismos o

sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede

ser aeróbico o anaeróbico. Es comúnmente cilíndrico, variando en tamaño desde algunos

mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados de acero inoxidable. Puede ser

también un dispositivo o sistema empleado para crecer células o tejidos en operaciones de

cultivo celular.

Biorreactores

Diagrama generalizado del control de un Biorreactor Figura 5.

El biorreactor, es sin duda, uno de los equipos fundamentales de la microbiología industrial.

Es el recipiente donde se realiza el cultivo, y su diseño debe ser tal que asegure un

ambiente uniforme y adecuado para los microorganismos. Las "tareas" que realiza el

biorreactor pueden resumirse del siguiente modo:

a) Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo a fin de

prevenir la sedimentación o la flotación.

b) Mantener constante y homogénea la temperatura.

c) Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.

d) Suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo.

e) El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema

ha sido esterilizado y posteriormente sembrado con el microorganismo deseado.

Para satisfacer los cuatro primeros puntos es necesario que el biorreactor esté provisto de

un sistema de agitación, a demás para el punto d) se requiere de un sistema que inyecte aire

en el cultivo.

Existen dos tipos de biorreactores de uso muy difundido: el tanque agitado y al "air lift". En el

primero de ellos (Figura 6) la agitación se realiza mecánicamente mediante un eje provisto

de turbinas accionado por un motor.

Figura 6. Biorreactor de tanque agitado, le mezclado se

realiza mecánicamente

El aire se inyecta por la parte

inferior del tanque y es distribuido

por una corona que posee

pequeños orificios espaciados

regularmente. El chorro de aire

que sale de cada orificio es

"golpeado” por las paletas de la

turbina inferior generándose de

este modo miles de pequeñas

burbujas de aire, desde las cuales

difunde el 02 hacia el seno del

líquido.

En la figura 6, el sistema de agitación se completa con cuatro o seis deflectores que

tienen por finalidad cortar o romper el movimiento circular que imprimen las turbinas al

líquido, generando de este modo mayor turbulencia y mejor mezclado. El tanque está

rodeado por una camisa por la que circula agua, lo que permite controlar la temperatura.

Para tanques mayores que 1000 ó 2000 litros este sistema ya no es eficiente y es

reemplazado por un serpentín que circula adyacente a la pared interior del tanque.

Debe tenerse en cuenta que a medida que es mayor el volumen de cultivo también lo es

la cantidad de calor generado, por lo que se hace necesario una mayor área de

refrigeración. Los tanque son de acero inoxidable y están pulidos a fin de facilitar la

limpieza y posterior esterilización. El aire que ingresa al biorreactor debe estar estéril, lo

que se consigue haciéndolo pasar por un filtro cuyo diámetro de poro es de 0,45

micrones, que impide el paso de mircroorganismos y esporos.

Figura 7. Esquema de un bioreactor

del tipo “air lift”. El mezclado se realiza

mediante inyección de aire

En los reactores de tipo "air lift” (figura 7) es el

mismo aire inyectado al cultivo lo que promueve la

agitación. Básicamente consiste en dos cilindros

concéntricos y por la base de uno de ellos, por

ejemplo el interior, se inyecta aire. De este modo se

genera una circulación de líquido ascendente en el

compartimento interno y descendiente en el

externo, lo que favorece el mezclado.

M.Q. Ubaldo Baños Rodríguez

Ejemplos de Bioreactores

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA

Figura 8.

Los reactores biológicos de

membranas biodegradan los

contaminantes del agua,

procediendo a la separación de

éstos por membranas de

ultrafiltración. Permiten tratar

agua residual de tal forma que

se consigue una desinfección

primaria total, y el agua tratada

al final del tratamiento es útil

para el riego agrícola e incluso

para recargar los acuíferos. Figura 9.

Diagrama de elaboración de cerveza (ejemplo de fermentación industrial).

Fermentador

Figura 10.

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