Biorreactor

GENERALIDADES DE LOS BIORREACTORES

El objetivo de los biorreactores es obtener productos metabólicos útiles a partir de materiales biológicos. La Biotecnología comprende la fermentación y recuperación del producto. El cultivo de microorganismos en condiciones optimas, la producción de los metabolitos o enzimas, procedimientos de fermentación, el mejoramiento genético de cepas y la regulación del metabolismo del cultivo.

Si una fermentación a pequeña escala tiene buenos rendimientos utilizando algún microorganismo y si se quisiera llevar acabo la fermentación en gran escala, se podría pensar que se lograría aumentando el tamaño del fermentador y de las partes internas del mismo; pero se caería en un gran error ya que no es la misma cantidad de calor generada en un fermentador de 5 -10 l que en uno de 10-100 l. El calor generado en este último herviría o mataría los microorganismos.

Un biorreactor es la parte principal de cualquier proceso bioquímico en el que se emplean sistemas microbianos para la producción económica de una amplia variedad de productos biológicos útiles.

Los biorreactores son empleados en las industrias de alimentación y fermentación, en el tratamiento de residuos y en muchas instalaciones biomédicas.

Los biorreactores usados actualmente para la producción industrial:

a) No agitados sin aireación.

b) Con la elevación de aire.

c) Agitados con aireación.

d) Fluidificados

e) De membrana y de fibra hueca

Los recipientes no agitados sin aireación se usan para los productos tradicionales como el vino, cerveza y queso. La mayoría de estos productos requiere del crecimiento de microorganismos en recipientes aireados con agitación.

BIORREACTOR DE TANQUE CON AGITACION: Es el recipiente para la mezcla común que tiene la doble ventaja de bajo costo de capital y producción. De hasta 20 L de volumen se hacen de vidrio y de mejor volumen; su construcción es de acero.

BIORREACTOR CON ELEVACION DE AIRE: Ha conducido a la creación de un lazo; y este a su vez se divide en cuatro:

a) Elevación con aire estándar.

b) Elevación con aire wasco.

c) Elevación con aire kaneguchi.

d) Elevación con aire lefrancois

BIORREACTORES FLUIDIFICADOS: La ventaja son sus características de masa mezclada en calor en energía relativamente baja, el biorreactor del hecho fluidificado adecuado para las células sensibles de animales y plantas.

BIORREACTORES CON MICRO PORTADOR: La idea inicial de cultivare células de mamíferos sobre micro portadores fue considerada por Jan Wezel, quien amplia la resina, intercambio iónico fragmentado con micro portador.

BIORREACTOR DE MEMBRANA Y FIBRA HUECA: Este sistema se ha creado para el crecimiento de células vegetales y mamíferos, para la inmovilización de bacterias, levaduras y enzimas. Él funcionamiento de cualquier fermentador depende de muchos factores:

¤ La concentración de la biomasa, la cual debe permanecer alta.

¤ El mantenimiento de las condiciones estériles.

¤ Agitación efectiva parea que la distribución de los sustratos y microorganismos en el reactor sea uniforme.

¤ Elimine el calor.

¤ Creación de condiciones correctas de corte.

Criterios más importantes en el diseño de un fermentador:

1) El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante tiempo.

2) Tener un consumo mínimo de energía.

3) Contar con un sistema de control de pH.

4) Un sistema de toma de muestras.

5) Sistema adecuado de aireación y agitación.

6) Sistema de control de temperatura.

7) Pérdidas de evaporación mínimas.

8) El diseño del tanque debe ser tal que las operaciones laborales durante el funcionamiento, recolección, limpieza y mantenimiento sean mínimas.

9) El tanque debe ser versátil.

10) Las superficies del tanque internamente deben ser lisas.

11) La geometría del fermentador debe ser similar a los tanques más pequeños o mayores de la planta.

12) Empleo de materiales económicos de resultados.

13) Servicio adecuado de repuestos para el fermentador.

14) Tipo de antiespumantes.

Las funciones deseadas en la fermentación son el contacto gas-liquido, detección de las concentraciones o reactivos. Algunos aspectos importantes son:

¤ Una válvula en el sistema de aire permita la desviación del aire para que la espuma no sea excesiva.

¤ Se agrega antiespumantes cuando el exceso de espuma llega a una probeta electrónica de conductividad.

¤ Toda la tubería esta protegida contra la contaminación, mediante el empleo de vapor.

¤ El nivel del líquido al llenar el recipiente esta determinado por una referencia, respecto a una grafica de calibración.

¤ El peso del contenido del tanque se determina con un balance hidrostático contra el aire que burbujea a través del rociador.

¤ Los fluidos se transfieren desde un recipiente a presión.

TIPOS DE FERMENTACIONES.

1.-Fermentacion descontinúa

Puede ser considerada como un sistema cerrado. Al inicio de la operación se añade la solución esterilizada de nutrientes y se inocula con el microorganismo, permitiendo que se lleve a cabo la inoculación.

A lo largo de toda la fermentación no se añade nada excepto oxigeno, un agente antiespumante y ácidos o bases para controlar el pH. Observándose las cuatro fases típicas del crecimiento: fase de latencia, fase logarítmica, fase estacionaria y fase de muerte.

2.-Fermentacion alimentada (fed-batch)

Todos los sustratos se añaden al principio de la fermentación. Una mejora del proceso cerrado descontinuó es la fermentación alimentada que se utiliza en la producción de sustancias como la penicilina. Los sustratos se añaden escalonadamente a medida que progresa la fermentación. La formación de muchos metabolitos secundarios esta sometida a presión catabólica (efecto glucosa).

3.-Fermentacion continúa

Se establece un sistema abierto, la solución nutritiva se añade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente de solución utilizada de los nutrientes, con los microorganismos.

El objetivo de la industria de las fermentaciones es minimizar costes e incrementar los rendimientos. Los procesos de fermentación continua no se utilizan de forma general, debido al mayor nivel de experiencia que se tiene en el crecimiento de células en fermentación discontinua, el coste de producción de biomasa mediante cultivo continuo es potencialmente inferior al de cultivo descontinuó.

Muchas fermentaciones para la producción de metabolitos funcionan bien como procesos continuos, solo pocos han resultado útiles por varias razones:

a) Métodos de laboratorio operan continuamente durante solamente 20 a 200 horas; que sea de utilidad debe ser estable durante al menos 500 a 1.000 horas.

b) Mantener las condiciones estériles a escala industrial.

c) La composición de los sustratos debe ser constante a fin de obtener una producción máxima.

d) Cuando se utilizan cepas de alto rendimiento se producen mutantes degenerados, los cuales pueden crecer en cultivo continuo más deprisa que las cepas de producción.

4.-Reactores de enzimas o células inmovilizadas

Consiste en pasar el medio fresco a través de un biorreactor dentro del cual se producen las transformaciones bioquímicas y recuperamos el producto transformado tras su paso por la columna. Se eliminan los problemas de desequilibrio (estabilidad) del sistema continuo clásico y el producto resultante esta libre de células. Existen tres métodos de inmovilizar las células:

a) Asociación física mediante resinas de intercambio iónico. La unión se puede romper fácilmente.

b) Unión covalente mediante glutaraldehido,tolueno, di-isocianato, iodo acetil celulosa. Unión fuerte aunque inactivación.

c) Atrapamiento mediante colágeno, gelatina, agar, alginatos, poliacrilamida, poliestireno. Es el método mas utilizado en inmovilización de células.

AGITACION.

Aireación y mezclado.

El proceso de fermentación industrial aerobio debe disponer de un sistema de aireación y mezclado del cultivo. El reactor de tipo tanque con agitación convencional consiste en un eje vertical con varios agitadores y con dimensiones controladas para conseguir un buen mezclado y una buena dispersión del medio. El aire estéril se introduce por la base del tanque por un anillo pulverizador.

Transferencia de masa.

Durante el crecimiento y metabolismo microbianos tiene lugar la transferencia de nutrientes y metabolitos entre el medio ambiente externo y la célula, experimenta diversas fases pudiendo encontrarse en forma de solido, liquido o gas.

En los procesos de fermentación convencionales, la demanda microbiana de los sustratos distintos al oxigeno es cubierta sin dificultad, estos son suministrados en exceso en el medio.

El mantenimiento de un ambienta aséptico y unas condiciones aeróbicas son, de mayor relevancia que hay que considerar. Los fermentadores mas utilizados a nivel industrial están provistos de mecanismos de agitación, dispersión

...