Practica 1 Cbi or Reactor Es

Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología

Practica No. 1

PRESENTACIÓN DE BIRREACTRES DI!ERSS E"uipo# $

Alumnos: %&RES A!I&'S IR!IN( %NSECA E&I)ND *ECTR *U( +ART,NE) CRD!A &UIS -AIR  +ART,NE) (+E) RBERT +NR- CA.ED SARA E&ENA NERI BARRERA ANA PER&A &!ERA +I&&AN ERI/A SI&!A ESTRADA TANIA !I&&A&BS SANTANA +ARIBE& S&EDAD

Asignatura:

&ABRATRI DE BIRREACTRES

México D. F

12 de agosto de 2010

ÍNDICE Introducción…………………………………………………….. !"eti#os………………………………………………………... Procedimiento ex$erimental………………………… ex$erimental……………………………………. …………. %esultados………………………………………………………. &i!liogra'(a…………………………………………………...…

INTRODUCCIÓN )ual )u al*u *uie ierr $roce $roceso so !iot !iotec ecnol nológi ógico co de ni#el ni#el indus industr tria iall tien tienee *ue $asar $asar $or las las siguientes escalas de o$eración: la!oratorio+ $lanta $iloto e industrial, -a *ue todo $roceso industrial nace en un la!oratorio+ donde se acen los c/lculos $recisos+ $ero el $ro-ecto del  $roceso en una $lanta de $roducción de!e $re#er as$ectos *ue no se consideran en un la!oratorio antes de la $uesta en marca de un $roceso de $roducción. Para ello se constru-en las llamadas $lantas $iloto+ donde se com$rue!a la #ia!ilidad del $roceso de 'a!ricación - se e#alan los rendimientos - los $osi!les riesgos so!re un 'uncionamiento mu- $arecido al *ue tendr(a la $lanta de'initi#a. n su de'inición m/s sim$le+ los &iorreactores son reci$ientes en los cuales se lle# lle#an an a ca!o ca!o reac reacci cion ones es !io* !io*u( u(mi mica cass -o -o !io$ !io$ro roce ceso sos+ s+ -a sea sea con con en3i en3im mas+ as+ microorganismos o con células #egetales - animales+ #ia!les - no #ia!les. 4odas estas es$ecies se conocen como !iocatali3adores. l !iorreactor $uede considerarse como el cora3ón de todo $roceso !iotecnológico+ -a *ue se lle#a a ca!o la trans'ormación de la materia $rima al $roducto de interés - su o$eración de!er/ de garanti3ar la maximi3ación en la con#ersión+ $or lo *ue su 'uncionamiento es de #ital im$ortancia en la renta!ilidad del  !io$roceso+ so!re todo en a*uellos catalogados como de 5altos #olmenes de $roducción $rod ucción  !a"o #alor agregado6.

OBJETIVOS 01eti2o general: Dado *ue uno de los as$ectos 'ormati#os de los alumnos de las carreras de Ingenier(a &iotecnológica e Ingenier(a Farmacéutica se relaciona con el dise7o+ construcción+ im$lementación+ o$eración - mantenimiento de &iorreactores industriales+ en la $resente $ractica se $ro$one como o!"eti#o *ue el alumno identi'i*ue - descri!a los di'erentes ti$os de &iorreactores - sus $artes accesorias+ al igual *ue la 'orma como se o$eran+ controlan+ esterili3an+ cargan - descargan+ etc.

01eti2os particulares# •

8ue el alumno cono3ca los ti$os de &iorreactores - sus caracter(sticas.

•

9a!er las a$licaciones generales de los di'erentes ti$os de &iorreactores.

•

l alumno de!er/ conocer cada uno de los com$onentes de los e*ui$os a s( mismo como su 'uncionamiento.

PROCEDIMIENTO

EXPERIMENTAL

Y

FORMULACIÓN DE RESULTADOS 9e mostrara los di#ersos ti$os de &iorreactores de ni#el la la!oratorio - $lanta $iloto de la unidad $ara el estudio de sus com$onentes. 9e caracteri3aran todos los com$onentes de cada uno+ el ti$o+ ca$acidad+ caracter(sticas geométricas+ sistema de carga - descarga+ sistema de agitación+ $atrones de 'lu"o+ sistema de control+ 'orma de esterili3ación+ métodos de culti#o+ $roducción+ dis$ositi#o de toma de muestra - de inoculación - $ar/metros de dise7o.

Tipos principales de Biorreactores# 

1.  Agitadores rotativos: ;os cuales tienen un sistema interno mec/nico de agitación.



2. Columnas de burbujas: ;a agitación se reali3a mediante la introducción de aire a so!re $resión.



. n a$licaciones !io*u(micas este #alor #aria usualmente entre 2 - >. l em$leo de grandes di/metros en los !iorreactores son deseados cuando se !usca grandes rendimientos del gas in#olucrado. Adem/s+ grandes alturas en las columnas son re*ueridas $ara o!tener e'icientes ni#eles de con#ersión. )uando las columnas son grandes se $ueden em$lear $latos $er'orados colocados en  $osiciones intermedias de las mismas $ara dis$ersar las !ur!u"as de gas. l dise7o - la escala de los !iorreactores de columna de !ur!u"eo de$enden de la cuanti'icación de < $rinci$ales 'enómenos: •

)aracter(sticas de trans'erencia de calor - masa

•

)aracter(sticas de me3clados

•

)inéticas *u(micas en el sistema de reacción

l dise7o - construcción de este ti$o de !iorreactores a ganado atención considera!le en anos recientes de!ido a la com$le"idad idrodin/mica - su in'luencia en las caracter(sticas de trans$orte. A continuación se $resenta un modelo de in#estigación reali3ado $ara estudiar lo siguiente: din/mica de 'luidos+ #elocidades del li*uido - la 'racción del #olumen *ue es ocu$ado $or las !ur!u"as de gas. •

9istema AireAgua

•

1=H1 and == cm i.d. columnas+

•

Platos $er'orados es$arcidores Jit 0.cms.

sistema

ste

li*uidogas $ara $romo#er

relati#amente ama!le es

el mo#imiento tur!ulento

/rea cuadriculada de la columna.  $r/cticamente

No

a'usión

de

las

di/metro

omogéneo

columna - un me3clado o!ser#ado so!re toda el

escala

mediante altas #elocidades

#elocidades.

la

a

industrial con columnas

arri!a

en

o!ser#ado

Eeterogéneo+ es mantenido

 $e*ue7o - su!ida de

!ur!u"as

s

!ur!u"as

-

la

 el %égimen de 'lu"o

5slug6

*ue

es

recirculación li*uida. As(

solamente o!ser#ado en

resultan inesta!les $atrones

columnas de la!oratorio

de 'lu"o - grandes !ur!u"as

con un di/metro $e*ue7o

de

$oca

duración

son

entre las !ur!u"as. l

'ormadas

tama7o de las !ur!u"as

grandes cantidades de gas.

tras

in-ectar

- ele#ados 'lu"os de gas. ste régimen toma su

nom!re

de!ido

a

la

'ormación de !ur!u"as *ue

se

mue#en

de

manera m/s lenta cuando  !ur!u"as

de

ma-or

tama7o se esta!ili3an en la $ared de la columna.

Par53etros di3ensionales cla2e#

1. %racci8n del !olu3en de fase gas "ue es ocupado por las 0ur0u1as de

gas 9(as *oldup:

Gas Eoldu$

;elocidad del gas, &resi"n y a3adiendo un agente activo

Gas Eoldu$

•

;iscosidad del l-quido y concentraci"n del

l e'ecto del tama7o de la columna en el 5Gas Eoldu$6 es des$recia!le cuando la columna cuando el di/metro es ma-or de 101> cm - la altura $or arri!a de 1 - 1B0+ com$uesto  $or $e*ue7as columnas de = cm de di/metro - 20 cm de altura+ el cual es llenado con un medio $re#iamente inoculado - $uesto en un termorregulador de agua.

l e*ui$o esta conectado a un columna de cromatogra'(a de gases $ara monitorear la  $roducción de )2+ resultado de la res$iración del microorganismo - de sus reacciones meta!ólicas. ;a demanda de oxigeno se cu!re $or medio de aeración 'or3ada utili3ando com$resores con sistemas de regulación de $resión $ara e#itar la com$actación excesi#a de leco. ;a geometr(a - dise7o de las columnas $ermite *ue sea un e*ui$o !arato+ de!ido a *ue son ela!oradas a !ase de #idrio+ $or lo *ue la remoción del calor exotérmico de la 'ermentación se lle#a a ca!o de manera e'iciente. %e*uiere de $oca cantidad de medio de culti#o - la '/cil ada$tación del e*ui$o a sistemas m/s rudimentarios en cuanto a e*ui$amiento - cuanti'icación de $roductos+ le con'iere $racticidad de uso. 9in em!argo+  $ara lle#ar a ca!o las lecturas de los $ar/metros cinéticos durante la 'ermentación es necesario sacri'icar una columna com$leta+ -a *ue el dise7o de la misma no $ermite tomar muestras. ste e*ui$o es con#eniente en las $rimeras eta$as del desarrollo de un !io$roceso

-a *ue es adecuado $ara estudios de caracteri3ación - o$timi3ación de la com$osición del medio de culti#o+ - $ara cuanti'icar los datos necesarios $ara lle#ar a ca!o el calculo de  $ar/metros cinéticos.

Biorreactor de Airlift#

;os !iorreactores Airli't o'recen ciertas #enta"as con res$ecto a las dem/s tecnolog(as de tratamiento !iológico+ como la incor$oración de trans'erencia  !iodegradación total en un solo reci$iente del !iorreactor - adem/s no $resentan $ro!lemas de umedad+ siendo el control de !iomasa su nica limitación. Dentro de las #aria!les *ue de!en ser controladas en un !iorreactor Airli't+ destaca la concentración de la !iomasa en sus$ensión de!ido a *ue existe una relación directa entre este $ar/metro - la e'iciencia de eliminación del contaminante+ $or lo tanto el control de  !iomasa aumenta la 'lexi!ilidad o$eracional del sistema.

%actores "ue influ6en en la operaci8n del Biorreactor Airlift4 xisten una serie de 'actores *ue in'lu-en en la o$eración - e'iciencia de un sistema de tratamiento ti$o Airli't - de los sistemas de tratamiento !iológico en general+ sin em!argo el an/lisis - control de ellos de$ender/ de las condiciones o$eracionales del sistema *ue se desea im$lementar. Soporte

n el $roceso de tratamiento+ mediante un !iorreactor ti$o Airli't+ se de!e tener es$ecial atención en la elección del so$orte *ue es el material donde se $roducir. l desarrollo micro!iano. ste material de!e $resentar caracter(sticas de !a"o costo+ alta e'iciencia - !uena esta!ilidad en el tiem$o. Adem/s+ se de!en considerar otras caracter(sticas '(sicas - mec/nicas: como estructura+ .rea es$eci'ica+ resistencia al 'lu"o ca$acidad !u''er, - $ro$iedades !iológicas: como dis$oni!ilidad de nutrientes inorg/nicos - acti#idad !iológica es$eci'ica

emperatura!

;a ma-or(a de los microorganismos *ue se utili3an $ara la degradación de com$uestos org/nicos #ol/tiles son meso'ilos+ es decir+ $ueden desarrollarse o reali3ar sus 'unciones meta!ólicas *ue oscilan entre los 10 - ) la tem$eratura del interior del !iorreactor se incrementa cuando las células son m/s acti#as+ lo *ue se $roduce dentro de un rango entre - =0) $ara organismos degradadores del tolueno. n este caso+ el aumento de tem$eratura so!re la .$rima+ $roduce la $erdida de la estructura nati#a de la en3ima+ $ro#ocando e'ectos como cam!ios en las $ro$iedades idrodin/micas de la en3ima+ aumentando de esta 'orma la #iscosidad - disminu-endo el coe'iciente de di'usión. Adem/s $roduce una dr/stica disminución de su solu!ilidad en la  !io$el(cula - $or lo tanto disminu-e la acti#idad micro!iana+ $roduciéndose una menor degradación del contaminante+ lo *ue se traduce en la $érdida de las $ro$iedades !iológicas de las !acterias.

 pH 

;os #alores de $E m/s adecuados $ara la acti#idad micro!iana de$ender/n de las condiciones am!ientales *ue necesite el microorganismo $ara su adecuado desarrollo  !iológico. Generalmente+ las condiciones de $E re*ueridas $ara la !iodegradación de com$uestos org/nicos #ol/tiles son neutras ?entre K - B+ de!ido a *ue !a"o estas condiciones los microorganismos alcan3an m/ximas #elocidades de desarrollo

 Normalmente+ durante la o$eración del sistema+ el $E em$ie3a a decrecer de!ido a la 'ormación de ./cidos intermedios *ue reaccionan con algunos de los com$onentes del medio+ lo *ue $uede disminuir e incluso detener la acti#idad micro!iana en el interior del  !iorreactor. Para remediar esta situación+ $eriódicamente de!e agregarse al !iorreactor una solución alcalina *ue $ermita e*uili!rar el $E de éste. ;a regulación del $E+ tiene relación directa con el crecimiento de !iomasa en sus$ensión. na #e3 alcan3ada una concentración esta!lecida $ara la o$eración+ la regulación de $E en el sistema se 'a#orece tanto $or la relati#a esta!ilidad de la concentración de !iomasa en sus$ensión como del e#entual $er'eccionamiento del sistema de control manual.

"elocidad de flujo # iempo de $esidencia de la %ase &aseosa!

;a #elocidad del 'lu"o de gas de entrada es uno de los $ar/metros idrodin/micos m/s im$ortantes en el $roceso+ -a *ue regula el régimen de 'lu"o dentro del !iorreactor cuanti'ica la cantidad de gas contaminado a ser tratado $or unidad de tiem$o+ as( como la trans'erencia de masa entre las 'ases l tiem$o de residencia del gas dentro del !iorreactor es un $ar/metro mu- im$ortante a considerar - est/ directamente relacionado con la #elocidad del 'lu"o del gas de entrada. Mientras ma-or sea el tiem$o de residencia+ ma-or ser/ el tiem$o de contacto entre el contaminante - los microorganismos degradadores+ $or lo tanto+ la ca$acidad de eliminación del sistema ser/ tam!ién ma-or. l incremento en la #elocidad de 'lu"o del gas tiene un e'ecto In#erso so!re la e'icacia de eliminación del sistema. Al aumentar el 'lu"o de tra!a"o+ disminu-e el tiem$o de contacto entre el aire contaminado - la 'lora micro!iana consecuentemente+ disminu-e la e'iciencia de degradación.

 'utrientes!

;os nutrientes son com$onentes esenciales $ara el desarrollo de los microorganismos. ;os organismos+ en condiciones naturales+ generalmente $resentan carencias en 'os'oro+ nitrógeno - a3u're. ;a adición de estos com$uestos estimula el crecimiento de la $o!lación natural+ - *ui3/s an m/s im$ortante+ me"ora su meta!olismo+ 'acilitando el trans$orte $or las mem!ranas celulares -+ $or lo tanto+ el ata*ue meta!ólico

 Microorganismos # biopelcula!

;os microorganismos o la !io$el(cula son el com$onente m/s cr(tico del sistema Airli't+ -a *ue son ellos los *ue $roducen la trans'ormación o destrucción del contaminante. ;a  $o!lación micro!iana re*uiere un cuidadoso control de su am!iente+ tomando en cuenta 'actores como tem$eratura+ $E - nutrientes. ;os organismos *ue se utili3an $ara inocular los &iorreactores son mu- #ariados. Dentro de ellos+ los m/s comunes son las !acterias+ ongos - algunas algas. 9u selección de$ender/ $rinci$almente+ de la naturale3a del contaminante - de las caracter(sticas  !iológicas del microorganismo+ #ale decir+ de las condiciones am!ientales a las cuales este se desarrolla.

Control de biomasa!

Dentro de las #aria!les *ue de!en ser controladas en un reactor Airli't+ destaca la concentración de la !iomasa en sus$ensión+ de!ido a *ue existe una relación directa entre este $ar/metro - la e'iciencia de eliminación del contaminante+ $or lo tanto el control de la  !iomasa $osi!ilita el aumento de la 'lexi!ilidad o$eracional del sistema. na alternati#a *ue $ermite mantener constante la concentración de !iomasa en sus$ensión+ es incor$orar una 'ase li*uida continua+ $ro#ista de un sedimentador de células *ue $ermita la se$aración del so$orte - !iomasa+ retornando el so$orte al !iorreactor - reali3ando una  $urga de células continuamente. Manteniendo la !iomasa en sus$ensión constante en el sistema+ es $osi!le reali3ar com$araciones de e'iciencia - ca$acidad de eliminación $ara di#ersos 'lu"os de gas de alimentación al !iorreactor - di'erentes concentraciones de tolueno+ de 'orma tal de

encontrar un #alor .o$timo de concentración de !iomasa en el !iorreactor *ue asegure ele#adas e'iciencias - ca$acidades de eliminación del contaminante. l desem$e7o del  !ioreactor Airli't+ de$ende del ti$o de contaminante tratado - sus concentraciones+ as( como tam!ién de los criterios de dise7o. )uando se encuentran los criterios .ó$timos de dise7o o$eración+ los #alores de remoción $ara &4O ?!enceno+ tolueno+ etil!enceno - xileno e idrocar!uros alogenados est/n en la gama de 0 a  - los idrocar!uros arom/ticos  $oli c(clicos ?na'taleno+ acena'tileno+ acena'teno entre un K> a 0.

/arámetros de Dise3o<

El biorreactor Airlit consiste en una columna de acr-lico de 8.=> m de altura, con un ;olumen total de 9.1 , y un volumen ?til de 2 . Está constituido &or dos tubos conc4ntricos. /or el tubo interno se introduce una corriente de aire contaminado que &rovoca la me'cla del l-quido, debido a la dierencia de densidades que se &roduce entre ambos tubos. Cuando las burbu)as de gas suben en el tubo, inducen un lu)o de l-quido ascendente dentro de 4ste y un lu)o descendente en la regi"n e@terior del tubo. na tercera 'ona se ubica en la &arte su&erior del biorreactor, de un volumen de 1.1 , cuyo ob)etivo es lograr la se&araci"n de las ases y la salida del eluente gaseoso.

Condiciones de o&eraci"n del Biorreactor Airlit.

Durante este estudio se reali'". la o&eraci"n del biorreactor de ti&o Airlit, durante un &eriodo de 8 dias en marc!a blanca, con &uesta en marc!a y r4gimen de o&eraci"n normal de 112 d.as. El biorreactor se o&era a distintos lu)os de gas contaminante y dierentes &urgas de biomasa del biorreactor, que alimentan al sedimentador. a o&eraci"n del biorreactor luego de la &uesta en marc!a, se se&ara en 1> &er-odos.

Discusi8n# n la $ractica 1 de 5Presentación de &iorreactores di#ersos6 $udimos a$reciar algunos modelos de &iorreactores existentes en el la!oratorio. 9in em!argo+ de!ido a las condiciones dadas en dico la!oratorio+ no $udimos a$reciar su #erdadero 'uncionamiento. Dentro de los $rinci$ales ti$os de &iorreactores *ue $udimos a$reciar+ est/n los siguientes: 4an*ue agitado+ columna de !ur!u"as - el modelo Airli't. )ada uno de estos modelos tienen caracter(sticas es$eci'icas - so!retodo+ $ar/metros distintos $ara su 'a!ricación - su o$eración+ como $or e"em$lo+ la relación existente entre la altura del tu!o del &iorreactor con res$ecto a el di/metro del mismo ?D. n el caso del tan*ue agitado+ la relación

existente de!e ser igual a 1. n los otros 2 casos+ la relación se $uede mane"ar como ma-or o igual a < de$endiendo de la literatura de consulta. %ealmente como en esta $r/ctica no se o!tu#ieron resultados ex$erimentales+ no se  $ueden discutir $ro$iamente los resultados+ sin em!argo+ si se $ueden com$arar las caracter(sticas de cada uno de los &iorreactores con res$ecto a la literatura+ -a sean #enta"as o des#enta"as - a continuación se mostraran dicos datos en un cuadro com$arati#o:

 Bio

Ventajas

Desventajas

rreactor

anue



 *s sumamente

 Agitado





 $euiere mas

vers+til a

energa debido a

comparación de los

 su agitación de

otros ,!

 forma mec+nica!

Soporta fluidos con



Se realia en

una viscosidad alta

vol.menes  peue/os!

Columna



de





 *conómico!

Canales

 preferenciales de

 %+cil montaje!

 0urbujas

2,! 

 Monitoreo # control de 1umedad!



 Dificultad en la toma de muestra!



 Monitoreo # control de 0iomasa # C2,!



 4roblemas en la eliminación de



Cone3ión en forma

calor!

continua de varias columnas!  Airlift 



 'o presentan  problemas de 1umedad!



ransferencia # biodegradación total en un solo recipiente del  0iorreactor!



Son los ue ma#or capacidad tienen en volumen



 *l control de  0iomasa!

5 para ilustrar de mejor manera el campo de los 0iorreactores6 a continuación daremos unos ejemplos de los principales fermentadores dados en la industria:

anue agitado •

l m/s #ers/til ?cual*uier $roducto

•

Lcido ascór!ico

•

Prote(na

•

Anti!ióticos

•

n3ima

anue agitado con recirculación •

;e#adura

•

tanol

Columna de burbujas •

Lcido c(trico

•

Lcido acético

•

Lcido l/ctico

•

steroides

•

n3imas  Air-lift 

•

;e#adura

•

&acterias

•

)élulas @egetales

Conclusiones:



De manera general se com$ro!ó *ue un &iorreactor es una elemento mu- til en el /rea !iotecnológica $or *ue se $ueden lle#ar a ca!o reacciones im$ortantes a un  !a"o costo.



De$endiendo de las $ro$iedades *ue tenga el 'luido+ es as( como se decidir/ *ué ti$o de &iorreactor utili3ar en el ex$erimento.



9i se #a a reali3ar un $roceso de ti$o !iológico+ es necesario tomar en cuenta la agitación neum/tica $ara e#itar un ma-or da7o celular.



9e logró identi'icar los < ti$os $rinci$ales de &iorreactores en el la!oratorio+ as( como su manera de o$erar - algunas de sus condiciones - $ar/metros de 'a!ricación.