Tipos de Biorreactores

 

TIPOS DE BIORREACTORES

 

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La fermentación es un proceso dividido en dos categorías muy amplias: fermentación

sumergida y fermentación en estado sólido.  La sumergida se ha empleado para la producción de alcohol, ácidos orgánicos, enzimas, antibióticos, vitaminas y aminoácidos.  La de estado sólido para la producción de metabo met abolit litos os micr microbi obianos anos a partir de hongos hongos

 

FERMENTACIÓN SUMERGIDA 

Técnica más popular

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Medio contiene ingredientes altamente

procesados  Actividad del agua del medio es elevada  

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Propenso a la contaminación Problemas reologic Problemas reologicos os a concentrac concentraciones iones de substrato elevadas Optimizar mezclado

 

FERMENT FERMENTACIÓN ACIÓN EN EST ESTADO ADO SÓLIDO 

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El medio utilizado es usualmente un substrato en estado sólido (ej. Salvado de arroz, salvado de trigo, o trigo en grano), el cual no requiere procesamiento. Es necesario considerar las propiedad propiedades es de absorción de agua del substrato sólido durante la fermentación.

Debido al bajo contenido de agua, existen menores problemas de contaminación  Los requerimientos energéticos también son menores que para la fermentac fermentación ión sumergida

 

CONFIGURACIÓN DE BIOREACT BIO REACTORES ORES SISTEMAS DE FERMENTACIÓN SUMERGIDA

La eficiencia de desempeño de un biorreact biorreactor or depende de: 

Concentración de la biomasa Mantenimiento de condiciones asépticas

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Eficiencia en la transferencia de calor y masa

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Operación en condiciones óptimas de proceso (controles)

 

LOS BIOREACTORES PUEDEN CLASIFICARSE EN TRES GRUPOS BASÁNDOSE EN EL TIPO DE PROCESO BIOQUÍMICO EMPLEADO: Bioreact Biorea ctor or sin agit agitac ación ión ni ni aereac aereación ión (pr (proce ocesos sos anaerobicos, anaerobic os, ej. Producci Producción ón de vino y cerveza). cer veza).  Bio Biorea react ctor or con agit agitac ación ión y aerea aereació ción n (pr (proce ocesos sos de de 

fe ferment nico aerobic aerobica acili sumergida sumer Producc ducción ión dermentació ácid ác ido oación citr ci tric o y pe peni nici lina na.. gida)) ej. Pro  Biore Bioreaact aactores ores con aereación aereación,, pero sin agitaci agitación ón (fermentación (fermenta ción aérobica en estado sólido) ej. Produc Prod ucci ción ón de en enzi zima mas s de al alim imen enttos os.. Sin embargo en la práctica industrial los biorreact biorr eactores ores se distinguen distinguen por por su configura configuración ción y diseño.

 

TIPOS DE BIORREACTORES 

Biorreact Biorrea ctor or de Tanq Tanque ue Agitado Agitado

 

VENTAJAS 

Velocidades de transferencia de oxígeno excelentes

Baja inversión  Bajos costos de operación 

 

CARA CARACTERÍSTICAS CTERÍSTICAS DE DISEÑO 

Relación altura-diámetro 1:3 o 1:6

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Agitador superior o inferior

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Aspersor de anillo con agujeros para suministro de aire Deflectores Deflect ores para evitar evitar formación formación de vor vorte texx y

mejorar el mezclado.  Presión positiva mínima para asegurar esterilidad.

 

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La selección del propulsor depende depende de las características físicas y biológicas del caldo de

fermentación.  Dispositivos de muestreo deben estar en compartimientos que permitan la esterilización con vapor vapor..

 

BIORREACTOR DE BUCLE AGITADO POR AIRE 

Se utilizan para ferme fermentaciones ntaciones con poco esfuerzo cortante y requerimientos bajos de energía.

 

CARACTERÍSTICAS CTERÍSTICAS DEL DISEÑO CARA 

En este proceso aire bombeado del fondo del reactor crea burbujas boyantes, las cuales ejercen un un arrastre en el fluido circundante, circundant e, creándose movimiento del fluido de tipo circular,, el cual provee circular provee de oxígeno y mezclado del caldo de fermentación

 

DESVENTAJAS DE LOS BIORREACTORES DE BUCLE AGITADO POR AIRE A GRAN ESCALA 

Esterilización Esterilizac ión inadecuada.

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Capital de inv inversión ersión más elevado.

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Los requeri requerimient mientos os de aereaci aereación ón son difícil difíciles es de obtener

 

MEJORAS EN EL DISEÑO 

Un biorreact biorreactor or de bucle bucle agitado agitado equipad equipado o con un tubo de arrastre resulta en mejor circulación del lí líquido quido y áreas interfaciales int erfaciales gas a l líqu íquido ido más grandes, y da una mejor eficiencia en el mezclado y mejor capacidad de transferencia de oxígeno.

 

REACTOR “AIR

LIFT” CON TUBOS DE ARRASTRE

 

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Un ejemplo ejemplo significa significativ tivo o de un biorreact biorreactor or de bucle agitado que fue escalado a un muy alto nivel comercial es el fermentador ICI de ciclos de presión. En este proceso, se utiliza utiliza metanol como substrato para producir proteína proteína unicelular utilizando Methylophilus metrylotrophus a una capacidad de producción de 60,000 toneladas por año.

 

BIORREACTOR ICI

 

BIORREACTOR DE CAMA FLUIDA En las últimas décadas se ha reportado repor tado un incremento increment o significativo en la aplicación de sistemas de reactores de cama fluida.  Han sido utilizados principalmente para células que han sido inmovilizadas en cierto materia materiall en partículas. 



Se pueden utilizar partículas par tículas con gran densidad y la velocidad de flujo requerida para la fluidización puede lograrse independient independientemente emente del rendimiento del reactor.

 

VENT VENTAJAS AJAS DE UN BIORREACTOR DE CAMA FLUIDA 

Mejor transferencia de calor.

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Mejor transferencia de masa.



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Excelente capacidad de mezcla en las tres fases. Requerimientos Requerimient os relativamente bajos de

energía.  Bajo esfuerzo cortante cor tante lo que lo hace ideal para células sensibles.

 

DESVENTAJAS DE LOS BIORREACTORES DE CAMA FLUIDA 

La fluidización de partículas par tículas acarreadoras de de vidrio y cerámica pueden requerir medios con velocidades de flujo altas los cuales pueden resultar en costos de bombeo más m ás elevados y eventualmente ev entualmente fugas de células

 

APLICACIONES 

Biorreactores Biorreact ores de cama cama fluida fluida de fases fases gasgaslíquido-sólido pueden emplearse para la producción de enzimas lignolíticas, tratamiento de aguas de desecho de refinerías y tratamiento de aguas crudas.

 

BIORREACTOR MICROACARREADOR 

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El crecimiento crecimiento de la células en partículas microaca micr oacarrea rreadoras doras depe depende nde directame directamente nte de la superficie superf icie disponible para el crecimiento crecimiento hasta el punto donde las partículas microa microacarreadora carreadoras s alcanzan una concentración suficiente para inhibir las células y por ende reducir su rendimiento. Los microaca microacarrea rreadores dores deben tener tener una densida densidad d entre 1.02 y 1.10 kg/m3 para permitir su fácil suspensión en reactores agitados.

 

BIORREACTOR MICROACARREADOR

 

DESVENT DESVENTAJAS AJAS DE LOS FERMENTADORES MICROACARREADORES La toxicidad del medio de soporte puede causar fases de crecimiento lento, muerte de las células en su estado inicial de desarrollo y rendimientos limitados de las células.  Las colisiones de partícula par tícula acarreadora con con partícula acarreadora y de partícula par tícula acarreadora con el impulsor y las fuerzas hidrodinámicas hidro dinámicas de corte cor te pueden causar viabilidad reducida de las células. 

 

APLICACIONES 

Han sido utilizados para el cultivo de células humanas de fibroblast f ibroblasto, o, para producir p roducir masa celular e interferón.

 

VENTAJAS DE LOS BIORREACTORES MICROACARREADORES 

Gran área superficial superf icial para el crecimiento crecimiento celular provista bajo condiciones de esfuerzo cortante bajo, permitiendo la utilización de equipo de fermentación convencional.

 

BIORREACTOR DE MEMBRANA 

Un biorreact biorreactor or de fibra hueca consist consiste e en un paquete cilíndrico de un gran número de fibras individuales las cuales se mantienen unidas en un arreglo similar a la de un intercambiador de calor de concha y tubos. Existen unidades comerciales comer ciales de biorreact biorreactores ores de fibra fibra hueca hueca 2 y 1.0 con un una a capac capacidad idad lúminal lúmina l entre 0.01 0.0 1 m m2.

 

FIGURE 1 CARTUCHO DE FIBRA HUECA EN CORTE  SECCIONAL MOSTRANDO LAS FIBRAS Y EL CULTIVO DE LINFOCITOS

 

VENTAJAS DE LOS BIORREACTORES DE MEMBRANA 

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Proveen una gran área superficial Proveen super ficial en un pequeño volumen (tanto como 200 cm2 por mL) Permite que un gran número de células se Permite adhieran en un pequeño volumen. Excelente Excelent e sistema de inter intercambio cambio de nutrientes y desechos a través de la pared de las fibras.

 

DESVENTAJAS 

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Dificultad de monitorear y controlar el crecimiento y metabolismo del cultivo. Bajas transferencias transferencias de oxígeno al haber altas densidades de células. Bloqueo y ruptura de las membranas debido al ex excesivo cesivo crecimiento. La acumulación de productos tóxicos en la fibra hueca pueden también inhibir la actividad metabólica del sistema celular. El efecto de contención de microorganismos, en la fisiología y viabilidad a largo plazo, y productividad no están claros aún.

 

APLICACIONES 

Esta técnica ha sido utilizada en la producción producción de ácido láctico, láctico, conversi conversión ón de L-histi L-histidina dina y

biosíntesis de galactosidasa.  Los biorreac biorreacto tores res de membran membrana a han sido sido utilizados ampliamente para el cultivo de células vegetales y animales.

 

FOTO BIORREACTORES

 

PROYECTO DE FOTOBIOREACTOR

 

FOTO BIORREACTORES 

Las micro microalga algas s han sido sido utilizadas utilizadas con éxit éxito, o, alcanzando grandes productividades en comparación con otras plantas más sofisticadas.



Los altos índices de productividad en estos sistemas se deben a la gran cantidad de biomasa producida en el biorreactor biorreactor..

 

APLICACIONES 

Las micr microalg oalgas as han sido sido utilizadas utilizadas para para la preparación de vitaminas, pigmentos, antioxidantes y ácidos grasos, así como para la acuacultura.

 

TIPOS DE TÉCNICAS DE CULTIVO 

Las técnicas de cultivo empleadas son sistemas sist emas abiertos abiertos y cerrados, cerrados, o semi semi cerrados para el exterior.

 

DISEÑOS 

Los fot otobi obiorr orreac eacto tores res com commun munes es qu que e se se utilizan son los de tipo tubular y los de tipo de platos.

 

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La cianobacteria  Spirulina platensis ha sido estud est udia iada da en fot fotob obior iorrea react ctore ores s ba batc tch hy continuos bajo condiciones variables de energía lumínica incidente y limitaciones de nutrientes.

 

BIORREA BIORR EACT CTOR ORES ES DE INNOVACIÓN INNOVA CIÓN Y PARA USOS ESPECIALES

 

BIOFERM BIOF ERMENT ENTADO ADOR R ESP ESPA ACIAL 

La transferencia de conocimiento de un bioreac bio reacttor con conve venci nciona onall a un bio bioreac reacto torr en microescala para cultiv microescala cultivar ar células células en el espacio espacio es un campo emergente de las ciencias de la vida en el espacio y sus aplicaciones.

 

BIORREACTOR ESPACIAL

 

BIORREACTORES LOS BIORREACT ORES UTILIZADOS EN LA TIERRA PUEDEN NO SER ADECUADOS PARA EL ESPACIO POR UNA SERIE DE CAUSAS:

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Los materiales utilizados al presente para la fabricación de un biorreactor no son aceptables en el el espacio por razones de medio ambiente o seguridad. El biorreactor biorreactor espacial tiene que cumplir cumplir con lo requerido en en cuanto a tamaño, peso y potenci potencia. a. Las condiciones condiciones de micrograv microgravedad edad en el espacio crean un impedimento impediment o significativo significativo para la operación de un un biorreactor biorreactor debido a la alteración en los factores físicos que gobiernan la sedimentación de las células, mezclado de nutrientes y dispersión de los productos secundarios. Los nutrientes, oxígeno y productos de desecho deben ser transportados de manera eficiente por intercambios intercambios del medio, perfusión o mezclado lento lento ya que que las corrientes corrientes convectiv convectivas as se reducen a cerca de cero.

 

BIORRE BIO RREA ACT CTOR OR DE TEJIDO TEJIDOS S Se espera que jueguen un rol dominante en la producción de tejidos para aplicaciones en la medicina.  La ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa regenerativ a se esperan que sean las herramientas más poderosas para reparar el daño o la enfermedad de tejidos y órganos, debido a que tejidos de donantes no cubren la demanda actual. 

 

CARTILAGO HUMANO HECHO EN BIORREACTOR DE TEJIDOS

 

TECNOLOGÍA DE FERMENTACIÓN Y DISEÑO 4 

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La ingeniería de tejidos se refiere al desarrollo de substitutos biológicos para restaurar  mantener o mejorar la función del tejido.

Un sistema sistema de biorre biorreact actor or de tejido tejidos s necesitaría ser compacto y capaz de mantener un gran número de células a densidades relativamente elevadas por un período de tiempo prolongado.

 

BIORREACTOR PARA CREAR UN ORGANO COMPLETO

 

APLICACIONES El cultiv cultivo o de células células de hepat hepatoma oma para la produ pr oducc cción ión de de higad higados os bi bioa oartifi rtificia ciales les ha sido sido probada pro bada en un biorreact biorreactor or de tejidos tejidos utilizan utilizando do cama fluida y fibra hueca.  Un nuevo reto de la ingeniería de los bioprocesos biopr ocesos en el cultivo cultivo de células células invol involucra ucra el desarrollo de técnicas de cultivo altamente sofisticadas para producir células madre hematopoyéticas y producir órganos completos. completos. 

 

BIORREA BIORR EACT CTOR OR DE RES RESON ONANC ANCIA IA MA MAGN GNÉT ÉTIC ICA A NUCLEAR 

La espectroscopia de RMN ha sido utilizada como una herramienta para estudios no invasivos invasivos en tiempo real de procesos metabólicos de

suspensiones de células en biorreactores. biorreactores.  El biorreac biorreactor tor de RMN ha ha sido utiliza utilizado do en línea línea para el análisis de reacciones metabólicas en los procesos de fermentación. 

Uno de los parámetr parámetros os críticos en la evaluación de biorreact biorr eactores ores para la formac formación ión de product productos os es el estado de oxigenación de las células, el cual puede determinarse utilizando RMN.

 

BIORREACT BIORREA CTOR OR ACOPL COPLADO ADO CON ESPECTROFOTÓMETRO ESPECTROFO TÓMETRO DE MASAS 

Un minibior minibiorreac reacto torr con una una entrada entrada de membrana para una sonda de espectrofotómetro de masas se reportó para procesos biológicos con análisis en línea de compuestos volátiles tales como H2, CH4, O2, N2 y CO2, etanol y metanol.

 

BIORREACT BIORREA CTOR OR ACOPL COPLADO ADO CON ESPECTROFOTÓMETRO ESPECTROFO TÓMETRO DE MASAS

 

CARACTERÍSTICAS 

Rangos típicos de medición son desde porcentajes hasta partes por trillón en unos

pocos segundos hasta minutos.  El biorreact biorreactor or ofrec ofrece e detecc detección ión sensible sensible de cambios pequeños en la concentración de gases disueltos, permitiendo mediciones cinéticas rápidas y estudios metabólicos a profundidad.

 

BIORREA BIOR REACT CTOR OR INTE INTEGRAD GRADO O 

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Un biorreact biorreactor or int integrado egrado tiene tiene como objeti objetivo vo el de mejorar la productividad de los procesos de fermentación por la integración de la fermentación y la recuperación recuperació n del producto, removiendo de forma continúa los productos inhibitorios. Los biorrea biorreacto ctores res de dos dos fases fases con particiones particiones tienen gran ámbito de aplicación para incrementar la productividad de un bioproceso.