“BIOREACTORES”. El biorreactor ideal debe:  Mantener las células uniformemente distribuidas en el volumen de cultivo.  Mantener constante y homogénea.

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1 “BIOREACTORES”

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4 El biorreactor ideal debe:  Mantener las células uniformemente distribuidas en el volumen de cultivo.  Mantener constante y homogénea la temperatura.  Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.  Mantener el cultivo puro.  Mantener un ambiente aséptico.  Maximizar el rendimiento y la producción.  Minimizar el gasto y los costos de producción.  Reducir al máximo el tiempo del proceso.

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6 CLASIFICACIÓN DE BIORREACTORES  Por su forma y tipo de agitación  De acuerdo a las fases: homogéneos o heterogéneos  Por el tipo de operación (continuos, semicontinuos, discontinuos)  Biorreactores especiales: de estado sólido y fotobiorreactores

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8 Fermentador de lecho fluidizado

9 Por su forma y tipo de agitación  Agitación mécanica: utilizan equipos mecánicos  Agitación néumatica: utilizan gas a presión

10 Biorreactor de columna CARACTERISTICAS GENERALES  Agitados neumáticamente (gas a presión)  Aireados: Distribuidores de aire.  Transferencia de calor: Serpentines, Cambiador externo.  Tipo de operación: Discontinua, Continua  Accesorios: recirculación (AIR-LIFT)  Células susceptibles a daño.

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18 Clasificación de biorreactores de acuerdo a las fases: Biorreactores homogeneos: las células (o enzimas) permanecen en suspensión en el medio de cultivo durante todo el proceso. Biorreactores heterogeneos: las células (o enzimas) están unidas a una fase solida en contacto eco el medio de cultivo.

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22 Biorreactor de filtro ó de malla.

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24 TIPOS DE MEMBRANAS

25 Clasificación por el tipo de operación  Proceso continuos  Procesos en batch o discontinuos  Procesos en batch alimentado o semicontinuos

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27 Modo discontinuo o Batch  El crecimiento de microorganismos en batch se refiere a que las células se cultivan con una concentración inicial, pero sin que esta sea alterada por nutrientes adicionales o el lavado, por lo que el volumen permanece constante y solo las condiciones ambientales del medio son controladas por el operador.

28  El proceso finaliza cuando todo el substrato es consumido por la biomasa. Esta forma de cultivo es simple y se utiliza extensamente, tanto en laboratorios como a escala industrial.

29 Modo Semicontinuo o Fed-batch  En este tipo de cultivo, los nutrientes son alimentados al bioreactor de forma continua o semicontinua, mientras que no hay efluente en el sistema.  La adicion intermitente del sustrato mejora la productividad de la fermentación manteniendo baja la concentración del sustrato, esto es manipulado de acuerdo al objetivo de la operacion

30 Modo Continuo  Este método consiste en alimentar nutrientes y retirar productos continuamente de el bioreactor. Bajo ciertas condiciones el cultivo puede alcanzar un estado estacionario, donde no existe variación con el tiempo del volumen del bioreactor.

31  De esta manera se puede utilizar para producir sustancias biológicas a condiciones optimas y para estudios fisiológicos.  Existen dos tipos de bioreactores para este metodo: Tipo tanque completamente agitado(CSTR) Tipo tubo con flujo tapon (PFR)

32 Biorreactores especiales

33 Biorreactor de circulación externa

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35 El objetivo es obtener en grandes cantidades el producto (s) con características similares a las obtenidas en pequeñas cantidades Mismos fenómenos de transferencia Condiciones no extrapolables Proceso gradual Escalamiento

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37 Criterios de escalamiento Coeficiente de transferencia de oxígeno Potencia por unidad de volumen Velocidad tangencial de agitación N de Reynold Velocidad de Bombeo de aire

38 El recipiente en el que se realiza en proceso industrial se denomina fermentador. El tamaño de los fermentadores puede variar entre el de los pequeños de 5 a 10 litros, a escala de laboratorio y los enormes de 500.000 litros a escala industrial. El tamaño del fermentador utilizado depende del proceso y de cómo se va a operar. Los procesos que operan con medio no renovado, requieren fermentadores más grandes que los procesos que funcionan de modo continuo o semicontínuo. CARACTERISTICAS DE LAS FERMENTACIONES A GRAN ESCALA

39 I. DISEÑO DE UN FERMENTADOR PRINCIPAL FUNCIÓN: Proporcionar una ambiente óptimo para el proceso de fermentación. TIPOS DE FERMENTADOR: Aerobio y anaerobio

40 I. DISEÑO DE UN FERMENTADOR 1.Configuración y geometría del reactor. 2.Requerimientos de aeración. 3.Mezclado y patrones de flujo. 4.Consumo de energía Parámetros para el diseño de un fementador

41 I. DISEÑO DE UN FERMENTADOR 1.Configuración y geometría del reactor. Parámetros para el diseño de un fementador

42 I. DISEÑO DE UN FERMENTADOR 2. Requerimientos de aeración. Parámetros para el diseño de un fementador

43 I. DISEÑO DE UN FERMENTADOR 3. Mezclado y patrones de flujo. Parámetros para el diseño de un fementador

44 I. DISEÑO DE UN FERMENTADOR 4. Consumo de energía Parámetros para el diseño de un fementador

45 1.Los fermentadores industriales pueden dividirse en dos clases principales: los usados para procesos anaeróbicos y los usados para procesos aeróbicos. 2.Los fermentadores anaeróbicos requieren poco equipamiento especial, excepto el necesario para eliminar el calor que se genera durante la fermentación, mientras que los fermentadores aeróbicos requieren un equipamiento mucho más elaborado, para asegurar que se logra el mezclado y la aireación adecuados. 3.Como la mayoría de los fermentadores son aeróbicos, la presente discusión se va a centrar en los fermentadores aeróbicos.

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47 El vástago que hace girar el impulsor está unido al motor a través de otro eje que debe penetrar en el fermentador desde fuera. Debido a la necesidad de mantener la esterilidad, es vital que el cierre hermético que conecta el eje con el motor esté dispuesto de tal manera que los contaminantes no puedan pasar a través de él.

48 Control y vigilancia del proceso Cualquier proceso microbiano debe ser monitorizado para asegurar que transcurre adecuadamente, pero es especialmente importante que los fermentadores industriales estén cuidadosamente monitorizados, dado el gran gasto económico implicado en ellos. En la mayoría de los casos es necesario medir no solo el crecimiento y la formación del producto, sino también controlar parámetros ambientales que se van alterando a medida que el proceso transcurre. Los factores ambientales frecuentemente monitorizados son la temperatura, la concentración de oxígeno, el pH, la masa celular y la concentración del producto.

49 Las computadoras juegan un importante papel en el control de los procesos dentro del fermentador. Durante el proceso de crecimiento y formación del producto en una fermentación a gran escala, si la fermentación ha de realizarse adecuadamente, es esencial que los datos sobre el proceso se obtengan mientras el mismo está transcurriendo. Por ejemplo, puede ser necesario cambiar uno de los parámetros ambientales a medida que progresa la fermentación, o bien añadir un nutriente a un ritmo que equilibre exactamente el crecimiento.

50 La computadora puede utilizarse para procesar los datos recién recogidos y luego responder según las indicaciones de un programa respecto a cuándo y cuánto nutriente hay que añadir. De esta manera, el nutriente se añade cuando se necesita y no antes, evitando así una potencial desviación del nutriente desde el producto deseado a otros productos no deseados.

51 Las computadoras pueden utilizarse también para modelar los procesos de fermentación. Utilizando un modelo matemático, se puede ensayar el efecto de varios parámetros sobre el crecimiento y el rendimiento del producto, de forma rápida e interactiva y luego hacer modificaciones en los parámetros para ver cómo afectan al proceso. De esta manera, se pueden controlar los factores que afectan a los procesos de fermentación y realizar estudios más baratos en la computadora, en lugar de realizarlos en las plantas piloto o en las plantas industriales, lo que originaría unos gastos muy considerables.

52 I. DISEÑO DE UN FERMENTADOR Fementador

53 Controladores Objetivos de los controladores. a)Obtención del producto deseado b)Mejorar el rendimiento c)Conocer la ruta metabólica

54 I. DISEÑO DE UN FERMENTADOR Controladores ParámetrosMediciónControl TempertaturaTermoparSerpentines, barras enfriadoras PresiónManómetroManipulación de llaves y salidad de aire pHElectrodosBomba dosificadora de acidos y bases

55 I. DISEÑO DE UN FERMENTADOR Controladores ParámetrosMediciónControl EspumaElectrodosAdición de antiespumantes AgitaciónMonitero de energíaTipo de agitador y velocidad TurbidezEspectrofotómetro o turbidímetro