ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZOINGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL

DISEÑO DE BIORREACTORES

OBJETIVOS

GENERAL

Comparar las características operacionales de los biorreactores mecánicos y neumáticos.

ESPECÍFICOS

• Puntualizar el mecanismo diferencial en el funcionamiento de un biorreactor mecánico y un neumático.

• Determinar la clasificación del biorreactor mecánico y neumático, para verificar similitudes, en su funcionamiento.

• Determinar las áreas de aplicación ambiental de los biorreactores mecánicos y neumáticos.

INTEGRANTES:

• JHOANA BASTIDAS

• CHRISTIAN CAMACHO

• ANDREA ECHEVERRÍA

• ANA BELÉN MEJÍA

• CARMEN YAMBAY

INTRODUCCIÓN

El biorreactor es el centro de todo proceso biotecnológico. Eldiseño y análisis del comportamiento dependen de lacinética de las reacciones biológicas y de los balances demataría y energía.

El agitador neumático consiste en aplicar en el fondo delestanque un tubo con perforaciones por las cuales se liberauna presión de aire obtenida de un compresor adicional quedebe tener el equipo. Es muy poco usado.

El agitador mecánico consiste en un eje provisto de una serie de paletasubicado el fondo del estanque las que producen turbulencia al girar aunas 90 a 120 revoluciones por minuto. La única dificultad es que su eje ala entrada al estanque y en el punto de apoyo presentan pérdidas delíquido.

BIORREACTORES CON AGITACIÓN MECÁNICABiorreactores con agitación mecánica

Sin circulación interna.

*Velocidad de rotación del agitador entre 50-60 RPM *Velocidad periférica en el extremo de la paleta 5 m/s*Efecto de cizalladura reducido *Asegura transferencia de oxígeno necesaria

Con circulación interna

*Móvil de agitación diseñado como el rotor de una bomba centrifuga*El líquido de fermentación y el gas de aireación se aspiran y mezclan hacia la parte superior donde se expulsan de forma radial*Buena capacidad de transferencia de oxígeno

BIORREACTORES CON AGITACIÓN MECÁNICA

Biorreactores con agitación mecánica

Sin circulación interna. Con circulación interna

BIORREACTORES CON AGITACIÓN

NEUMÁTICABiorreactores con agitación neumática

Sin circulación

*Brindan una baja transferencia de oxigeno y sensible acción de cizalladura *Utiliza columnas de burbujas* Su diseño permite aumentar el tiempo de permanencia de las burbujas de gas estableciendo una altura muy superior a su diámetro

Con circulación interna

* Diseñados para fermentación continua* Un diseño pequeño brinda una suspensión celular en la zona central donde tiene lugar la alimentación del medio de cultivo* Un diseño grande brinda un sentido de circulación inverso, la expansión y la alimentación se hace en la zona periférica.

Con circulación externa

* Circulación organizada en dos zonas interconectadas, por un bafle o tubo de draft* La columna montante, ascendente o riser brinda la fase de oxigenación* El compartimiento descendente o downcomer realiza una reinyección de aire* Provoca un aumento en la velocidad de circulación contra la base * Permite obtener un buen coeficiente de intercambio térmico y una buena recirculación basada en la diferencia de densidad.

BIORREACTORES CON AGITACIÓN NEUMÁTICA

BIORREACTORES CON AGITACIÓN NEUMÁTICA

Biorreactores con agitación neumática

Sin circulación Con circulación interna Con circulación externa

A pesar de su uso extensivo tradicional, los biorReactores

agitados mecánicamente tienen un grupo de limitaciones

significativas, cuando se comparan con los biorreactores neumáticos, o

sea los que son agitados por la inyección de gas.

En la actualidad los biorreactores con agitación neumática son mas

utilizados que los mecanicos, sobre todo en las nuevas aplicaciones de la Biotecnología Industrial relacionadas

con materiales frágiles como las células animales y vegetales

Comparación entre los biorreactores con agitación neumática y mecánica

Bioreactores Neumáticos

Columnas de Burbujeo

Airlift

Bioreactores Mecánicos

1)Columnas más simples, al cual se le dispersa gas en su parte inferior 2)Airlift que se han empleado exitosamente en casi todos los tipos de fermentaciones

Son tanques cilíndricos con un motor que se mueve una flecha central, la cual soporta uno o mas agitadores, utilizan bafles y es comúnmente utilizado en los años 40, durante la segunda guerra mundial y es aplicado especialmente en la industria farmacéutica por ser económico

COMPARACIÓN ENTRE LOS BIORREACTORES CON AGITACIÓN NEUMÁTICA Y MECÁNICA

Agi

taci

ón

Mec

ánic

a • Mecánicamente complejos

• En muchas ocasiones provocan alta cizalladura

• Carga de gas limitada por inundación del impelente

• Flexibilidad de operación

• Difíciles de limpiar; mayores posibilidades contaminación en operaciones extendidas

• En medios no-Newtoniano se crean canales de gas a través de zona impelente

Agi

taci

ón

neu

mát

ica • Mecánicamente simples y robustos

• Muy baja cizalladura, adecuados para cultivos frágiles

• Posibilidad de admitir altas cargas de gas (especialmente los airlift)

• Limitada flexibilidad. Requieren de un diseño más cuidadoso

• Fáciles de limpiar, posibilitan operación aséptica extendida

• Distribución más uniforme de la turbulencia

•Fundamentalmente por su aplicación en la producción decompuestos de actividad farmacológica y vacunas.Salud

•En la producción de bebidas, enzimas, saborizantes, productoslácteos, etc.

Industria de alimentos

•Producción vegetal y animal por un conjunto variado de procesosmicrobiológicos que se han enriquecido notablemente, con lautilización de técnicas de ingeniería genética.

Agropecuaria

•Relacionada con la biolixiviación o la aplicación demicroorganismos en la extracción de metales de minerales de bajaley.

Minería

•Se refiere fundamentalmente a la aplicación de microorganismosen la purificación de efluentes, aspecto fundamental para elmantenimiento de la calidad de vida.

Servicio

Mecánico

Son los más comúnmente utilizados en fermentación, tienen alta eficiencia en

líquidos viscosos. Por ejemplo en la producción de alcohol, antibióticos, lácteos fermentados, biomasa, entre

otros.

Neumático

Se han utilizado para el cultivo de células bacterianas y levaduras,

fermentaciones con hongos, cultivo de células animales y vegetales, enzimas

inmovilizadas y biocatálisis celular, cultivos de microalgas, en la producción

de vinagre y cerveza en gran escala y para el tratamiento de aguas residuales

USO DE BIORREACTORES

Sin embargo en la actualidad los biorreactores agitados con gas tienden a

ser preferidos a los tradicionales agitados mecánicamente, sobre todo en

las nuevas aplicaciones de la Biotecnología Industrial relacionadas

con materiales frágiles como las células animales y vegetales

Generalmente, el microorganismo se coloca en un medio de cultivo nutritivo con extracto de levadura, glucosa y minerales necesarios para su crecimiento.

Por ello, para este microorganismo, se controla principalmente la cantidad de C02 que sale y el 02 que entra, para poder predecir el producto a obtener.

A cantidades limitadas de sustrato, existe una mayor producción de biomasa, mientras que al aumentar el sustrato, se tiene una mayor producción de etanol.

Podemos controlar la cantidad de producto y el producto de nuestro interés.

El microorganismo, Saccharomyces cerevisiae es una levadura a la que, para obtener el producto deseado, se manipula el medio al controlar la cantidad de sustrato añadido en una fermentación

por lote alimentado.

EJEMPLO DE PRODUCCIÓN MEDIANTE EL USO DE SACCHAROMYCES CEREVISIAE, EN UN AGITADOR MECÁNICO.

EJEMPLO DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DE LA CIUDAD DE MÉXICO EN EL DISTRITO FEDERAL MEDIANTE EL USO DE UN BIORREACTOR NEUMÁTICO.

Las Aguas residuales municipales fueron depuradas mediante lodos activados en un biorreactor neumático airlift. Con un tiempo de residencia hidraúlica de 4 h y una recirculación de lodos activados del 95%.

Los lodos se desarrollaron inicialmente por una aireación prolongada bajo condiciones que favorecen el crecimiento de organismos que tienen la habilidad especial de oxidar materia orgánica, en este caso se usaron sepas de Spirobacterias, Vitreoscilla, Spharerotilus y Beggiatoa.

EJEMPLO DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DE LA CIUDAD DE MÉXICO EN EL DISTRITO FEDERAL MEDIANTE EL USO DE UN BIORREACTOR NEUMÁTICO.

Cuando los lodos que contienen estos organismos entran en contacto con las aguas negras, los materiales orgánicos se oxidan, y las partículas en suspensión y los coloides tienden a coagularse y formar un precipitado que se sedimenta con bastante rapidez.

Se tuvieron remociones de 97% de DQO y 90% de DBO.

Es necesario un control de operación muy elevado para asegurar que se tenga una fuente suficiente de oxigeno, que exista un contacto íntimo y un mezclado continuo de las aguas negras y de los lodos.

CONCLUSIONES:

Un Biorreactor mecánico difiere de un neumático en sus mecanismos de funcionamiento, descritos en el presente trabajo, dichas diferencias los hacen útiles en diferentes áreas industriales y ambientales.

Un biorreactor mecánico utiliza agitación mecánica ya sea por paletas o turbina (90 a 120 rpm Y 1HP de potencia), lo que conlleva gasto de energía; por su parte un biorreactor neumático consiste básicamente en un tubo con perforaciones por las que ingresa aire, generalmente ubicado en el fondo del tanque, no demanda exceso en el gasto de energía.

Ambos biorreactores, tanto mecánicos como neumáticos pueden presentar circulación (interna y externa), así como también pueden ser sin circulación.

Los biorreactores mecánicos son utilizados en fermentación, tienen alta eficiencia en líquidos viscosos. Como la producción de biomasa, entre otros; los biorreactores neumáticos son útiles para procesos microbiológicos que no requieren una transferencia de oxígeno importante: fermentaciones con hongos, cultivo de células animales y vegetales, enzimas inmovilizadas y biocatálisis celular, cultivos de microalgas.