| RESULTADO DE APRENDIZAJE

DIVISIN ACADMICA: PROCESOS ALIMENTARIOS Y BIOTECNOLGICOSCARRERA: INGENIERA EN PROCESOS BIOTECNOLGICOS

ASIGNATURA: INGENIERA DE LAS FERMENTACIONESCATEDRTICO: ING. JUAN GABRIEL SNCHEZ VSQUEZ

ALUMNO: ANTONIO PEATE PREZCUATRIMESTRE: 8VO GRUPO: AFECHA: 23/03/2015

INTRODUCCIN Los birreactores son los medios de cultivo optimizados empleados para laproduccin de sustancias a gran escala. Por ejemplo, las grandes cubas devino o de cerveza, que pueden llegar a contener 30 mil litros de lquido se consideran birreactores, puesto que otorgan a las levaduras fermentadoras su medio de crecimiento ptimo para la funcin deseada. Aunque en estos casos concretos, donde se pretende que un organismo realice una fermentacin, los birreactores se denominan tambinfermentadores.Existen birreactores de muchos tipos, casi tantos como reacciones que se quieren llevar a cabo.Dependiendo del cultivo biolgicoque quiere llevare a cabo pueden dividirse en los que son para organismosaerobios, anaerobios o aerobios facultativos. En cada uno de ellos elsistema de aireacin o aislamiento variar.Del mismo modo, dependiendo del organismo, su crecimiento se ver favorecido por una aireacin con burbujas, como en el caso de lquenes, o con agitacin, la aireacin ms normal en crecimiento bacteriano. En el caso de lasfermentacionesdebe tenerse en cuenta si la fermentacin esen superficie(solo se sella a cabo en la parte de arriba del lquido), donde deber dejarse un poco de aire en la parte de arriba del fermentador. O enprofundidad(en todo el volumen del fermentador), donde la poca aireacin que necesiten las levaduras deber proporcionarse con la reposicin del medio cada cierto tiempo.

COMPONENTES DE UN BIORREACTOR

Cuerpo del birreactor: recipiente o contenedor que alberga al cultivo o microorganismo. El contenedor es la frontera fsica entre el ambiente externo contaminado y el ambiente interno controlado. Un tanque contenedor o cuerpo del birreactor se debe construir en acero inoxidable austentico, por sus caractersticas qumicas y fsicas superiores; usualmente se prefiere los aceros de las series 316.

Sistema de agitacin: tiene la funcin de generar la potencia necesaria para producir una mezcla perfecta para el sistema de cultivo y producir un rgimen de agitacin adecuado que, maximice la difusin de gases en el lquido y minimice la produccin de esfuerzos cortantes y la presin hidrodinmica local y global, para optimizar los fenmenos de transferencia de momentum, calor y masa.

Puerto de entrada del birreactor: se denomina puerto a la superficie fsica sobre el cual se instala un dispositivo de entrada o salida al birreactor, un anclaje o un aparato mecnico o de medicin; 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 birreactor.Sello mecnico: su funcin es triple: evitar la contaminacin, mantener hermtico el sistema, servir de amortiguador de friccin. El sello mecnico tambin debe permitir la esterilizacin in situ del birreactor, mediante una lnea de vapor sobrecalentado.Eje transmisor de potencia: transmite la potencia del motor al impulsor a travs de las hojas de agitacin. Existen ejes en los cuales ya vienen incorporadas hojas o aspas de agitacin, se disean para operar en uno de dos sistemas de flujo, segn sea, la orientacin espacial de las hojas o aletas.

Agitadores: Deflectores o bafles: Su funcin es la de mezclar homogneamente la fermentacin. Cuando se emplean agitadores de aspas para agitar fluidos de baja viscosidad en tanques sin deflectores (o bafles) se genera un vrtice. La profundidad del vrtice crece con la velocidad hasta que eventualmente el vrtice pasa por el agitador. La eficiencia del mezclado en un sistema con vrtice es usualmente menor que la correspondiente en el sistema sin ella. Para eliminar esta problemtica, comnmente se colocan cuatro deflectores al tanque con un ancho de 1/10 el dimetro del tanque.

Control de temperatura: Mantiene estable y dentro de un rango ptimo requerido por el cultivo para su mximo crecimiento, la temperatura interna del sistema.Un sistema de intercambio trmicoIntercambiador de calor: dispositivo de intercambio trmico que absorbe el calor excedente. Se define por su rea de transferencia de calor; a mayor rea de transferencia de calor, mayor capacidad de absorber calor.

Un sistema de controlControlador de temperatura: sistema que ordena y regula la accin del motor que controla el servo- vlvulas que regulan el flujo de lquido fro o caliente.Un sistema de medicinSensor de temperatura: sonda (termocopla) que mide la temperatura.

Un servo controlServo controlador de temperatura: controla la temperatura a la que debe abrir o cerrar la vlvula solenoide.

Un sistema regulador de paso de flujoVlvula solenoide: servo mecanismo actuador que regula el flujo (paso) de lquido por la tubera o lnea de paso (abre o cierra el flujo del lquido).

Un sistema de conduccin de fluidoTuberas de conduccin de agua: el agua es fluido trmico por excelencia para la transferencia de calor por conduccin a travs de las paredes metlicas de la tubera. stas deben ser de acero inoxidable.Las tuberas deben anclarse al cuerpo del birreactor mediante un puerto de entrada que es soporte hermtico que la sujeta a la superficie plana.Control de pH (potencial de hidrgeno): 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.Sensor de pH: sonda o probeta electroqumica que mide la acidez y dice al controlador de pH, la situacin del medio.

Bombas peristlticas: Las bombas peristlticas permitirn agregar el cido o lcali al proceso, segn sea necesario.

Sensor de oxgeno disuelto: Para el oxgeno disuelto se utiliza un sensor de tipo polarogrfico con conector VP, como se ve en la figura 6. Su rango de medida est comprendido entre 0 y 250 %.

Torre de control: Este elemento se encarga de monitorizar y controlar todas las variables del proceso del birreactor, como agitacin, temperatura, pH, oxgeno disuelto y otras posibles variables del proceso.

TIPOS DE BIRREACTORESBirreactor de Tanque AgitadoLa mezcla y dispersin de las burbujas se alcanza mediante agitacin mecnica, lo cual requiere una relativa gran cantidad de energa por unidad de volumen. Los deflectores se utilizan para reducir la formacin de vrtices. Existe una amplia variedad de formas y tamaos diferentes de rodetes que producen diferentes tipos de flujo dentro del recipiente. En los fermentadores altos se instalan varios rodetes para mejorar la mezcla.

Figura 1: Fermentador de tanque agitado tpico para cultivos aerobios.El control de la temperatura y de la transmisin de calor en los reactores agitados puede resolverse mediante la colocacin de serpentines de refrigeracin internos, sin embargo tambin se pueden utilizar camisas externas o intercambiadores de calor externo. Los fermentadores agitados se utilizan para reacciones con enzimas libres e inmovilizadas, as como para el cultivo de clulas en suspensin e inmovilizadas. Cuando se utilizan determinados catalizadores que pueden ser daados o destruidos por el rodete cuando gira a gran velocidad es necesario tener un cuidado especial. Elevados niveles de cizalla pueden tambin daar las clulas sensibles, principalmente en el cultivo de clulas animales o vegetales.Transferencia de OxigenoLa velocidad de transferenciade oxgeno en un birreactoragitado depende de lascondiciones de agitacin yaireacin y de lascaractersticas del caldo de cultivo.Columna de burbujasLa constituyen aquellos reactores sin agitacin mecnica. En los reactores de columna de burbujas, la aireacin y la mezcla se alcanza mediante la inyeccin de gas, proceso que requiere menos energa que la agitacin mecnica. Las columnas de burbujas se utilizan industrialmente para la produccin de levadura de panadera, cerveza y vinagre, y en el tratamiento de aguas residuales.La hidrodinmica de la columna de burbujas y las caractersticas de la transmisin de calor depende por completo del comportamiento de las burbujas formadas en el difusor. Existen diferentes regmenes de flujo dependiendo del caudal de gas, del diseo del difusor, del dimetro de la columna y de las propiedades del medio como puede ser la viscosidad.

Fig. 2 Reactor de Columna de burbujas

Transferencia de oxgenoLa transferencia de materia gas-lquido en reactores depende fuertemente del dimetro de la burbuja y de la cantidad de gas existente en la columna. En columnas de burbujas que contienen lquidos no viscosos, estas variables dependen nicamente del caudal de gas. Sin embargo, como en los reactores de columna de burbujas es imposible predecir con exactitud los tamaos de las burbujas y las corrientes de circulacin de lquido es difcil calcular con exactitud el coeficiente de transferencia de materia.La velocidad de transferencia de oxigeno esdeterminada de manera importante por el reasuperficial de las burbujas de aire, de aqu que elaire se disperse en forma de burbujas pequeaspara proveer una granrea de contacto entrelasfases liquida ygaseosa. Sinembargo, enalgunoscaldos de fermentacin, las burbujas pequeastienden a unirse formando burbujas msgrandes.Dependiendo de las propiedades fsicas del caldode cultivo y de la intensidad de la turbulenciadentro del birreactor, las burbujas puedencrecer hasta aproximadamente 6 mm dedimetro despus de dejar la zona de dispersin. Este fenmeno conocido como coalescencia delas burbujas, es causado por el hecho de que unapelculaliquidaentredosburbujasdeaireadyacentes se hace cada vez ms delgada hastaque eventualmente se rompe.Lechos empaquetadosEl reactor consiste en un tubo, generalmente vertical, relleno o empaquetado con partculas de catalizador. El medio de cultivo puede alimentarse por la parte superior o inferior de la columna y forma una fase lquida continua entre las partculas. En los lechos empaquetados, el dao debido al desgaste de las partculas es mnimo en comparacin con los reactores agitados. Los reactores de lecho empaquetado han sido utilizados a nivel comercial con clulas y enzimas inmovilizadas para la produccin de aspartato y fumarato, la conversin de penicilina a cido 6-aminopenicilnico y en la resolucin de ismeros de aminocidos.Transferencia de OxigenoLa transferencia de materia entre el medio lquido y el catalizador slido se facilita trabajando a caudales elevados de lquido a travs del lecho para lo cual normalmente se recircula el lquido, tal como se muestra en la Figura 3. Para evitar que el catalizador se arrastre fuera de la columna se colocan pantallas a la salida del lquido. Las partculas deben ser relativamente incompresibles y capaces de soportar su propio peso en la columna sin deformarse y obstruir el flujo del lquido. El medio recirculado debe estar tambin limpio y libre de desechos para evitar el taponamiento del lecho. La aireacin se realiza generalmente en un recipiente separado ya que si se inyectara el aire directamente en el lecho, la coalescencia de las burbujas producira bolsas de gas y canalizaciones o una distribucin deficiente del flujo. Los lechos empaquetados no pueden utilizarse en aquellos procesos que produzcan grandes cantidades de dixido de carbono u otros gases que puedan quedar atrapados en el relleno.

Fig. 3 Reactor de lecho empaquetado con recirculacin del medio.

Reactor de tiro o corriente de aireAl igual que en las columnas de burbujas, en los reactores de tiro de aire la mezcla se produce sin agitacin mecnica. Los reactores de tiro de aire se utilizan a menudo para cultivos de clulas animales y vegetales, y catalizadores inmovilizados porque los niveles de cizalla son bastante inferiores que en los reactores agitados. Existen varios tipos diferentes de reactores de tiro de aire. El rasgo caracterstico que los diferencia de los de columna de burbujas es que las corrientes de flujo de lquido estn ms definidas debido a la separacin fsica de las corrientes ascendentes y descendentes.Trasferencia de OxgenoEl gas es inyectado nicamente en una parte de la seccin del reactor denominado riser. El gas existente en el reactor y la disminucin de densidad producen un movimiento ascendente del lquido en el riser. El gas se retira del lquido en la parte superior del reactor dejando el lquido ms pesado libre de las burbujas y se recircula a travs del downcomer. El lquido circula en los reactores de tiro de aire como resultado de la diferencia de densidad entre el riser y el downcomer.

Fig.3 Configuraciones de reactores de tiro de aire.

La Figura 4 muestra las configuraciones ms comunes de reactores de tiro de aire. En los reactores de bucle interno de las Figuras 4(a) y 4(b), el riser y el downcomer estn separados por un deflector interno o tubo de tiro. El aire puede inyectarse bien en el tubo de tiro o en el anillo. En los reactores de tiro de aire de bucle externo de la Figura 4(c), se conectan dos tubos verticales separados mediante pequeas secciones horizontales en la parte superior e inferior. En este dispositivo, la separacin del gas es ms efectiva que en los reactores de bucle interno ya que el riser y el downcomer se encuentran separados. Asimismo, en el downcomer se arrastran muy pocas burbujas, lo que provoca que la diferencia de densidad entre los fluidos del riser y del downcomer aumente y la circulacin de lquido en el reactor sea ms rpida. Por consiguiente, la mezcla es generalmente mejor en los reactores de bucle externo que en los de bucle interno.Se ha comprobado que tanto el contenido de gas en el tubo como las velocidades de transferencia de materia gas-lquido son similares en los reactores de tiro de aire con bucle interno y en los de columna de burbujas. Sin embargo, en los reactores de bucle externo, la casi completa retirada del gas aumenta la velocidad del lquido y disminuye el contenido de gas en el tubo, por lo que las velocidades de transferencia de materia, a igual velocidad, son menores que en los reactores de columna de burbujas.La elevada presin hidrosttica existente en el fondo de dicho reactores mejora considerablemente la transferencia de materia gas-lquido. La altura de los reactores de tiro de aire es generalmente alrededor de 10 veces su dimetro, aunque para sistemas de pozo profundo la relacin altura-dimetro puede aumentar hasta 100.Lechos fluidizadosCuando se hace fluir hacia arriba un lquido sobre un lecho empaquetado de partculas de catalizador de tamao y densidad apropiados, ste se expande debido al movimiento ascendente de las partculas.El fundamento consiste en aprovechar que las partculas presentes en los lechos fluidizados estn en continuo movimiento y no se producen canalizaciones ni atascos en el mismo, el aire puede introducirse directamente en la columna.

Fig. 5 Reactor de lecho fluilizados.

Lecho de goteoEl reactor de lecho de goteo es otra variacin del lecho empaquetado. El lquido es rociado en forma de spray sobre la parte superior del empaquetamiento y las gotas descienden a travs del lecho en forma de pequeas corrientes. Transferencia de OxgenoEl aire puede introducirse por la base, y puesto que la fase lquida no es continua a travs de la columna, el aire o cualquier gas se mueve con relativa facilidad alrededor del empaquetamiento.Fig.6 Reactor de goteo.

TIPOS DE AGITADORESLos tres tipos principales de agitadores son, Paletas TurbinaHliceAgitadores de paleta o palaConsiste en una hoja plana sujeta a un eje rotatorio. Los agitadores de pala sencillos producen una accin de mezcla suave, que es con frecuencia la conveniente para el trabajo con materiales cristalinos frgiles. Son tiles para operaciones de simple mezcla, como, por ejemplo, la mezcla de lquidos miscibles o la disolucin de productos slidos. Los agitadores industriales de paletas giran a una velocidad comprendida entre 20 y 150 rpm. La longitud del rodete de un agitador de paletas es del orden de 50 al 80% del dimetro interior del tanque. La anchura de la paleta es de un sexto a un dcimo de su longitud. A velocidades muy bajas, un agitador de paletas produce una agitacin suave, en un tanque sin placas deflectoras o cortacorrientes, las cuales son necesarias para velocidades elevadas. De lo contrario el lquido se mueve como un remolino que gira alrededor del tanque, con velocidad elevada pero con poco efecto de mezcla.

Agitadores de HlicePoseen elementos impulsores de hojas cortas (corrientemente de menos de del dimetro del tanque); giran a gran velocidad (de 500 a varios millares de r.p.m).Las hlices no son muy efectivas si van montadas sobre ejes verticales situados en el centro del depsito de mezcla.Agitadores de TurbinaEstn constituidos por un componente impulsor con ms de cuatro hojas, montadas sobre el mismo elemento y fijas a un eje rotatorio. Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; en lquidos poco viscosos, producen corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque y destruyen las masas de lquido estancado. El agitador de turbina semiabierto, conocido como agitador de disco con aletas, se emplea para dispersar o disolver un gas en un lquido. El gas entra por la parte inferior del eje del rodete; las aletas lanzan las burbujas grandes y las rompen en muchas pequeas, con lo cual se aumenta grandemente el rea interfacial entre el gas y el lquido.

REOLOGA DE LA FERMENTACIN Las mezclas de fermentacin estn constituidas por agua, electrolitos, slidos en suspensin (partculas, flculos y materiales filamentosos) y materiales disueltos. Estas sustancias determinan el comportamiento reolgico y la tensin superficial de la mezcla, e influyen sobre la transferencia de momentum, calor y masa en los birreactores.Inconvenientemente la mayor parte de la informacin disponible sobre consumo de potencia por agitacin, transferencia de calor y transferencia de masa, se fundamenta en datos obtenidos con agua. El agua y las soluciones de electrolitos manifiestan un comportamiento reolgico sencillo descrito por la ley de Newton, Bird et al., (1960). La mayora de los medios de fermentacin con bacterias y levaduras tambin manifiestan un comportamientoNewtoniano. Los medios donde participan clulas miceliales o donde se forman compuestos polimricos, se comportan generalmente como fluidosno Newtonianos.La determinacin del comportamiento reolgico de un fluido, requiere la construccin de un reograma a partir del ajuste de los datos experimentales que se obtienen con un viscosmetro, dentro de un amplio intervalo de valores de la viscosidad. Metz et al. (1979), describen algunos mtodos de obtencin de las propiedades reolgicas de los cultivos miceliales. Charles (1978), clasifica las mezclas de fermentacin en tres categoras: cultivos miceliales, cultivos con polisacridos extracelulares, y cultivos de bacterias y levaduras.La figura 1 es una representacin cualitativa de los reograma tpicos de algunas mezclas de fermentacin. Los resultados experimentales reportados por diferentes investigadores, corresponden generalmente a datos que se obtienen en diversos tipos de viscosmetros, factor que influye sobre los resultados y dificulta la confrontacin de los valores, aun tratndose de la misma mezcla.

CONCLUSINLa fermentacin es un proceso mediante el cual ocurren reacciones qumicas debido a la presencia de microorganismos o enzimas de estas. En los procesos industriales, las fermentaciones se llevan a cabo en un reactor que se conoce como fermentador. El tamao de los fermentadores puede variar, dependiendo del tipo de proceso y con los volmenes que se recogen al final. Es por eso es muy importante conocer el tipo de Biorreactores , para conocer cmo va a ser el proceso fermentativo de la mezcla.