- DISEÑO PARA REACCIONES BIOLOGICAS
- LAS BASES MICROBIOLOGICAS
- CLASIFICACION DE LOS REACTORES BIOLOGICOS
- TRANFERENCIA DE OXIGENO
- AGITACION EN LOS REACTORES BIOLOGICOS
- INOCULACION EN LOS REACTORES BIOLOGICOS
INTRODUCIÓN
El biorreactor es la
parte principal del proceso bioquímico en el que se emplean sistemas
microbianos fungales o sistemas celulares mamíferos o plantas 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 y la producción de productos óptimos, o cualquiera
de ambos, en el sistema celular particular empleado.
El funcionamiento de
cualquier biorreactor depende de muchas funciones incluyendo:
1.
La
concentración de biomasa, la cual debe permanecer alta
2.
El
mantenimiento de las condiciones estériles
3.
Agitación
efectiva para que la distribución de los substratos y microorganismos den el
reactor sea uniforme
4.
Eliminación
de calor
Creación de las
condiciones correctas de corte, las rapideces altas de corte pueden ser
diseñadas para el organismo pero las rapideces de corte baja también pueden ser
indeseables debido a la floculación o al crecimiento de biomasa inconvenientes
sobre la pared del reactor y sobre el agitador
Mezcla perfecta (sin gradientes de concentración y con agitación turbulenta)
1.-DISEÑO PARA REACCIONES BIOLOGICAS
DISEÑO DE UN QUIMIOSTATO: CULTIVO CONTINUO
Un quimiostato es un sistema de cultivo exige
una serie de consideraciones para modelar su comportamiento:
Mezcla perfecta (sin gradientes de concentración y con agitación turbulenta)
Flujo de entrada y
salida iguales (F1=F2=F);
Parámetros constantes
de transferencia (temperatura, pH, velocidad de transferencia de oxígeno, etc.)
Para iniciar un
cultivo continuo; el biorreactor o el fermentado debe cargarse previamente con
el inóculo del cultivo y luego de que este crece lo suficiente, alimentar el
sistema con el medio fresco o a un caudal F1 y lavar el producto por un rebalse
a un caudal F2, de modo que, el volumen se mantenga constante, el tiempo que
dure el bioproceso o la fermentación, el caudal de salida F contiene células
vivas (X), medio de cultivo con algún sustrato (S) parcialmente agotado (So) el
caudal de entrada (P). Al alimentar con medio fresco (So) el caudal de entrada
(F1), la biomasa (Xo) y el producto (Po) serán iguales a cero para las
condiciones de entrada; por lo que, solo se deberá considerar la concentración
de sustrato limitante del crecimiento (So) en la alimentación.
DISEÑO DE UN BIORREACTOR SEMICONTINUO
Un cultivo semicontínuo
posee una línea de entrada o de alimentación (F1). Para iniciar un cultivo
alimentado (fed-batch) son validas las mismas consideraciones que se hicieron
para el cultivo continuo; pero, se inicia la alimentación del cultivo cuando el
sustrato limitante de la velocidad se ha agotado; esto permite controlar la
velocidad de crecimiento, regulando la velocidad de alimentación (caudal);
finalmente se debe alimentar el cultivo con medio fresco.
DISEÑO DE UN BIORREACTOR DISCONTINUO
Un sistema de cultivo
discontinuo no posee alimentación (F1) o lavado (F2); se carga el contenido del
biorreactor (tanda o lote) con el medio de cultivo y luego se inocula (células
o microorganismos) y se deja crecer hasta obtener el producto (biomasa o
metabolito).
DISEÑO DE UN BIORREACTOR CON AIREACIÓN
Un biorreactor con
aireación es por definición un reactor continuo donde la entrada F1 es una
línea de alimentación de aire estéril (O2); la salida F2 es una
línea de lavado de aire estéril y el sustrato limitante de la velocidad de
crecimiento es el oxigeno disuelto (OD).
Existen 2 tipos o
diseños básicos de biorreactores con aireación; ambos, de uso muy difundido: el
primero es tanque agitado con línea de aireación y el segundo es el de
levantamiento por aire o “air lift”. De este último existen también, una
variante que se utiliza para cultivos aeróbicos muy resistentes a esfuerzos
cortantes e hidrodinámicos y es la cama de burbujas “bubble bed”
Cuando el volúmen es muy grande (mayor de 1000l) o se requiere de un mayor volúmen de aireación, el sistéma CSTR, ya no es eficiente y se requiere el levantamiento por aire. Debido a que, a mayor volúmen de cultivo también es mayor la cantidad de calor generado; se hace necesario, aumentar el área de transferencia de calor y la eficiencia de refrigeración; por lo que, el intercambiador de calor de camisa debe ser reemplazado por uno de serpentin o en contra flujo o con circulación adyacente a la pared del tanque. Al igual que en el diseño de tanque agitado, el aire que ingresa al biorreactor debe de ser estéril; esto se consigue, haciendolo pasar por un filtro microporo que impida el paso de microorganismos contaminantes. En los biorreactores de levantamiento por aire o "air lift" la cama de aire también funciona como medio de agitación: de modo que, se genere una circulación fluida de liquido de aire (burbujas) que asciende el compartimiento externo, favoreciendo el mezclado perfecto.
Sistema de aireación: el sistema de aireación externamente comprende las líneas de entrada Fi y salida de aire Ff e internamente debe optimizar la transferencia de gases nutrientes (aire) hacia el medio líquido.
Un sistema de aireación consta de 4 partes mecánicas: fuente de aire; tuberias y filtros de entrada; boquilla y difusor de aire; tuberias y filtros de salida. Y 3 partes de control: control de flujo, control de presión de aire; control de difusión de oxígeno disuelto.
Fuente de aire: Dado que el sistema de aireación, en su conjunto, depende de la correcta elección del dispositivo que suministrará la fuente del aire, se siguen 2 opciones.
Compresor de aire: su principal característica es que opera con: alta presión y bajo caudal de aire; por eso, cuando operan, es de manera continua o, cuando se requiere la capacidad, debe de tener un tanque de almacenamiento a alta presión como parte del sistema. Una segunda característca e importante es que produce un alto nivel de ruido 80dB y una tercera es que, si el compresor es de tipo pistón debe lubricarse con aceite, por lo que, ésta característica se incluye en el diseño como: autolubricado (oiless) o no lubricado (oil lubricated).
ESTRUCTURA DE UN REACTOR CONTINÚO DE TANQUE AGITADO
CON LÍNEA DE AIREACIÓN
Un CSTR con línea de aireación
es utilizado, por lo general, como dispositivo fermentador para células y
cultivos aeróbicos. En el, la aireación se da en régimen laminar o de
transición (Re≤3000) por cuanto estas fermentaciones son destinadas a cultivos
de células y microorganismos aeróbicos “sensibles” a esfuerzos constantes e hidrodinámicas
altas. La agitación “extra” requerida se realiza mecánicamente, por medio de:
un eje transmisor de potencia provisto de aletas o de turbinas de agitación y
accionado por un motor de corriente alterna con control de potencia y
velocidad.
Además de esto, es
indispensable que el sello mecánico del eje del motor sea hermético y
esterilizadle; que las, las líneas de entrada y salida de aire sean estériles y
que la difusión del aire dentro del biorreactor sea controlada en presión,
flujo y concentración.
Para completar el esquema de diseño: el aire se inyecta por la parte inferior del tanque y es difundido a través de toda la mezcla por una corana con pequeños orificios espaciados regularmente o una boquilla de difusión. La "cama" de aire debe de ser un "chorro" de finas burbujas de aire de pequeño diámetro, que salen de cada orificio de la corona o el difusor (boquilla) y al ser "golpeadas" por las paletas de la turbina o el agitador, se distribuyen por todo el volúmen generándose miles de pequeñas burbujas de aire que, difunden el O2 disueltos hacia el seno del liquido. El sistema de agitación se completa con 4 o 6 deflectores o "baffles" que rompen el movimiento circular que imprimen las paletas de la turbina o el agitador al liquido y generan mayor turbulencia y mejor mezclado; pero sin dañar el tejido o la pared célular de las células y microorganismos. Finalmente, el tanque debe poseer un intercambiador de calor formado por una camisa por la que circule agua, para poder controlar la temperatura del cultivo y evitar que este muera o sufra un estrés térmico.
ESTRUCTURA DE UN BIORREACTOR DE LEVANTAMIENTO POR AIRE
Cuando el volúmen es muy grande (mayor de 1000l) o se requiere de un mayor volúmen de aireación, el sistéma CSTR, ya no es eficiente y se requiere el levantamiento por aire. Debido a que, a mayor volúmen de cultivo también es mayor la cantidad de calor generado; se hace necesario, aumentar el área de transferencia de calor y la eficiencia de refrigeración; por lo que, el intercambiador de calor de camisa debe ser reemplazado por uno de serpentin o en contra flujo o con circulación adyacente a la pared del tanque. Al igual que en el diseño de tanque agitado, el aire que ingresa al biorreactor debe de ser estéril; esto se consigue, haciendolo pasar por un filtro microporo que impida el paso de microorganismos contaminantes. En los biorreactores de levantamiento por aire o "air lift" la cama de aire también funciona como medio de agitación: de modo que, se genere una circulación fluida de liquido de aire (burbujas) que asciende el compartimiento externo, favoreciendo el mezclado perfecto.
Sistema de aireación: el sistema de aireación externamente comprende las líneas de entrada Fi y salida de aire Ff e internamente debe optimizar la transferencia de gases nutrientes (aire) hacia el medio líquido.
Un sistema de aireación consta de 4 partes mecánicas: fuente de aire; tuberias y filtros de entrada; boquilla y difusor de aire; tuberias y filtros de salida. Y 3 partes de control: control de flujo, control de presión de aire; control de difusión de oxígeno disuelto.
Fuente de aire: Dado que el sistema de aireación, en su conjunto, depende de la correcta elección del dispositivo que suministrará la fuente del aire, se siguen 2 opciones.
Compresor de aire: su principal característica es que opera con: alta presión y bajo caudal de aire; por eso, cuando operan, es de manera continua o, cuando se requiere la capacidad, debe de tener un tanque de almacenamiento a alta presión como parte del sistema. Una segunda característca e importante es que produce un alto nivel de ruido 80dB y una tercera es que, si el compresor es de tipo pistón debe lubricarse con aceite, por lo que, ésta característica se incluye en el diseño como: autolubricado (oiless) o no lubricado (oil lubricated).
existen 2 tipos de diseño contructivo para compresores de aire:
a) compresor de diafragma: está diseñado para un trabajo de operación continua; su presión operación es moderada = 60Psia y como su nombre lo indica, utilizan un diafragma o fuelle para impulsar y comprimir el aire. El compresor de diafragma resuta adecuado para oxigenar volumenes medianos de cultivos de microrganismos aeróbicos.
b) compresor de pistón: es mas utilizado comercialmente, no obstante, para cultivos celulares sensibles (células de membrana plasmática), no es recomendable, por cuanto, su presión de operación es muy alta (80 Psia o más) para estos cultivos puede causar daño celular severo o la lisis de las células.
Soplador regenerativo: se caracteriza por funcionar
EJEMPLO DEL SISEÑO DE UN BIORREACTOR
2.-BASES MICROBIOLÓGICAS
ejemplo de algunas bases microbiológicas
Los sistemas
biológicos que determinan el metabolismo celular de cultivo y el modo
procesal-biológico del sistema son:
CÉLULAS Y MICROORGANISMOS ANAERÓBICOS
Bacterias en su gran
mayoría, son microorganismos de metabolismos degradativo (catabólico),
generalmente unicelulares, estos microorganismos son autónomos y
nutricionalmente independientes (autótrofos); sus células (cuerpos) no respiran
(no utilizan la glucósis para la respiración celular), en cambio, utilizan vías
alternas, donde una molécula orgánica, producida durante el proceso metabólico
(catabolismo), es utilizada como aceptor de electrones, en un proceso
bioquímico conocido como respiración oxidativa; esta molécula es reducida a
producto orgánico en un proceso comúnmente denominado fermentación.
CÉLULAS Y MICROORGANISMOS FACULTATIVOS
Son ambivalentes,
tienen la capacidad de vivir y sobrevivir entre ambientes: aeróbicos (presencia
de oxigeno) y anaeróbico (ausencia de oxigeno); son microorganismos de
metabolismo mixto por lo que, pueden degradar, a partir de diferentes sustratos
(materia prima), tanto orgánicos como inorgánicos. Pese a su versatilidad, sus
mayores representantes son microorganismos que presentan relaciones parásitas o
simbiontes tales como: hongos y levaduras, por lo que no son muy extensos.
CÉLULAS Y MICROORGANISMOS AERÓBICOS
Pertenecen en su
mayoría al Reino Eucariota- pero también los hay procariotas- son
microorganismos y células que respiran (utilizan la glucólisis como forma de
respiración celular); por lo que su metabolismo es constructivo (anabólico) y
deben de obtener sus nutrientes de diferentes fuentes. Sus principales grupos
están representados por: bacterias y microorganismos aeróbicos, plantas y
animales: cuyas células pueden cultivar en suspensiones celulares o bien, en
diferentes arreglos artificiales o modificadas.
A continuación alguna
de los posibles sistemas de cultivo que se pueden realizar y el tipo de
biorreactor asociado a cada uno:
CULTIVO MICROBIANOS ANAERÓBICOS- FERMENTADOR BACTERIAL
(CO2)
Los microorganismos
de metabolismo anaeróbicos son los más simples que todos, tan solo necesitan de
un medio de cultivo adecuado, agitación vigorosa y cierta cantidad de CO2
disueltos (COD) para crecer y multiplicarse.
CULTIVOS MICROBIANOS FACULTATIVOS- FERMENTADOR BACTERIAL
Los microorganismos
facultativos toleran la presencia de oxigeno de bajas concentraciones y además de
un sustrato adecuado, solo requieren agitación moderada y un medio de cultivo
para crecer y desarrollarse.
CULTIVOS MICROBIANOS AERÓBICOS- FERMENTADOR BACTERIAL (O2)
Los microorganismos
aeróbicos necesariamente requieren la presencia de oxigeno (aire) disuelto (OD)
para sobrevivir; además agitación moderada y un medio de cultivo rico en
nutrientes para poder crecer y desarrollarse.
3.-CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES
CLASIFICACIÓN OPERATIVA
Tanto biorreactores como fermentadores se clasifican primeramente de acuerdo al modo de operación: discontinuo, semicontínuo, continuo.
Esta es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor,
sea químico o biológico (biorreactor). En los reactores biológicos el
modo de operación define el sistema de cultivo que es el mismo y
delimita la clasificación procesal-productiva del bioproceso (cultivo).
Al operar un biorreactor en una determinada categoría (discontínuo,
semicontínuo, contínuo), automáticamente queda determinado el modo de
cultivo del sistema y se definen los parámetros y las características
operativas y de diseño que intervienen en el proceso productivo del
sistema.
CLASIFICACIÓN BIOLÓGICA
Los sistemas biológicos deben interaccionar con el ambiente externo
para poder crecer y desarrollarse; es por eso que los biorreactores se
clasifican biológicamente de acuerdo al metabolismo procesal del sistema
de cultivo: anaeróbico, facultativo, aeróbico. Los
bioprocesos de cultivo y las fermentaciones están basados en el
metabolismo celular del cultivo. El metabolismo define los parámetros y
características operativas-biológicas de diseño y de operación del
biorreactor. Estas características son las que intervienen en la parte
biológica del sistema y tienen que ver con el crecimiento, productividad
y rendimiento del cultivo; por lo que, definen la clasificación
biológica-procesal del sistema de cultivo.
CLASIFICACIÓN BIOLÓGICA- OPERATIVA
Ambas clasificaciones; la biológica y la operativa, son procesalmente
interdependientes y en su conjunto afectan el diseño final del
biorreactor. Al conjuntarse ambas clasificaciones, se conjuntan también
la función operativa y la biológica para establecer entre ambas un
propósito de utilización, el modo de cultivo y el bioproceso. Siendo el
propósito de utilización, el destino de cultivo del biorreactor; para
qué tipo de cultivo va a ser utilizado el biorreactor; el modo de
cultivo es sinónimo de sistema de cultivo y el bioproceso es en sí, todo
el proceso.
En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas
condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de
oxígeno, etcétera) al elemento que se cultiva. En función de los flujos
de entrada y salida, la operación de un biorreactor puede ser de tres
modos distintos:
- Lote (Batch)
- Lote alimentado (Fed-Batch)
- Continuo o quimiostato
4.-TRANSFERENCIA
DE OXIGENO
La velocidad de transferencia de 02 desde el seno de la fase
gaseosa hasta la fase líquida está determinada por la siguiente ecuación: Ro =
Kla (C*- C) donde KLa es el coeficiente volumétrico de transferencia de
oxígeno; C la concentración de 02 disuelto en el seno del líquido y
C* la concentración de O2 disuelto en equilibrio con la presión
parcial de oxígeno de la fase gaseosa.
El KLa y por lo tanto el grado de
transferencia de oxígeno desde el seno del líquido hasta las células o
microorganismos en cultivo, dependen del diseño del biorreactor y de las
condiciones de operación del sistema de cultivo: caudal de aire, volumen del
líquido, régimen de agitación, área de transferencia y viscosidad del cultivo.
En general, disminuyen el KLa: la viscosidad y el volumen del líquido y
aumentan el KLa: el área de transferencia, la agitación y la presencia de dispositivos
que aumenten una, la otra, o ambas.
La ecuación de balance de oxígeno en el estado estacionario es: d(VCO2)
/ dt = F (C – C*) – VrO2 + VNiO2 donde Ni es la velocidad de transferencia de
un componente del gas (oxígeno) al líquido (medio). Dado que el oxígeno es el
sustrato limitante de la velocidad de crecimiento, cuando el cultivo se
encuentra en crecimiento, el flujo de entrada oxígeno (FiO2) será mayor al
flujo de salida de oxígeno (FfO2) debido al consumo de oxígeno disuelto en el
líquido por parte de las células o microorganismos en crecimiento y/o división
celular.
En este caso, la ecuación de balance de oxígeno para células o
microorganismos en crecimiento es: d(VCO2) = FiO2C – FfO2C* – VrO2 + VNiO2.
La forma más fácil de obtener el oxigeno para el biorreactor es por
medio del aire, ya que el aire esta compusto de 21% de oxigeno y además es
gratis.
El sistema de aireación externamente comprende las líneas de entrada Fi
y salida de aire Ff e internamente debe optimizar la transferencia de gases
nutrientes (aire) hacia el medio líquido. Un sistema de aireación consta de
cuatro partes mecánicas: fuente de aire; tubería y filtros de entrada; boquilla
y difusor de aire; tubería y filtros de salida. Y tres partes de control:
control de flujo aire; control de presión de aire; control de difusión de
oxígeno disuelto.
El sistema de difusión de oxigeno disuelto debe optimizar al máximo la
transferencia de oxígeno disuelto al medio líquido. El sistema consta de dos
partes mecánicas: boquilla y difusor de aire; una parte de medición: sensor de
oxígeno disuelto y una de control: controlador de oxígeno disuelto.
Además de regular el flujo y la presión del aire en la línea o tubería,
se debe controlar el valor y la concentración del oxígeno disuelto (OD) dentro
del medio líquido; variable que puede medirse en dos formas:
- vOxígeno Disuelto (OD): es la concentración de oxígeno disuelto requerido para la reducción química de un equivalente en iones sulfito (de sodio) a la cantidad de materia orgánica presente en el medio líquido que se debe oxidar.
- vDemanda Bioquímica Oxígeno (DBO): es la taza de oxidación biológica o demanda bioquímica de oxígeno disuelto requerida por el microorganismo o célula en cultivo para oxidar la materia orgánica presente en el medio líquido.
La tasa específica de consumo de oxígeno de un cultivo está determinada
por la velocidad de transferencia de oxígeno (r02) y el KLa que la
correlaciona; recordemos que: rO2 = Kla (C*- C). Se debe conocer la r02 para
poder determinar el KLa; el valor de r02 se consigue en la literatura; la
concentración de oxígeno disuelto en el líquido (C) es equivalente al valor de
OD, e instrumentalmente, se llama: razón de toma de oxigeno (OUR); el
equivalente a C* (concentración de oxígeno disuelto en el líquido en equilibrio
con el gas) es la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) que, instrumentalmente se
llama: razón específica de toma de oxigeno: SOUR (specific oxygen uptake rate).
Ambas razones pueden medirse, regularse con un controlador OUR/SOUR.
Una probeta o electrodo OD es un sensor que mide la concentración de
oxígeno disuelto en el medio líquido. Similarmente, una probeta o electrodo BOD
mide la concentración de oxígeno disuelto en el medio líquido en equilibrio con
el gas. En ambos casos, el material de su construcción debe ser acero
inoxidable y su especificación es por la longitud de inmersión (H) y diámetro
(D) de la probeta.
TANQUE AGITADO
La agitacion y aireacion en un biorrector se realiza para alcanzar los siguientes propositos:
a) sumisnistrar el oxigeno necesrio a los microorganismos para que se realicen apropiadamente sus actividades metabolicas.
b) Mantener en suspensioa los microorganismos
En los biorreactores de tanque agitado, la agitación del caldo del cultivo se lleva a cabo mediante 2 formas siguientes:
a) por el miviento de dispositivos mecánicos tales como impulsores de tipo turbinas o de propelas.
b) Por el movimiento ascendente de burbujas de aire
Por lo tanto, la intensidad de agitación depende de la velocidad de los mivimientos de los impulsores y de la velocidad de aireación. fine como tiempo que tragitación puede describirse mediante el tiempo de mezclado, el cual se define como el tiempo que transcurre después de la adición de un trazador para alcanzar un determinado grado de homogeneidad, generealmente el 95% del líquido contenido en el biorreactor.
Un mezclado insuficiente puede causar regiones en las que haya altas concentaciones de inhibidores de crecimiento, deficiencia de oxigeno o de algun de otro tipo de nutriente, gradiente importante de temperatura y pH, que se pueden reflejar en la obtención de bajos rendimientos.
Por ello, es importante estudiar los efectos de las variables de operación sobre el grado de mezclado que se puede alcanzar en el biorreactor.
COLUMNA
En los biorreactores de columnas la agitación de caldos de cultivo se lleva acabo mediante el movimiento ascendente de las burvujas de aire. El número y tamaño de las burbujas de aire dependen de la velocidad de aireación de las propiedades físicas del caldo de cultivo, del tipo de dispersor, de la altura de la columna y de la presencia de dispersores colocados a lo largo de la columna.
Un aumento en la velocidad de aireación, aumentara la fracción de gas retenido y las velocidades locales de líquido. Junto con esto, se hacen más pronunciados los perfiles de parabólicos de fracción de gas retenido através de la sección transversal de la columna con un maximo en el centro. El elemento estructural através del cual tiene lugar la dispersión del gas se llama dispositivo de dispersión primaria el gas dispersado inicialmente puede ser resispersado. Esto se lleva acabo con propósitos de dispersión secundaria. En las columnas de burbujas de una etapa y en las columnas de burbujas multietapa, el aire se introduce através de dispositivos de dispersión primaria, tal como el tubo perforado, unplato perforado o un plato sisterizado, en donde es dispersado finalmente. También las burbujas de aire que aumentan del tamañao debido a la cualescia pueden ser redispersadas al pasar através de dispositivos de dispersión secundaria tales como malla o bandeja perforada colocados a lo largo de la columna. En los biorreactores de columnas multietapa, la dipersión de aire se lleva acabo predominantemente en los dispositivos de dispersión primaria.
AIR LIFT
Los biorreactores airlift tienen forma de columna o torre en su interior tienen almenos 2 zonas, una de flujo ascendente y una de flujo descendente. El movimiento del liquido se debe a que en dichas zonas la densidad de la dispersión de gas-líquido es diferente por que hay mayor cantidad de aire en la zona de flujo ascendente que el la de flujo descendete. La diferencia de las fracciones de gas retenido es una medida de densidades entre las dispersiones gas-liquido en dichas zonas, la cual es la fuerza matris para la circulacion de liquido en el biorreactor. Debido al mivimiento del liquido las burbujas de gas en la zona de flujo ascendente subirán más rapido, disminuyendo la fracción de gas retenido y la diferencia de presión hidrostática.
En contraste con las condiciones de una columna de burbujas. Los biorreactores airlift se caracterizan por tener fracción de gas retenido menores y por una distribución mas uniforme en la parte gaseosa através de la sección transversal de la zona de flujo ascendente, también, encontraste con la columna de burbujas, los airlift muestran velocidades de liquidos mucho mas altas
5.-AGITACION EN LOS REACTORES BIOLOGICOS
Tipos de biorreatores
TANQUE AGITADO
La agitacion y aireacion en un biorrector se realiza para alcanzar los siguientes propositos:
a) sumisnistrar el oxigeno necesrio a los microorganismos para que se realicen apropiadamente sus actividades metabolicas.
b) Mantener en suspensioa los microorganismos
En los biorreactores de tanque agitado, la agitación del caldo del cultivo se lleva a cabo mediante 2 formas siguientes:
a) por el miviento de dispositivos mecánicos tales como impulsores de tipo turbinas o de propelas.
b) Por el movimiento ascendente de burbujas de aire
Por lo tanto, la intensidad de agitación depende de la velocidad de los mivimientos de los impulsores y de la velocidad de aireación. fine como tiempo que tragitación puede describirse mediante el tiempo de mezclado, el cual se define como el tiempo que transcurre después de la adición de un trazador para alcanzar un determinado grado de homogeneidad, generealmente el 95% del líquido contenido en el biorreactor.
Un mezclado insuficiente puede causar regiones en las que haya altas concentaciones de inhibidores de crecimiento, deficiencia de oxigeno o de algun de otro tipo de nutriente, gradiente importante de temperatura y pH, que se pueden reflejar en la obtención de bajos rendimientos.
Por ello, es importante estudiar los efectos de las variables de operación sobre el grado de mezclado que se puede alcanzar en el biorreactor.
COLUMNA
En los biorreactores de columnas la agitación de caldos de cultivo se lleva acabo mediante el movimiento ascendente de las burvujas de aire. El número y tamaño de las burbujas de aire dependen de la velocidad de aireación de las propiedades físicas del caldo de cultivo, del tipo de dispersor, de la altura de la columna y de la presencia de dispersores colocados a lo largo de la columna.
Un aumento en la velocidad de aireación, aumentara la fracción de gas retenido y las velocidades locales de líquido. Junto con esto, se hacen más pronunciados los perfiles de parabólicos de fracción de gas retenido através de la sección transversal de la columna con un maximo en el centro. El elemento estructural através del cual tiene lugar la dispersión del gas se llama dispositivo de dispersión primaria el gas dispersado inicialmente puede ser resispersado. Esto se lleva acabo con propósitos de dispersión secundaria. En las columnas de burbujas de una etapa y en las columnas de burbujas multietapa, el aire se introduce através de dispositivos de dispersión primaria, tal como el tubo perforado, unplato perforado o un plato sisterizado, en donde es dispersado finalmente. También las burbujas de aire que aumentan del tamañao debido a la cualescia pueden ser redispersadas al pasar através de dispositivos de dispersión secundaria tales como malla o bandeja perforada colocados a lo largo de la columna. En los biorreactores de columnas multietapa, la dipersión de aire se lleva acabo predominantemente en los dispositivos de dispersión primaria.
AIR LIFT
Los biorreactores airlift tienen forma de columna o torre en su interior tienen almenos 2 zonas, una de flujo ascendente y una de flujo descendente. El movimiento del liquido se debe a que en dichas zonas la densidad de la dispersión de gas-líquido es diferente por que hay mayor cantidad de aire en la zona de flujo ascendente que el la de flujo descendete. La diferencia de las fracciones de gas retenido es una medida de densidades entre las dispersiones gas-liquido en dichas zonas, la cual es la fuerza matris para la circulacion de liquido en el biorreactor. Debido al mivimiento del liquido las burbujas de gas en la zona de flujo ascendente subirán más rapido, disminuyendo la fracción de gas retenido y la diferencia de presión hidrostática.
En contraste con las condiciones de una columna de burbujas. Los biorreactores airlift se caracterizan por tener fracción de gas retenido menores y por una distribución mas uniforme en la parte gaseosa através de la sección transversal de la zona de flujo ascendente, también, encontraste con la columna de burbujas, los airlift muestran velocidades de liquidos mucho mas altas
6.-INOCULACION DE LOS REACTORES BIOLOGICOS
En microbiología se entiende por siembra la operación que consiste en
depositar un germen asépticamente en un medio de cultivo.
Toda siembra
debe adaptarse a los siguientes principios generales:
- vPracticarla en medios de cultivo favorable y previamente esterilizado.
- vEmplear instrumentos asépticos.
- vNo contaminar ni destruir el inóculo.
- vDepositarla asépticamente en los medios elegidos.
- vEsterilizar los instrumentos empleados antes y después de cada operación.
El instrumento corrientemente empleado en las siembras es el asa que es
un alambre de cromo-níquel, tiene un diámetro de 0,3 a 1 mm. De diámetro y está
sujeto a un mango de vidrio o de metal. El hilo puede terminar recto (aguja),
en anillo (asa) o aplastado (espátula).
Los medios
de cultivo, pueden ser sólidos o líquidos, y estar contenidos en tubos, placas
o frascos. La técnica general de las siembras variará según el estado físico
del material a sembrar y del medio de cultivo.
En microbiología se entiende por siembra la operación que consiste en
depositar un germen asépticamente en un medio de cultivo.
Toda siembra
debe adaptarse a los siguientes principios generales:
- vPracticarla en medios de cultivo favorable y previamente esterilizado.
- vEmplear instrumentos asépticos.
- vNo contaminar ni destruir el inóculo.
- vDepositarla asépticamente en los medios elegidos.
- vEsterilizar los instrumentos empleados antes y después de cada operación.
El instrumento corrientemente empleado en las siembras es el asa que es
un alambre de cromo-níquel, tiene un diámetro de 0,3 a 1 mm. De diámetro y está
sujeto a un mango de vidrio o de metal. El hilo puede terminar recto (aguja),
en anillo (asa) o aplastado (espátula).
Los medios
de cultivo, pueden ser sólidos o líquidos, y estar contenidos en tubos, placas
o frascos. La técnica general de las siembras variará según el estado físico
del material a sembrar y del medio de cultivo.
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