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BIOREACTORES
TIPOS Y FUNCIONAMIENTODr, Blgo Carlos E. Villanueva A.
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MicrobiologaIndustrial
Bioqumica
Ingeniera Qumica
Ingeniera Gentica
BIOTECNOLOGIA
REACTORESBIOQUIMICOS
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Biorreacto r
Es el corazn de cualquierproceso de fermentacin o
conversin enzimtica
! EL CEREBRO !
HardwareSoftware
http://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://es.cetotec.com/bilder/DSC_1421.JPG.jpg&imgrefurl=http://es.cetotec.com/2/fermenter.stm&h=451&w=300&sz=140&hl=es&start=7&tbnid=t3D2jvXsAZy0jM:&tbnh=127&tbnw=84&prev=/images%3Fq%3Dfermentador%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://rgcb.res.in/images/index_pic.jpg&imgrefurl=http://portartificios.blogspot.com/2008/02/mas-all-del-silicio.html&h=222&w=230&sz=9&hl=es&start=21&tbnid=ZfXOBUdozCEhuM:&tbnh=104&tbnw=108&prev=/images%3Fq%3Dbiorreactor%26start%3D20%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://rgcb.res.in/images/index_pic.jpg&imgrefurl=http://portartificios.blogspot.com/2008/02/mas-all-del-silicio.html&h=222&w=230&sz=9&hl=es&start=21&tbnid=ZfXOBUdozCEhuM:&tbnh=104&tbnw=108&prev=/images%3Fq%3Dbiorreactor%26start%3D20%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://es.cetotec.com/bilder/DSC_1421.JPG.jpg&imgrefurl=http://es.cetotec.com/2/fermenter.stm&h=451&w=300&sz=140&hl=es&start=7&tbnid=t3D2jvXsAZy0jM:&tbnh=127&tbnw=84&prev=/images%3Fq%3Dfermentador%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://rgcb.res.in/images/index_pic.jpg&imgrefurl=http://portartificios.blogspot.com/2008/02/mas-all-del-silicio.html&h=222&w=230&sz=9&hl=es&start=21&tbnid=ZfXOBUdozCEhuM:&tbnh=104&tbnw=108&prev=/images%3Fq%3Dbiorreactor%26start%3D20%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DN8/13/2019 2. Biorreactores
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Tipos debiorreactores
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SU FUNCION PRINCIPAL
Proveer un medio controlado para alcanzar elcrecimiento y formacin de productos ptimos
Su funcionamiento: depende bsicamente de :
1. B iom asa : concentracin
2. Co ndic io nes estr iles : mantenimiento3. A gitac in : efectiva4. Calo r : eliminacin5. Corte : condiciones correctas
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Se utilizan tres grupos de biorreactores en labioindustria.
1. No agitados sin aireacin 86 %
2. No agitados con aireacin 11 %
3. Agitados con aireacin 13 %
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Ingeniera de Biorreactores
Configuracin Tamao
Condiciones del proceso Modo de operar
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Biorreactores: configuracin Tanque agitado ( agitacin mecnica) Columna de burbujeo Air lift (de elevacin con aire) Lecho empaquetado Lecho fluidizado Lecho de goteo Fibra hueca
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Reactor de TanqueAgitado
Typical stirred-tank fermenter foraerobic culture
S ll d idl d d
BIOREACTOR DE TANQUE
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11/47Entrada del agua de Difusor
Entrada deaire
Turbina depalas planas
Deflectores
Serpentn de
refrigeracin
Separador deespuma
Sellado aspticoagitadorSalida de gas
Salida de agua
de refrigeracin
Relacin altura / dimetro: variable,la mas barata es 1
Enfriamiento: serpentines internos.
De acero inoxidable > 20 L.
Poseen rodetes (agitadores)
Capacidad: se utiliza solo al 70-80 %para dar espacio a espuma.
Uso: El mas utilizado en la industriapor bajos costos de operacin.Reacciones con enzimas librese inmovilizadas, Cultivo declulas en suspensin einmovilizadas.
BIOREACTOR DE TANQUECON AGITACION
MECANICA
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Mezclado Combinacin de componentes solubles. Dispersin de gases en pequeas burbujas. Mantenimiento en suspensin de partculas slidas (clulas). Dispersin de lquidos inmiscibles para formar emulsin o
suspensin fina. Mejora de la transferencia de calor hacia y desde el lquido.
DifusoresPorosos.De orificiosDe boquilla
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Baffles
Impeller
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Baffle arrangements.
(a) Baffles attached to thewall for low. viscosityliquids.
(b) Baffles set away fromthe wall for moderate-viscosity liquids.
(c) Baffles set away fromthe wall and at an anglefor high-viscosity liquids .
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Radial flow impeller :
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Radial-flow impeller :Flow pattern produced by a in a baffled tank.
(a) side view (b) bottom view.
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Transmisin de Calor
Equipos de Transmisin de Calor
Intercambiadores de tubos concntricos(operacin en contracorriente y cocorriente).
Intercambiadores de carcasa y tubos .
Calentamiento (vapor). Enfriamiento (agua de refrigeracin).
Annulus fluid in
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Double-pipe heat exchanger
Annulus fluid out
Tubefluidin
Tubefluidout
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Coil Interno: Desventajas
Interferencia en el mezclado.
Dificultades en la limpieza.
Posibilidad de crecimiento celularen la superficie.
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Reactor de Columnade BurbujeoBubble Column Bioreactor
BIOREACTOR DE COLUMNA DESalida de gas
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BURBUJASg
Suministro de aire
El flujo depende de: Caudal de aire.
Diseo del difusor.
Dimetro de la columna.
Propiedades del lquido.
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BIORREACTOR DE COLUMNA DE BURBUJAS
Estructura sencilla: cilindros: alturasdobles al dimetro.
Agitacin, aireacin y mezcla; porinyeccin de gas (aire) con difusor.
Estructuras internas No presentan.
Costo: baratos, sin partes mviles.
Rendimiento: adecuado en la transferencia
de materia y transmisin de calor.
Usos: produccin de levaduras, cerveza,vinagre y tratamiento de aguas residuales.
HETEROGENEOUS FLOW IN
A BUBBLE COLUMN
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Reactor Air LiftBIOREACTOR DE ELEVACION CON AIRE
Gas exhaust Gas exhaust Gas exhaust
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Airlift reactor configurations
Drafttube
Downcomer
Riser
sparger
Riser
AirAir Airsparger
Downcomer
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Estructura sencilla
Agitacin : por inyeccin de aire
Bajo shear
Rasgo caracterstico: separacin fsica de corrientes ( flujo liquido)
ascendente y descendente) El gas se inyecta por el r iser y baja a travs del downcomer por
diferencia de densidad.
Tipos: de bucle interno y bucle externo (el mas efectivo).
Relacin altura dimetro: 10.1
Usos: produccin de protena unicelular de metanol y gasoil,cultivo de clulas animales, vegetales, tratamiento de aguas,procesos con catalizadores inmovilizados
A Comparison of Mechanically and
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A Comparison of Mechanically andPneumatically Agitated Bioreactors
Pneumatic Agitation
(Airlifts, Bubble Columns)
Mechanical agitation
(Stirred Tank)
1) Mechanically complex (stirrers, shaft, seals,bearings)
2) Often high shear
3) Gas throughput limited by impeller flooding
4) Difficult to clean due to mechanicalcomplexity; greater possibility ofcontamination over extended operation
5)
Turbulence confined to impeller zone enviscous on-Newtonian media. Gas channelsthrougth the impeller zone while the rest ofreactor remains stagnant
6) Operationally flexible (controlled by impellerspeed and by gas flow rate)
Mechanically simple and robust
Gentle, low shear levels (suitable for tissueculture, plant cells, fragile genetically
engineered microorganisms)High gas throughputs possible (particularyin airlift devices)Easy to clean. Extended asceptic operationpossible (useful in continuous operation)
More uniform distribution of turbulence
Limited operational flexibility. Require morecareful design.
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Reactor de LechoEmpaquetado
BIORREACTOR DE LECHO EMPAQUETADO
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Salida de gas
Aire
Recipienteagitado
DifusorAgitador
Bomba
LECHORELLENO
DEPARTICULASDE
CATALIZADOR
Medio recirculado
Packed-bed reactorwith medium recycle.
BIOREACTOR DE LECHO EMPAQUETADO
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BIOREACTOR DE LECHO EMPAQUETADO
Estructura: tubos verticales rellenos empaquetados con conbiocatalizadores inmovilizados o en forma de partculas. Laspartculas deben ser incompresibles.
Medio de recirculacion: debe ser lmpido.Se alimenta por la parte
superior o inferior y se recircula. Pantallas: a la salida para evitar la salida de partculas.
La agitacin y aireacin: en recipientes separados. La aireacinno debe realizarse en el lecho empaquetado (columna).
Uso: No apta para procesos productores de gas. Clulas yenzimas inmovilizadas para producir aspartato y fumarato.Conversin de penicilina a 6 - aminopenicilnico. Resolucin deismeros de aminocidos.
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Reactor de LechoFluidizado
Fluidised-bed reactor
Salida de gas Catalizadores empaquetados
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BIOREACTOR
DELECHOS FLUIDIZADOS
Recircu-lacindeliquido
pump
Catalizadores empaquetadosse mantienen en suspensinpor movimiento ascendentedel liquido impulsado por
gas.
El medio es recirculado
Modificacin del biorreactor
de lecho empaquetado. Uso: tratamiento de residuos
con arena o material similarque soporta mezclas de
poblaciones microbianas.Uso organismos floculantesen la fabricacin de cerveza yvinagre.
Entrada de gas
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Reactor de Lecho deGoteo
Trickle-bed reactor
BIOREACTORCON LECHOSSalida de gas
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CON LECHOSDE GOTEODistribuidor por
nebulizacin o spray
Recircu-lacindeliquido
pumpEntrada de gas
Liquido: se roca (spray) sobrela parte superior delempaquetado y las gotasdescienden a travs del lecho
como pequeas corrientes. Aire o gas: se introduce por labase y sube con facilidad ya quela fase liquida no es continua atravs de la columna.
Modificacin del biorreactor delecho empaquetado.
Uso: tratamiento aerobio deaguas residuales.
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Reactor de FibraHueca
inoculation port water jacket product
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Hollow fiber erfusion bioreactor
nutrients product
nutrients
cells inannularspace
inner membraneouter membranelumen
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Parameters Measured or Controlled
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Parameters Measured or Controlledin Bioreactors
Physical Chemical BiologicalTemperaturePressure
Reactor weightLiquid levelFoam level
Agitator speedPower consumptionGas flow rateMedium flow rateCulture viscosityGas hold - up
PHDissolved O 2Dissolved CO 2Redox potentialExit gas compositionConductivityBroth composition(substrate, product,ion, concentrations,etc.)
Biomass concentrationEnzyme concentration
Biomass composition(such as DNA, RNA,protein, ATP/ADP/AMPNAD/NADH levels)
ViabilityMorphology
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Bibliografa
1. Doran, P. (1988) Bioprocess EngineeringPrinciples. Academic Press Limited. London
2. Scragg, A. (ed). (1966) Biotecnologa paraingenieros. Sistemas biolgicos en procesos
tecnolgicos. Editorial Limusa S.A. De C.V.Mxico
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Parameters and Other Factors in
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rDNA Fermentation Inoculum preparation
Stable maintenance of recombinant cells during inoculum development. Media desing
Medium desing for maintenance of recombinant cells
Oxygen transfer Increased oxygen demand Sensitivity to oxygen perturbation.
Process control and optimization Fine control of process variables (pH, temperature, DO level, etc.)
Other Reduced shear rate when protein is secreted into medium. Optimization of dilution rate in continuous fermentation Biosafety guidelines
Los Dispositivos de medida usados en la Industria
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Los Dispositivos de medida usados en la Industriatienen que cumplir los siguientes requisitos:
Precisin dentro del 1 - 2 % de la escalacompleta.
Operacin fiable durante al menos 80 % deltiempo. Bajo costo de mantenimiento.
Esterilizables por vapor. Sencillez de manejo.
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