INTRODUCCION A LA INGENIERIA DE LOS BIOREACTORES Y LA IMPLICACIÓN DE LA BIOTECNOLOGIA PARA EL FUTURO DISEÑO Y PRODUCCIÓN DE INGREDIENTES ALIMENTICIOS

Los atributos físicos de cualquier alimento y su comportamiento están dictaminados por la complejidad de sus constituyentes macromoleculares, los cuales son modificados durante su procesamiento y almacenamiento. El estudio de esas macromoléculas es el corazón de la ciencia de los alimentos, así como la compleja interacción de sus componentes tanto extrínsecos como intrínsecos.

Anteriormente el término “Biotecnología” era usado para cubrir una gran cantidad de actividades relacionadas con la manipulación genética, aunque ahora, la búsqueda académica y de la industria para el desarrollo de procesos emergentes, han propiciado una explosión de investigación en los últimos 10 años, en los cuales ha progresado en conjunto con el desarrollo de técnicas de manipulación in vitro de estructuras genéticas de sistemas biológicos.

Esta nueva capacidad ha facilitado la producción y manipulación de una multitud proteínas en un grado previamente inimaginable. Esto tiene su impacto en la capacidad de aprovechar una gama más amplia de materias primar para la obtención por nuevas vías tanto de productos nuevos como comunes.

El punto de inicio es el diseño y análisis de biorreactores, cuantificando mediante las ecuaciones para el balance de masa, la conversión de reactantes a productos, los cuales, en algunos casos, contendrán microorganismos.

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERIA PARA BIORREACTORES

Un reactor bioquímico es un dispositivo donde se tratan de promover transformaciones bioquímicas de materia por la acción de células vivas o sistemas enzimáticos libres de células, y son extensamente usados, muchos de los productos biológicos y farmacéuticos se producen en bioprocesos industriales. Por ejemplo, las bacterias son capaces de producir la mayoría de aminoácidos que pueden utilizarse en alimentos y medicinas.

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

La función principal de un biorreactor diseñado apropiadamente es la de proveer un medio controlado para alcanzar el crecimiento optimo y la formación de productos finales óptimos o cualquiera de ambos, en el sistema celular particular empleado.

En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales ESPECIFICAS propicias tanto de pH, temperatura, limpieza, concentración de gases (oxígeno, CO2), nutrientes, al organismo o sustancia química que se cultiva.

OBJETIVOS DEL DISEÑO DE BIORREACTORES

Agitación efectiva para mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo. Mantener constante y homogénea la temperatura.

Eliminar adecuadamente el calor (fermentación y agitación)

Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes

Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.

Mantener un ambiente aséptico y de fácil limpieza.

Maximizar el rendimiento y la producción.

Minimizar el gasto y los costos de producción.

Reducir al máximo el tiempo.

En los fermentadores, o biorreactores de células vivas, se promueve mantenerlas condiciones de la célula para permitir la formación de productos como metabolitos (por ejemplo antibióticos, alcohol, ácido cítrico), biomasa, transformación de sustratos ( por ejemplo esteroides fisiológicamente activos), o la purificación de solventes (por ejemplo, miscibles en agua). Estos sistemas están basados en cultivos de mracroorganismos.

La forma en la que podemos ilustrar la cinética bioquímica con transferencia de masa, considerando un reactor discontinuo simple, en condiciones de mezclado en presencia de un sustrato S, contenido con células X y producto P.

Si generalizamos el balance de masa para el reactor, tenemos la forma:

Crecimiento de células:

dXV/dt =r_X∙V

Consumo de sustrato:

dSV/dt=r_S∙V

Formación del producto:

dPV/dt = r_P∙V

Lavelocidad de las variables constitutivas rX, rS y rP, pueden ser complejas funciones de (S,X,P) y en adición, pueden depender de la presencia de metabolitos, además de factores como temperatura y pH. En sistemas aeróbicos, la velocidad de expresión dependerá también de la concentración de oxigeno contenida en la fase liquida. Entonces, el transporte de, por ejemplo, oxigeno de la fase gaseosa a la fase liquida y finalmente a la catálisis biológica es importante en la determinación de la eficiencia del sistema del reactor.

COMPORTAMIENTO DE SISTEMAS Y OPERACIONES.

La aplicación de los principios de ingeniería química es muy usado en el análisis del diseño y operación de reactores bioquímicos. Como sea, el enfoque clásico al análisis es limitado por el seguimiento de un comportamiento especial:

1.- La gran densidad de las células microbiológicas suspendidas y partículas de sustrato generalmente enfocados a estos otros líquidos del medio.

2.- El tamaño de las células individuales es muy pequeño (en rango de µm), comparados con las partículas de la catálisis, acoplado con el mismo comportamiento, esta es generalmente una dificultad para establecer en un fluido turbulento las condiciones de transferencia de masa.

3.- Los sustratos poliméricos o metabolitos, así como el crecimiento micelar, después de reaccionar, pueden producir una mezcla pseudoplástica muy viscosa. Esta condición tiende a limitar la dinámica de los fluidos en los rectores bioquímicos.

4.- El crecimiento multicelular microbiológico, en especial de crecimiento de hongos, generalmente forman conglomeraciones largas de células como una micela. La resistencia de la difusión intraparticular es frecuentemente pronunciada anteriormente en estos sistemas para anaerobiosis.

5.- Los reactores bioquímicos frecuentemente requieren de controles cerrados de concentraciones de soluto, pH, temperatura, y presión parcial en orden para evitar daño y/o destrucción de componentes

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