Diseño de Reactores Biológicos

Tipo de Reactores y Principales Características

…Previamente pudimos ver qué eran las células, cómo trabajan y cómo crecen…

Por Ejemplo Qué hace una levadura?

Cinética de crecimiento microbiano

Cuantificación del crecimiento. Modelos cinéticos.

Modelos cinéticos de crecimiento controlados por sustrato

Modelos cinéticos - Inhibición

• Inhibición por sustrato

• Inhibición por producto

• Inhibición por productos tóxicos

•Competitiva

•No competitiva

•Acompetitiva

1ra. Decisión. Cómo será el esquema de cultivo

CONTINUO BATCH

Entre estos extremos , luego veremos que tenemos reactores con características intermedias. Las consideraciones de estas alternativas extremas, clarificarán aspectos importantes en la selección de los reactores

Batch o discontinuos

• Producción de biomasa o producto.

• Tiempo muerto (t1): – Preparación del reactor (esterilización y carga).

– Sembrado

– Recuperación del producto del reactor

• t1 debe considerarse dentro del cálculo de tiempo de proceso y depende del diseño del reactor y características del proceso (3-10 hs).

• La mayoría de los batch operan con una relación Xf/X0 ≈ 10-20.

Batch o discontinuos

•Volumen constante (VR = cte) •Cerrado para fase líquida.

•La concentración final de biomasa, Xf, depende del rendimiento y

de la cantidad de sustrato limitante

Consideraciones: •X0<<Xf

•Y se agota el sustrato

Modelo de Monod. No estructurado y no segregado

Batch o discontinuos

𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴 − 𝑆𝐴𝐿𝐼𝐷𝐴 + 𝐺𝐸𝑁𝐸𝑅𝐴𝐶𝐼𝑂𝑁 − 𝐶𝑂𝑁𝑆𝑈𝑀𝑂 = 𝐴𝐶𝑈𝑀𝑈𝐿𝐴𝐶𝐼𝑂𝑁

Balance de Masa Celular:

Balance de Masa para Sustrato:

Balance de Masa para el Producto:

Reactores continuos. Quimiostato

Balance de Masa Celular:

Reactores continuos. Quimiostato

y

Medio fresco: alimentación estéril

Medio fresco: alimentación estéril

Sustituyendo:

Si estamos en la etapa de crecimiento

exponencial: kd≈0

Si cumple Monod

Si hay gasto por mantenimiento y kd comienza a ser NO

despreciable

Reactores continuos. Quimiostato

Balance de masa para el sustrato:

Si estamos en la etapa de crecimiento

exponencial: kd≈0

Entonces de (1)

Considerando despreciable la generación de productos. Reemplazando por D y reacomodando:

(1)

Si hay gasto por mantenimiento y kd comienza a ser NO

despreciable

Rendimiento Aparente

Características de los reactores continuos

Ventajas

• Producción a gran escala de productos baratos (ej. Acido cítrico, acido láctico). Bajos costos de capital y de producción.

• Debido a la naturaleza auto catalítica de las reacciones biológicas, la productividad es elevada.

• Calidad de los productos constante

Desventajas. • Inestabilidad genética. Luego

de prolongados períodos de producción pueden generarse mutantes no productivos.

• Riesgo a infecciones. • Equipamiento aguas abajo

difícilmente pueda operarse en modo continuo.

• No son flexibles. • Inversión elevada. • No se logra conversión total de

sustrato

Características de los reactores discontinuos o batch

Ventajas

• Mayor Flexibilidad.

• Se reduce el riesgo de infecciones y mutaciones debido a que opera tiempos acotados y no se reutiliza la cepa.

• Util para la obtención de metabolitos secundarios, ya que la velocidad de su producción no está asociada a la del crecimiento de biomasa.

• Productos caros que se fabrican en pequeñas cantidades

Desventajas.

• Mayores costos operativos.

• Mayores tiempos de producción y por lo tanto, menor productividad.

Otros esquemas

Fed-Batch o semicontinuo

• Aprovechar las ventajas del sistema continuo disminuyendo el riesgo de mutaciones e infecciones.

• Se logra incrementar, por ej el rendimiento de la levadura panadera, al incorporar gradualmente el sustrato que podría producir inhibición o generación indeseable de alcohol

Y teniendo en cuenta que D = F/V

La velocidad de crecimiento se ve regulada por la alimentación por lo que S ~ 0, o sea que el sustrato es completamente consumido apenas ingresa en el biorreactor y por lo tanto dX/dt ≈ 0.

Recirculación de biomasa. Quimiostato con retención celular

•Para lograr mayor conversión de sustrato. •Alta densidad celular. Permite trabajar con mayores D sin riesgo de lavado.

Bioreactores de membrana o fibra hueca

•También se los denomina de perfusión si se utilizan con células animales. •Ventaja adicional frente al reciclo mediante centrifugación, es que se pueden remover subproductos inhibitorios o enzimas que se liberan de células muertas

Sistemas de quimiostatos multietapas.

Si el producto deseado es un metabolito secundario, claramente este arreglo es más eficiente que un solo reactor. Generalmente el crecimiento celular se dará en la 1ra etapa y el producto en la segunda

Reactores continuos. FPI

Características de FPI

Ventajas

• Se obtienen altas conversiones de sustrato.

• Operación en lecho fijo. Enzimas o células inmovilizadas. Biofilms reactors.

• Alta conversión de sustratos en estado gaseoso (loop reactors).

Desventajas

• Requiere alimentación de células. Se puede utilizar a continuación de otro reactor.

• La gran diferencia entre los tiempos de retención del gas y del líquido impiden el uso de FPI en simple paso.

Características de sistemas inmovilizados

Ventajas • Proveen alta concentración celular. • Reutilización de las células sin

necesidad de reciclo. • Se elimina el problema de “wash

out” a altas velocidades de dilución.

• Altas productividades . • Mejora estabilidad genética. • Disminuye daño por abrasión de

las células. • Muy útiles para tratamiento de

aguas y bioremediación. • Eliminación de un compuesto

tóxico de una corriente.

Desventajas

• No se pueden usar para productos que no sean excretados por la célula.

• Limitaciones por transferencia de masa.

• El sistema se torna muy heterogéneo por las limitaciones de transporte y es difícil de controlar.

• Si las células están vivas, el crecimiento y la evolución de gases ocasiona problemas y puede conducir a ruptura de soporte.

Configuraciones. Escalado

LOOP –reactor: una combinación útil de tanque agitado y FPI

Agitación orbital