BIOREACTORES

Dr. Ing. Rubn Mrquez M.

BIOPROCESO TPICO Stock cultureShake flaskSeed fermenterRaw materialsMedium formulationSterilizationComputer controlProduction fementerAirRecoveryPurificationProductsEffluent treatmentMicrobiology, biochemistryChemical, engineeringMicroorganismcell preparationMedium preparation

BIOREACTOR

CORAZN DEL PROCESO

DEFINICIN DE BIOREACTORESReactores qumicos en los que ocurren reacciones catalizadas por Biocatalizadores. Enzimas Clulas vivas Microorganismos Animales Vegetales

INTRODUCCINSon los bioreactores mas conocidos e utilizados. Se han venido utilizando desde el ao de1940 para la produccin industrial de una gran diversidad de productos, como: enzimas, antibiticos, vitaminas, cidos orgnicos, solventes y tratamento de resduos.

Clulas vivas Microorganismos

INTRODUCCIN

Los bioreactores son concebidos en funcin del tipo de proceso y de los agentes biolgicos empleados.

Pueden tener caractersticas muy diferentes en lo que se refiere a fenmenos de transporte (calor, masa y cantidad de movimento).

Ejemplos:

Tipo de microorganismos Levaduras - Bacterias - Hongos filamentosos

Tipo de biocatalizador: Microorganismos - Clulas animales - Clulas vegetales

Tipo de proceso:Concentracin celular elevada IntrINTRODUCCINoduccin

INTRODUCCINCerca de 90 % de los reactores utilizados industrialmente son del tipo reactor de mezcla STR (agitados mecanicamente).

Hay un gran inters en otros tipos de reactores, pero la mayora de los procesos siguen siendo a escala de laboratorio o semi-piloto.

INTRODUCCINLa capacidad de un bioreactor es muy variable, dependiendo del proceso de que se trate. 1 a 2 m3 cultivo de patgenos o clulas animales o vegetales. Normalmente para la produccin de substancias ligadas a la salud. 100 a 200 m3 enzimas, antibiticos y vitaminas.

Superior a 1000 m3 procesos que exigen poca asepsia, como en los casos de la fermentacin alcohlica y el tratamento biolgico de resduos.

INTRODUCCIN ESCALAMIENTO Scale-up

Nivel Laboratorio Nivel Planta Piloto

Nivel Industrial

Clasificacin General de los BioreactoresEn la literatura existen varias formas posibles de clasificar los bioreactores,tales como: el tipo de biocatalizador:Clulas

o

Enzimas

LevaduraBacteriaC.AnimalC.Vegetal

Clasificacin General de los Bioreactores La configuracin del biocatalizador:Clulas Libres Imovilizados.

Clasificacin General de los Bioreactores La manera de agitar el medio de cultivo: Mecnica Pneumtica

Clasificacin General de los Bioreactores

Teniendo en cuenta las diversas propuestas que se encuentran en la literatura, se propone una clasificacin mas amplia.

Tener en cuenta DOS palabras CLAVE: AGITACIN AIREACIN

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReactores en fase acuosa(sumergida)Reactores en fase no-acuosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLibresClulas/EnzimasImovilizadasAgitados MecnicamenteAgitados PneumaticamenteFlujo PistonLecho FijoLecho FluidizadoMembranas planasFibra huecaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatorio)Lecho FijoLecho Fluidizado (gs-slido)BioreactoresEsttico

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReactores en fase aquosa(sumergida)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLibresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecnicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)BioreactoresEsttico

Agitados PneumaticamenteFluxo PistonadoEstticoClasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)Biorreatores Un bioreactor del tipo STR consiste en un recipiente cilndrico con relaciones geomtricas entre la altura (H) y el dimetro (D) de 1:1, 2:1 ou 3:1. Normalmente est equipado con Deflectores o Chicanas (ancho 0.1D), utilizadas para evitar la formacin del vrtice.El agitador est montado en el eje central y puede tener a lo largo de su altura una serie de turbinas, que puede ser de diferentes tipos.Agitados Mecnicamente

Agitados PneumaticamenteAgitados MecanicamenteFluxo PistonadoEstticoClasificacin General de los BioreactoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)BiorreatoresTurbina RUSHTONTurbina PaddleAgitador en anclaAgitadores de flujo Radial

Agitados PneumaticamenteFluxo PistonadoEstticoClasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)BiorreatoresAgitadores de flujo AxialHlice marinaHlice con flujo dobleHlice de paletas grandesAgitador de cinta helicoidalAgitados Mecnicamente

Agitados PneumaticamenteFluxo PistonadoEstticoAgitados MecnicamenteClasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)Biorreatores Funciones de la agitacin: Homogenizar el Medio; Dispersar los gases en el Lquido (diminuir el tamao de las burbujas y mejorar la transferencia de oxgeno).

Agitados MecanicamenteFluxo PistonadoEstticoClasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)Biorreatores Los reactores agitados pneumticamente se caracterizan bsicamente por la ausencia de agitacin mecnica, el lquido es agitado por el burbujeo del gas (normalmente aire). Coluna de burbujasAir-liftPresentan una menor fuerza de cizallamiento, lo que es importante para el cultivo de clulas animales y vegetales.La diferencia bsica entre el reactor de columna de burbujas y el Air-Lift, es que este ltimo tiene un movimiento cclico del lquido (bien ordenado) y el primeio presenta un movimiento aleatorio.Agitados Pneumticamente

Agitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteEstticoClasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)BiorreatoresFlujo Piston En los reactores de flujo piston plug-flow, el inculo y el medio se mezclan a la entrada del sistema y el cultivo fluye a una velocidad constante y en un regimen laminar (sin ocurrir mezcla longitudinal, backmix).

Existe una variacin en la concentracin de nutrientes, clulas y producto a lo largo del compartimiento del reactor.

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)BiorreatoresAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoEstticoSe caracterizan por la ausencia de agitacin. Los reactores de bandejas, son bastante limitados en lo que se refiere a la transferencia de oxgno y el control de las condiciones ambientales del proceso.

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReactores en fase acuosa(sumergida)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImovilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLecho FijoLecho FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)BioreactoresEsttico Tienen como objetivo el mantener concentraciones elevadas de clulas, lo que tiene como resultado elevar la productividad del reactor. Reactores en los cuales el biocatalizador se encuentra inmovilizado en un soporte inerte como por ejemplo:

Poliacrilamida,pectina, materiales cermicos, vidrio, etc.,

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLecho FijoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)Biorreatores

En los reactores de lecho fijo no hay movimiento de las partculas (pellets) en las que se inmoviliza el biocatalizador

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLeito FixoLecho FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)BiorreatoresEn los reactores de lecho fluidizado las partculas (pellets) en las que se inmoviliza el biocatalizador tienen un movimiento intenso.

La fluidizacin del lecho puede ser realizada por: Inyeccin de aire; Gas inerte; Corriente de recirculacin del lquido en el reactor.

Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLeito FixoLeito FluidizadoEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)EstticoClasificacin General de los BioreactoresReactores en fase acuosa(sumergida)Membranas planasFibra huecaClulas/EnzimasConfinadasBioreactores

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLeito FixoLeito FluidizadoFibra huecaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)BiorreatoresMembranas planasLos reactores de clulas confinadas se caracterizan por mantererlas dentro de membranas semipermeables. Permiten el flujo de lquido,pero no de las clulas. Normalmente se presenta una separacin entre los flujos de nutrientes y productos lo que contribuye a eliminar algunas etapas de purificacin de los produtos. En estos reactores los esfuerzos de corte (cizalla) son mnimos (menores que en los air-lift). Por lo que se sugiere su uso, en el caso de clulas muy sensibles.

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)Biorreatores

Clasificacin General de los BioreactoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLeito FixoLeito FluidizadoFibra huecaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)BiorreatoresMembranas planas

Clasificacin General de los BioreactoresReatores em fase aquosa(submersa)Reactores en fase no-acuosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Lecho FijoLecho Fluidizado (gs-slido)BioreactoresEsttico Los reactores de Fermentacin semi-slida, se caracterizan por la ausencia de agua libre" (30 a 80% de humedad).

Clasificacin General de los BioreactoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)Biorreatores Los reactores de bandejas (stationary trays), son bastante limitados en lo que se refiere a las condiciones de transferencia de oxgeno y control de las condiciones ambientales del proceso.

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatorio)Leito FixoLeito Fluidizado (gs-slido)Biorreatores El reactor tipo Tambor rotatorio presenta una mejor transferencia de oxgeno y homogenizacin del medio atravs de la agitacin (rotacin).

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Lecho FijoLeito Fluidizado (gs-slido)BiorreatoresEl lecho fijo se caracteriza por el paso de aire o gas inerte a travs de un lecho de partculas slidas. Gs

Clasificacin General de los BioreactoresClassificao dos biorreatoresReatores em fase aquosa(submersa)Reatores em fase no-aquosa(semi-slida)Clulas/EnzimasLivresClulas/EnzimasImobilizadasAgitados MecanicamenteAgitados PneumaticamenteFluxo PistonadoLeito FixoLeito FluidizadoMembranas planasFibra ocaClulas/EnzimasConfinadasEsttico (Bandejas)Agitado (Rotatrio)Leito FixoLecho Fluidizado (gs-slido)BiorreatoresEn el lecho fluidizado gs-slido la fluidizacin ocurre con una elevada velocidad de gs, lo que adems de mejorar la transferencia de masa del sistema auxilia en el control de la temperatura.

Seleccin del Bioreactor1. Natureza del biocatalizador Estabilidad de a cepa; Aerbio o anaerbio; Tamao y forma de las clulas.2. Propiedades del medio de fermentacin Propiedades fsicas del substrato (lquido o slido); Componentes del medio sensibles al calor; Propiedades reolgicas (densidad y viscosidad); Formacin de espuma.3. Parmetros bioqumicos del proceso Taza de transferencia de oxgeno; Dependencia de la temperatura y pH.Classificao dos biorreatores

APLICACIN DE BIOREACTORESINDUSTRIA QUMICA- MOLCULAS BASE PARA LA INDUSTRIA QUMICACIDO LCTICOINDUSTRIA DE LOS ALIMENTOS-ADITIVOS, BEBIDAS, ENZIMASINDUSTRIA FARMACETICA-ANTIBITICOS, INSULINAMEDIOAMBIENTE- BIOREMEDIACINAGUA, AIRE, SUELOSENERGA-BIOCOMBUSTIBLESBIODIESEL, BIOETANO, METANO

*