Ingeniería de Biorreactores: Ingeniería de Biorreactores:

Aspectos GeneralesAspectos Generales

Biorreactor Biorreactor

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

Este proceso puede ser Este proceso puede ser aeróbico o o anaeróbicoanaeróbico. Estos biorreactores son . Estos biorreactores son comúnmente comúnmente cilíndricoscilíndricos, variando en , variando en tamaño desde algunos mililitros hasta tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente metros cúbicos y son usualmente fabricados en fabricados en acero inoxidableacero inoxidable..

Una Una fermentación es un proceso es un proceso biológicobiológico o o bioproceso que consiste en la bioproceso que consiste en la descomposición descomposición de la materia orgánica por microorganismosde la materia orgánica por microorganismos fermentadores (fermentadores (bacterias y hongos).bacterias y hongos).

Un Un cultivo también es un bioproceso, pero también es un bioproceso, pero generalmente se asocia a organismos o generalmente se asocia a organismos o microorganismos superioresmicroorganismos superiores (en orden (en orden jerárquico) a las bacterias; los cultivos son casi jerárquico) a las bacterias; los cultivos son casi todos del Reino Eucariota.todos del Reino Eucariota.

Biorreactores Biorreactores

Biorreactor Biorreactor

Aquí se busca mantener las mejores Aquí se busca mantener las mejores condiciones ambientales al organismo o condiciones ambientales al organismo o sustancia química. sustancia química.

En función de flujos de entrada y salida.En función de flujos de entrada y salida.3 tipos:3 tipos:

Por Lote (Batch)Por Lote (Batch)Lote alimentadoLote alimentadoContinuo o quimiostatoContinuo o quimiostato

Diseño de biorreactoresDiseño de biorreactores

Las condiciones ambientales de un Las condiciones ambientales de un biorreactor tales como flujo de gases (por biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo, oxígeno, ejemplo, oxígeno, nitrógeno, , dióxido de carbono, etc.), , etc.), temperatura, , pHpH, , oxígeno disuelto y velocidad de y velocidad de agitación o circulación, deben ser o circulación, deben ser cuidadosamente cuidadosamente monitoreadas y monitoreadas y controladascontroladas..

Diseño de biorreactores Diseño de biorreactores

El cilindro debe ser perfectamente esterilizable y El cilindro debe ser perfectamente esterilizable y limpiable.limpiable.

Los biorreactores industriales usualmente Los biorreactores industriales usualmente emplean emplean bacterias u otros organismos simples u otros organismos simples que pueden resistir la que pueden resistir la fuerza de agitación. de agitación.

Siendo fáciles de mantener ya que requieren Siendo fáciles de mantener ya que requieren sólo soluciones simples de sólo soluciones simples de nutrientes nutrientes y pueden y pueden crecer a crecer a grandes velocidadesgrandes velocidades

Biorreactor Biorreactor

El proceso debe ser llevado a cabo con:El proceso debe ser llevado a cabo con:EconomíaEconomíaAlto rendimientoAlto rendimientoMenor tiempo posibleMenor tiempo posible

Biorreactor: cultivos Biorreactor: cultivos

La cinética biológica depende de las La cinética biológica depende de las características intrínsecas del organismo o características intrínsecas del organismo o del cultivo:del cultivo:

Crecimiento celularCrecimiento celularVelocidad de crecimiento Velocidad de crecimiento

Cinética de crecimientoCinética de crecimiento

Velocidad de crecimiento:Velocidad de crecimiento:CambioCambio en el en el número de célulasnúmero de células o en la masa o en la masa

celular en un determinado celular en un determinado tiempotiempo..

Tiempo de duplicación o generaciónTiempo de duplicación o generaciónTiempo Tiempo necesarionecesario para que una para que una poblaciónpoblación se se

dupliquedupliqueVaría entre cada microorganismoVaría entre cada microorganismo

Curva de crecimiento microbianoCurva de crecimiento microbiano

4 fases4 fasesDistinta para cada Distinta para cada

microorganismomicroorganismo

Fase de latencia o lagFase de latencia o lag

Fase de Fase de adaptaciónadaptación a las condiciones a las condiciones ambientalesambientales

Duración variableDuración variableSe Se sintetizan proteínas y ARNsintetizan proteínas y ARNDuplicación insignificativaDuplicación insignificativa

Ocurre cuando se transfiere un inoculo Ocurre cuando se transfiere un inoculo desde un medio rico a un medio más desde un medio rico a un medio más pobre.pobre.

Fase exponencialFase exponencial

Duplicación celularDuplicación celular Actividad Actividad metabólica metabólica Estado fisiológico más sanoEstado fisiológico más sanoVelocidad de crecimiento variableVelocidad de crecimiento variable

Condiciones medio ambientalesCondiciones medio ambientalesGenética Genética

Se alarga hasta que se agotan los Se alarga hasta que se agotan los nutrientesnutrientes

Fase estacionariaFase estacionaria

El El número de células viables es igual número de células viables es igual número de células muertasnúmero de células muertas

Nutriente limitanteNutriente limitanteProductos de desechosProductos de desechos

Fase de muerteFase de muerte

La La muerte celularmuerte celular se vuelve exponencial se vuelve exponencialCanibalismoCanibalismoAutolisis bacterianasAutolisis bacterianas

Cinética de crecimientoCinética de crecimiento

Biorreactor: objetivosBiorreactor: objetivos

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

Mantener Mantener constante y homogénea la constante y homogénea la temperatura. temperatura.

MinimizarMinimizar los los gradientesgradientes de de concentraciónconcentración de de nutrientesnutrientes. .

Mantener el Mantener el cultivo purocultivo puro. . Mantener un Mantener un ambiente asépticoambiente aséptico. . Maximizar el rendimiento y la producción. Maximizar el rendimiento y la producción. Minimizar el gasto y los costos de producción. Minimizar el gasto y los costos de producción. Reducir al máximo el tiempo. Reducir al máximo el tiempo.

Parámetros a controlarParámetros a controlar

Temperatura:Temperatura:Afecta el crecimiento del cultivo de Afecta el crecimiento del cultivo de

microorganismos o celular.microorganismos o celular.Conforme aumenta la temperaturaConforme aumenta la temperaturaPor encima de la temperatura máxima.Por encima de la temperatura máxima.

SensoresSensores

Laboratorio: intercambiador de calorLaboratorio: intercambiador de calor

Parámetros a controlarParámetros a controlar

pHpH El rango normal de acidez es de El rango normal de acidez es de 2,0 ≥ pH ≤ 10,0. 2,0 ≥ pH ≤ 10,0. El pH es controlado por el metabolismo celular.El pH es controlado por el metabolismo celular.

Levadura: 3,5-5,5Levadura: 3,5-5,5 Bacterias 6,0 y 7,5Bacterias 6,0 y 7,5

Equipos:Equipos: Condensador de acidezCondensador de acidez Condensador de alcalinoCondensador de alcalino Bombas peristálticas con mangueras de siliconasBombas peristálticas con mangueras de siliconas

Parámetros a controlarParámetros a controlar

Espuma Espuma Densas y jabonosas : productos oxidadosDensas y jabonosas : productos oxidadosProblemas funcionalesProblemas funcionalesContaminación del cultivoContaminación del cultivoNo se pueden realizar bien las medicionesNo se pueden realizar bien las mediciones

Solución:Solución:AntiespumanteAntiespumanteControlador Controlador sensorsensor

Tipos de biorreactoresTipos de biorreactoresReactor de tanque Reactor de tanque

agitado:agitado:Más utilizadosMás utilizadosConfiablesConfiablesSistema de agitación Sistema de agitación

mecánica mecánica

Características Características

Agitación continuaAgitación continua Inyección de aire por la parte inferiorInyección de aire por la parte inferior

Burbujas: difusión de oxígeno Burbujas: difusión de oxígeno Contiene vanos de flectores:Contiene vanos de flectores:

Mejor mezcladoMejor mezcladoSistema de calor por fueraSistema de calor por fuera

Tanque agitado: consideracionesTanque agitado: consideraciones

Diseño:Diseño:Dimensiones para poder escalar.Dimensiones para poder escalar.Relaciones adimensionalesRelaciones adimensionales

3<H/Dt3<H/Dt> 1> 1

½< Da/Dt> ¼½< Da/Dt> ¼1/4>C/Ht> ½ 1/4>C/Ht> ½

Sistema de agitación: Sistema de agitación: Generar la Generar la potenciapotencia necesaria para necesaria para producirproducir una una

mezcla perfectamezcla perfecta para el sistema de cultivo para el sistema de cultivo MaximizarMaximizar la la difusión de gasesdifusión de gases en el líquido y en el líquido y

minimizar la producción de esfuerzos cortantes y la minimizar la producción de esfuerzos cortantes y la presión hidrodinámica local y global, para optimizar presión hidrodinámica local y global, para optimizar los fenómenos de transferencia de momentum, calor los fenómenos de transferencia de momentum, calor

y masa.y masa.

Componentes sistema de agitaciónComponentes sistema de agitación

Eje de transmisión de potencia Rotor

Motor en pedestal

Reactor “air lift”Reactor “air lift”

La agitación la entrega el La agitación la entrega el aire proporcionadoaire proporcionado

Modos de operaciónModos de operación

Quimiostato o cultivo continuoQuimiostato o cultivo continuoSe mantiene por un tiempo indefinido Se mantiene por un tiempo indefinido

Existe un Existe un flujo continuoflujo continuo de reactivos frescos hacia el de reactivos frescos hacia el reactor y el reactor y el producto fluyeproducto fluye continuamente hacia fuera. continuamente hacia fuera.

Se compone de:Se compone de:Un reactor con un volumen de cultivo constanteUn reactor con un volumen de cultivo constanteEntrada de nutrientes constanteEntrada de nutrientes constanteSalida biomasaSalida biomasa

Pasos:Pasos: Cargarse con ínóculo de cultivoCargarse con ínóculo de cultivo Agregar medio de cultivo frescoAgregar medio de cultivo fresco Lavar (flujo de salida)Lavar (flujo de salida)

Mantener el volumen constanteMantener el volumen constante

Una vez que el sistema alcanza el equilibrio, el Una vez que el sistema alcanza el equilibrio, el número de células y la concentración de número de células y la concentración de nutrientes en la cámara permanecen nutrientes en la cámara permanecen constantes, y entonces se constantes, y entonces se dice que el sistema dice que el sistema está en estado estacionarioestá en estado estacionario, con las células , con las células creciendo exponencialmente.creciendo exponencialmente.

En un En un sistema continuosistema continuo con mezcla con mezcla completa, las completa, las condiciones son uniformescondiciones son uniformes en todo el reactor, en un equilibrio de en todo el reactor, en un equilibrio de mezcla de nutrientes, organismos y mezcla de nutrientes, organismos y productos.productos.

La La alimentaciónalimentación del sistema es medio del sistema es medio nutriente nutriente libre de organismoslibre de organismos y, en y, en algunos casos, un algunos casos, un inóculo de organismos inóculo de organismos reciclados. reciclados.

Este método de cultivo continuo, permite a Este método de cultivo continuo, permite a los organismos los organismos crecer en condiciones de crecer en condiciones de estado estacionarioestado estacionario, en las que el , en las que el crecimiento ocurre a una crecimiento ocurre a una velocidad velocidad constante y en un medio ambiente constante y en un medio ambiente constante.constante.

Cultivo por Lote (Batch)Cultivo por Lote (Batch)

El El reactor se cargareactor se carga con la especie reactiva con la especie reactiva y, a medida que procede la reacción, y, a medida que procede la reacción, cambian las condicionescambian las condiciones en el reactor al en el reactor al consumirse los reactivos y consumirse los reactivos y formarse los formarse los productos. productos.

Cuando se ha alcanzado el nivel deseado Cuando se ha alcanzado el nivel deseado de reacción, de reacción, se vacía el reactor,se vacía el reactor, se limpia se limpia y el proceso se repite. y el proceso se repite.

El crecimiento El crecimiento exponencialexponencial es de es de duración duración limitadalimitada

A medida que las condiciones A medida que las condiciones nutricionales cambian, nutricionales cambian, la velocidad de la velocidad de crecimiento disminuyecrecimiento disminuye y se entra en la y se entra en la fase de deceleración, seguida de la fase fase de deceleración, seguida de la fase estacionaria, donde el crecimiento global estacionaria, donde el crecimiento global no se obtiene, por falta de nutrientes.no se obtiene, por falta de nutrientes.

Ventajas Ventajas

menor riesgo de contaminaciónmenor riesgo de contaminación flexibilidad operacional cuando los flexibilidad operacional cuando los

fermentadores se utilizan para distintos fermentadores se utilizan para distintos productosproductos

control más cercano de la estabilidad control más cercano de la estabilidad genética del organismogenética del organismo

una mejor coordinación con estadios del una mejor coordinación con estadios del proceso entre lotes previos y posteriores.proceso entre lotes previos y posteriores.

Desventajas Desventajas

Improductividad en la operación del Improductividad en la operación del fermentadorfermentadorLos fermentadores deben ser vaciados,

limpiados, esterilizados y recargados antes de cada fermentación, operaciones todas esenciales pero no productivas.

En un proceso continuo, por el contrario, una corrida puede durar semanas o meses, es decir que el tiempo no productivo es, en proporción, pequeño