Biorreactor

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Biorreactor

Biorreactor

Biorreactor a escala de laboratorio conteniendo células animales.

Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biol√≥gicamente activo. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso qu√≠mico que involucra organismos o sustancias bioqu√≠micamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aer√≥bico o anaer√≥bico. Estos biorreactores son com√ļnmente cil√≠ndricos, variando en tama√Īo desde algunos mililitros hasta metros c√ļbicos y son usualmente fabricados de acero inoxidable.

Un biorreactor puede ser también un dispositivo o sistema empleado para crecer células o tejidos en operaciones de cultivo celular. Estos dispositivos se encuentran en desarrollo para su uso en ingeniería de tejidos.

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:

  1. Lote (Batch)
  2. Lote alimentado (Fed-Batch)
  3. Continuo o quimiostato

Contenido

Dise√Īo de Biorreactores

El dise√Īo de biorreactores es una tarea de ingenier√≠a bastante compleja. Los microorganismos o c√©lulas son capaces de realizar su funci√≥n deseada con gran eficiencia bajo condiciones √≥ptimas. Las condiciones ambientales de un biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo, ox√≠geno, nitr√≥geno, di√≥xido de carbono, etc.), temperatura, pH, ox√≠geno disuelto y velocidad de agitaci√≥n o circulaci√≥n, deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas.

La mayoría de los fabricantes industriales de biorreactores usan recipientes, sensores, controladores y un sistema de control interconectados para su funcionamiento en el sistema de biorreacción (ver PLC).

La misma propagación celular (fenómeno conocido en inglés como Fouling) puede afectar la esterilidad y eficiencia del biorreactor, especialmente en los intercambiadores de calor. Para evitar esto, el biorreactor debe ser fácilmente limpiable y con acabados lo más sanitario posible (de ahí sus formas redondeadas).

Se requiere de un intercambiador de calor para mantener el bioproceso a temperatura constante. La fermentación biológica es una fuente importante de calor, por lo que en la mayor parte de los casos, los biorreactores requieren de agua de enfriamiento. Pueden ser refrigerados con una chaqueta externa o, para recipientes sumamente grandes, con serpentines internos.

En un proceso aerobio, la transferencia √≥ptima de ox√≠geno es tal vez la tarea m√°s dif√≠cil de lograr. El ox√≠geno se disuelve poco en agua (y a√ļn menos en caldos fermentados) y es relativamente escaso en el aire (20,8 %). La transferencia de ox√≠geno usualmente se facilita por la agitaci√≥n, que se requiere tambi√©n para mezclar los nutrientes y mantener la fermentaci√≥n homog√©nea. Sin embargo, existen l√≠mites para la velocidad de agitaci√≥n, debidos tanto al alto consumo de energ√≠a (que es proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al da√Īo ocasionado a los organismos debido a un esfuerzo de corte excesivo.

Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la fuerza de agitación. También son fáciles de mantener ya que requieren sólo soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.

En los biorreactores utilizados para crecer c√©lulas o tejidos, el dise√Īo es significativamente distinto al de los biorreactores industriales. Muchas c√©lulas y tejidos, especialmente de mam√≠fero, requieren una superficie u otro soporte estructural para poder crecer y los ambientes agitados son com√ļnmente da√Īinos para estos tipos de c√©lulas y tejidos. Los organismos superiores tambi√©n requieren medios de cultivo m√°s complejos.

Introducción

El dise√Īo en bioingenier√≠a no es solo la aplicaci√≥n de conceptos b√°sicos y te√≥ricos que conlleven a lograr un prototipo; para la realizaci√≥n integra de un modelo, otra gran parte, trata de la adaptaci√≥n creativa y de la utilizaci√≥n del ingenio propio para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biol√≥gico de un cultivo vivo con el ambiente artificial de un dispositivo controlado; este es el resultado denominado biorreactor o reactor biol√≥gico. Un biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnol√≥gico que debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la producci√≥n y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biol√≥gica. Externamente el biorreactor es la frontera de protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no controlado. El biorreactor debe por tanto suministrar los controles necesarios para que la operaci√≥n o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con econom√≠a, alto rendimiento (productividad) y en el menor tiempo posible; esa es la parte tecnol√≥gica.

Cultivos y Fermentaciones

Lo primero que hay que entender en el dise√Īo de reactores biol√≥gicos es que contrario a los qu√≠micos, su cin√©tica no esta determinada exclusivamente por la velocidad de reacci√≥n y las variables que la determinan. Aunque se puede describir de manera similar a la qu√≠mica, la cin√©tica biol√≥gica tambi√©n depende de caracter√≠sticas intr√≠nsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y taza de divisi√≥n celular, as√≠ como, del tipo de operaci√≥n que se lleve a cabo. Por eso, lo primero que se define en el dise√Īo de un biorreactor es el prop√≥sito de utilizaci√≥n; es decir, que tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de cultivo. El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos:

  1. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
  2. Mantener constante y homogénea la temperatura.
  3. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
  4. Prevenir la sedimentación y la floculación.
  5. Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.
  6. Mantener el cultivo puro.
  7. Mantener un ambiente aséptico.
  8. Maximizar el rendimiento y la producción.
  9. Minimizar el gasto y los costos de producción.
  10. Reducir al m√°ximo el tiempo.

Una fermentación es un proceso biológico o bioproceso que consiste en la descomposición de la materia orgánica por microorganismos fermentadores (bacterias y hongos).

Un cultivo también es un bioproceso; pero generalmente se asocia a organismos o microorganismos superiores (en orden jerárquico) a las bacterias; los cultivos son casi todos del Reino Eucariota.

Clasificación de los Biorreactores

Clasificación Operativa

Tanto biorreactores como fermentadores se clasifican primeramente de acuerdo al modo de operaci√≥n: discontinuo, semicont√≠nuo, continuo. Esta es una clasificaci√≥n operativa y se aplica a cualquier reactor, sea qu√≠mico o biol√≥gico (biorreactor). En los reactores biol√≥gicos el modo de operaci√≥n define el sistema de cultivo que es el mismo y delimita la clasificaci√≥n procesal-productiva del bioproceso (cultivo). Al operar un biorreactor en una determinada categor√≠a (discont√≠nuo, semicont√≠nuo, cont√≠nuo), autom√°ticamente queda determinado el modo de cultivo del sistema y se definen los par√°metros y las caracter√≠sticas operativas y de dise√Īo que intervienen en el proceso productivo del sistema.

Clasificación Biológica

Los sistemas biol√≥gicos deben interaccionar con el ambiente externo para poder crecer y desarrollarse; es por eso que los biorreactores se clasifican biol√≥gicamente de acuerdo al metabolismo procesal del sistema de cultivo: anaer√≥bico, facultativo, aer√≥bico. Los bioprocesos de cultivo y las fermentaciones est√°n basados en el metabolismo celular del cultivo. El metabolismo define los par√°metros y caracter√≠sticas operativas-biol√≥gicas de dise√Īo y de operaci√≥n del biorreactor. Estas caracter√≠sticas son las que intervienen en la parte biol√≥gica del sistema y tienen que ver con el crecimiento, productividad y rendimiento del cultivo; por lo que, definen la clasificaci√≥n biol√≥gica-procesal del sistema de cultivo.

Clasificación Biológica-Operativa

Ambas clasificaciones; la biol√≥gica y la operativa, son procesalmente interdependientes y en su conjunto afectan el dise√Īo final del biorreactor. Al conjuntarse ambas clasificaciones, se conjuntan tambi√©n la funci√≥n operativa y la biol√≥gica para establecer entre ambas un prop√≥sito de utilizaci√≥n, el modo de cultivo y el bioproceso. Siendo el prop√≥sito de utilizaci√≥n, el destino de cultivo del biorreactor; para qu√© tipo de cultivo va a ser utilizado el biorreactor; el modo de cultivo es sin√≥nimo de sistema de cultivo y el bioproceso es en s√≠, todo el proceso.

Biorreactores y tipos de cultivo

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 mayor√≠a, son microorganismos de metabolismo degradativo (catab√≥lico); generalmente unicelulares, estos microorganismos son aut√≥nomos y nutricionalmente independientes (aut√≥trofos); sus c√©lulas (cuerpos) no respiran (no utilizan la gluc√≥lisis para la respiraci√≥n celular), en cambio, utilizan v√≠as alternas, donde una mol√©cula org√°nica, producida durante el proceso metab√≥lico (catabolismo), es utilizada como aceptor de electrones, en un proceso bioqu√≠mico conocido como respiraci√≥n oxidativa; esta mol√©cula es reducida a producto org√°nico en un proceso com√ļnmente denominado fermentaci√≥n.

Células y microorganismos facultativos

Son ambivalentes, tienen la capacidad de vivir o sobrevivir entre ambientes: aeróbico (presencia de oxígeno) y anaeróbico (ausencia de oxígeno); son microorganismos de metabolismo mixto por lo que, pueden tanto degradar (catabolismo) como construir (anabolismo) materia orgánica, 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 mayor√≠a al Reino Eucariota ‚Äď pero tambi√©n los hay procariota ‚Äď son microorganismos y c√©lulas que respiran (utilizan la gluc√≥lisis como forma de respiraci√≥n celular); por lo que su metabolismo es constructivo (anab√≥lico) y deben obtener sus nutrientes de diferentes fuentes. Sus principales grupos est√°n representados por: bacterias y microorganismos aer√≥bicos, plantas y animales; cuyas c√©lulas se puedan cultivar en suspensiones celulares o bien, en diferentes arreglos artificiales o modificadas.

A continuación algunos de los posibles sistemas de cultivo que se pueden realizar y el tipo de biorreactor asociado a cada uno:

Cultivos Microbianos Anaeróbicos - Fermentador Bacterial (CO2)

Los microorganismos de metabolismo anaeróbico son los más simples de todos, tan solo necesitan de un medio de cultivo adecuado, agitación vigorosa y cierta cantidad de CO2 (dióxido de carbono) disuelto (COD) para crecer y multiplicarse.

Cultivos Microbianos Facultativos ‚Äď Fermentador Bacterial

Los microorganismos facultativos toleran la presencia oxígeno en bajas concentraciones y además de un sustrato adecuado, sólo requieren agitación moderada y un medio de cultivo para crecer y desarrollarse.

Cultivos Microbianos Aer√≥bicos ‚Äď Fermentador Bacterial (O2)

Los microorganismos aeróbicos necesariamente requieren la presencia de oxígeno (aire) disuelto (OD) para sobrevivir; además, agitación moderada y un medio de cultivo rico en nutrientes para poder crecer y desarrollarse.

Cultivos Celulares Aer√≥bicos y Facultativos ‚Äď Fermentador Mic√≥tico (CO2)

Los cultivos celulares se diferencian de los bacteriales (microbios) en que no son microorganismos procariota, son eucariota. Son microorganismos aeróbicos o facultativos pertenecientes al Reino Fungi (hongos y levaduras), generalmente llamados micóticos, requieren de la presencia de CO2 disuelto en el medio como sustrato limitante de la velocidad de reacción y generan estructuras reproductivas muy particulares.

Cultivos Celulares Aer√≥bicos Estrictos ‚Äď Fermentador con Aireaci√≥n (O2)

El cultivo de microorganismos celulares (no bacteriales) aeróbicos estrictos requiere la presencia de oxígeno disuelto en el medio de cultivo para el metabolismo celular; así como una adecuada agitación.

C√©lulas Vegetales en Suspensi√≥n ‚Äď biorreactor de Levantamiento por Aire (O2) en R√©gimen Turbulento (Re‚Č•3000)

Las c√©lulas vegetales pueden ser cultivadas en suspensiones celulares: peque√Īos agregados celulares que se suspenden en el medio de cultivo mediante agitaci√≥n. Dado que las c√©lulas vegetales respiran, el dise√Īo del biorreactor debe incorporar una l√≠nea de aireaci√≥n (aire) para suministrar ox√≠geno disuelto (OD) al medio de cultivo. El dise√Īo debe contar con agitaci√≥n vigorosa, pues los agregados celulares vegetales tienden a agruparse (clusters) y de alcanzar gran tama√Īo y peso, precipitar√≠an. Por eso, la operaci√≥n de este tipo de biorreactores debe ser en r√©gimen turbulento (Re‚Č•3000). Los biorreactores para c√©lulas vegetales en suspensi√≥n generalmente son dise√Īados con un mecanismo de levantamiento por aire ‚Äúair lift‚ÄĚ que combina una agitaci√≥n vigorosa (turbulenta) con una adecuada aireaci√≥n (ox√≠geno disuelto) del medio de cultivo.

Protoplastos Vegetales - biorreactor de Levantamiento por Aire (O2) en R√©gimen Laminar (Re‚ȧ2300)

Los protoplastos son c√©lulas vegetales desprovistas de su pared celular, esto se logra utilizando enzimas proteol√≠ticas (proteasas y lipasas) que degradan la pared celular. Actualmente, el cultivo de protoplastos no es muy acostumbrado, pero de realizarse, requiere de una cama de aire (burbujas muy finas) que opere en r√©gimen laminar (Re‚ȧ2300), para evitar los esfuerzos cortantes (esquileo) e hidrodin√°micos (agitaci√≥n) generados en el medio de cultivo da√Īen (lisis celular) las c√©lulas en suspensi√≥n (tama√Īo de Kolmogorov de los Eddies). Tambi√©n es indispensable que el medio de cultivo contenga las proteasas y lipasas necesarias para evitar la regeneraci√≥n de la pared celular.

C√©lulas Animales ‚Äď biorreactor de Lecho Fluidizado (O2)

Los cultivos de c√©lulas animales requieren de proximidad mutua y de un soporte s√≥lido (anclaje) para interactuar (comunicaci√≥n c√©lula-c√©lula) y poder metabolizar (producir); esto por cuanto, las c√©lulas animales, por lo general, no son independientes y deben estar unidas a un sistema (p.ej; hep√°tico) para funcionar adecuadamente. Para suministrar esa proximidad y el soporte necesario, los dise√Īos de biorreactores para c√©lulas animales deben aumentar la densidad celular (concentrar) de las c√©lulas en cultivo. Una forma de hacerlo es incorporar un lecho fluidizado formado por cantidad de microesferas acarreadores hechas de material cer√°mico poroso inerte que, por su tama√Īo (microm√©trico) forman una interfase con el medio de cultivo (fluido) que permite la transferencia de masa (nutrientes y OD), energ√≠a (calor) y momentun (agitaci√≥n) entre el medio de cultivo y las c√©lulas en cultivo; lo que es llamado lecho fluidizado. Los cultivos celulares animales, por la delicada naturaleza de las membranas plasm√°ticas requieren adem√°s de ox√≠geno disuelto (OD) en el medio de cultivo (tama√Īo de Kolmogorov de los Eddies) y de un r√©gimen de agitaci√≥n laminar (Re‚ȧ2300).

C√©lulas Inmovilizadas ‚Äď biorreactor de Fibra Hueca (O2)

La inmovilización celular es otra forma de lograr proximidad celular y aumentar la densidad celular y la concentración de metabolitos dentro de las células. La inmovilización es un método mucho más eficiente y logra rendimientos muy superiores a los del lecho fluidizado. Pero, los fenómenos de transferencia (masa, momentun y energía) se ven muy limitados por la inmovilidad. Esto es especialmente crítico en cultivos de células de mamífero por cuanto ya célula no recibe la nutrición adecuada.

Los reactores de fibra hueca son los dispositivos m√°s utilizados para inmovilizar y concentrar cultivos celulares animales. Su dise√Īo consiste en una bater√≠a de fibras hueca y porosa en su interior, colocadas en paralelo. Las c√©lulas se concentran y aumenta la densidad celular, en los intersticios de las fibras huecas. El medio de cultivo fluye en contrasentido desde el exterior del reactor o a trav√©s de una carcasa como si fuera un intercambiador de calor de doble tubo. Para solventar el problema de la escasa transferencia de masa (nutrientes y OD) dentro de la fibra hueca, un dise√Īo novedoso es el tambor rotativo en el cual, el tambor externo rota sobre la bater√≠a de fibras huecas, generando una circulaci√≥n constante de masa y de momentun, aumentando las tazas de transferencia.

Células empaquetadas - biorreactor de Lecho Empacado (O2)

El empaquetamiento celular es una forma menos drástica de inmovilización; pues ésta es parcial. También tiene el objetivo de aumentar la concentración y la densidad celular; pero al no estar enclaustradas las células, la transferencia de masa es mayor, aunque siempre limitada. Un lecho empacado es una matriz de soporte sólido que retiene las células, bien por geometría (dentro de los intersticios o espacios huecos de la matriz), bien por afinidad (paso o adherencia selectiva). Un biorreactor con este propósito debe contener un lecho de soporte sólido, sumergido en el medio de cultivo. La oxigenación generalmente se realiza en el exterior del lecho, a través del medio de cultivo.

Cultivos enzim√°ticos ‚Äď Reactores de Lecho Catal√≠tico

Los cultivos enzim√°ticos se comportan en algunos aspectos como cultivos celulares y en otros como reactivos qu√≠micos. Debido a que un sustrato enzim√°tico es un catal√≠tico de una reacci√≥n biol√≥gica, la cin√©tica de estos reactores puede simularse como la qu√≠mica, pero sin olvidar que el compuesto es biol√≥gico. Los sustratos enzim√°ticos deben estar anclados a un lecho semis√≥lido o a uno semifluido - seg√ļn sea el caso - dependiendo de la naturaleza enzim√°tica del sustrato; que por la naturaleza de la enzima se conocen como lechos catal√≠ticos. Muchas veces el medio de cultivo, adem√°s de la enzima, requiere, para un sustrato determinado, su respectivo precursor metab√≥lico llamado cofactor, m√°s alg√ļn componente especial que agilice el proceso metab√≥lico.

Modo de Operación y Sistemas de Cultivo

El modo de operaci√≥n de un sistema de cultivo, es sin√≥nimo del modo de operar del biorreactor o fermentador. √Čste no solo influye en el dise√Īo propio del reactor, tambi√©n, en el modelo cin√©tico de crecimiento del cultivo y en el proceso de producci√≥n. Existen tres modos de cultivo aunados a tres modos b√°sicos de operaci√≥n:

  • Discont√≠nuo(batch): por lotes o tandas, sin alimentaci√≥n (F); se coloca dentro del biorreactor la carga total de cada proceso (tanda o lote) de cultivo o fermentaci√≥n y se dejar que se lleve a cabo el proceso productivo o la fermentaci√≥n por el tiempo que sea necesario; el cu√°l se denomina tiempo de retenci√≥n.
  • Semicont√≠nuo (feed batch): por lotes alimentados, con alimentaci√≥n de entrada (F1); se alimenta una l√≠nea de entrada o alimentaci√≥n (F1) para que el sistema de cultivo tenga un producto (biomasa) con m√°ximo de crecimiento (exponencial) y aumente la productividad.
  • Cont√≠nuo (continuos): por quimioestato, se alimenta una l√≠nea de entrada F1 o alimentaci√≥n y se drena una l√≠nea de salida F2 o lavado; de manera que los flujos o caudales de ambas l√≠neas sean iguales y la producci√≥n sea cont√≠nua.

Balances y ecuaciones

La parte te√≥rica del dise√Īo consiste en modelar; es decir, ‚Äúponer‚ÄĚ en ecuaciones el proceso biol√≥gico (bioproceso) que se lleva a cabo, para que, a partir de esas ecuaciones, dimensionar (dar dimensiones) y simular el comportamiento te√≥rico de un modelo prototipo. Si la teor√≠a corresponde a la pr√°ctica, el comportamiento del modelo se acercar√° a la realidad; est√° en la habilidad del dise√Īador, que esto sea lo m√°s cercano posible. Antes de modelar en ecuaciones un dise√Īo es necesario ‚Äúsaber‚ÄĚ que ‚Äútama√Īo‚ÄĚ va a tener el modelo, de ‚Äúcuanto‚ÄĚ se dispone y cuanto vamos a ‚Äúrequerir‚ÄĚ para realizar un proyecto de ese tama√Īo. Eso es, hacer un balance para ‚Äúigualar‚ÄĚ todas las variables o par√°metros de las ecuaciones y ‚Äúllevar‚ÄĚ la contabilidad de nuestro proyecto.

Balance general

El primer balance que debe realizarse en cualquier sistema es el Balance General o Global; en el se toma en consideraci√≥n √ļnicamente ‚Äď el sistema ‚Äď como una caja negra ‚Äď el ambiente externo y ‚Äď los flujos ‚Äď que entran (F1) y salen (F2) e interaccionan con el ambiente externo. De esta forma el primer balance es:

Balance general biomasa

Velocidad de Acumulaci√≥n = Velocidad de Entrada ‚Äď Velocidad de Salida + Velocidad de Formaci√≥n ‚Äď Velocidad de Consumo

Balance General por componente

Una vez dado el balance general de biomasa, debe tomarse en cuenta que, en un sistema de cultivo, existen muchos componentes: substratos, productos, compuestos metab√≥licos que conforman el caldo de cultivo (medio interno); incluso la biomasa, se considera un componente en s√≠ misma. A partir del balance general, debe establecerse un balance general para cada componente ‚Äúi‚ÄĚ del cultivo o la biomasa.

De acuerdo al enunciado del balance general: la velocidad de acumulación del componente i es el flujo de entrada (F1) por la concentración inicial del componente i (Cio) [velocidad de entrada] menos el flujo de salida (F2) por la concentración del componente i (Ci) [velocidad de salida]; más la velocidad de formación del componente i [formación] menos la velocidad de consumo del componente i [consumo]:

d (VCi)/dt = F1Cio ‚Äď F2Ci + Vrfi - Vrci .Ec.1

Respecto a las velocidades de formación y consumo:

Si se trata de un componente metabólico, responden a la acumulación (formación) del componente dentro de la célula y al consumo del metabolito por parte de la célula (consumo).

Si se trata de biomasa, formación corresponde a la generación de biomasa y el consumo al consumo de biomasa durante el bioproceso; esto es, a la producción metabólica en el primer caso y a la producción o productividad en el segundo.

Nomenclatura

  • V = volumen del cultivo (m¬≥)
  • F1 = caudal de alimentaci√≥n (m¬≥/s)
  • F2 = caudal de salida (m¬≥/s)
  • Cio = concentraci√≥n del componente "i" en la alimentaci√≥n (kg/m¬≥)
  • Ci = concentraci√≥n del componente "i" en el lavado (kg/m¬≥)
  • rfi = velocidad de formaci√≥n del componente "i‚ÄĚ (kg/m¬≥s)
  • rci = velocidad de consumo del componente "i" (kg/m¬≥s).

Balance General por componente para cada modo de operación

La ecuación de balance general por componente Ec. 1, por ser general, se define para una operación contínua. La condición fundamental de toda operación contínua es:

En una operación contínua el flujo de entrada (F1) debe ser igual al flujo de salida (F2): F1 = F2

Esta condici√≥n se conoce como flujo en estado estacionario (FEE). Para modelar el comportamiento de la biomasa del cultivo en el estado estacionario (EE) adem√°s de la condici√≥n de flujo (FEE) debe haber equilibrio en la densidad o concentraci√≥n de √©sta. Esto se conoce como quimioest√°sis o equilibrio quimioest√°tico y es por eso que a los sistemas de cultivo cont√≠nuo se les llama quimioestatos. Est√° condici√≥n est√° dada por la ecuaci√≥n: dV/dt = F1 ‚Äď F2 Ec. 2. Bajo la condici√≥n de FEE y suponiendo que la densidad del cultivo y de la alimentaci√≥n son iguales (Ec.2, quimioest√°sis) la Ec.1 se reduce a: dCi/dt = F (Ci1 ‚Äď Ci) + V (rfi ‚Äď rci) Ec. 3. La ec.3 que se conoce como ecuaci√≥n de balance para una operaci√≥n cont√≠nua en estado estacionario.

De no existir el estado estacionario (EE) se producirían dentro del biorreactor dos condiciones de flujo indeseables:

Si F1 > F2 se produce el rebalse o desborde del biorreactor, condición que se da cuando el flujo de entrada sobrepasa la capacidad del reactor.

Si F2 > F1 se produce el lavado o drenado de producto o biomasa, condición que se da cuando el flujo de salida sobrepasa la capacidad del reactor.

Cuando el modo de operación es semicontínuo (feed batch) el caudal de salida F2 es nulo (F2 = 0) por lo que, el volumen V aumentará con el tiempo en función del caudal de entrada: dV/dt = F Ec.4. Y en el balance de materia se anula el término F2Ci resultando: d(VCi/dt) = FCio + V (rfi - rci) Ec.5.

Observe que el volumen que permanece dentro del operador diferencial es porque var√≠a con el tiempo (Ec.4), en tanto que el otro no lo hace (Ec.3). Esa es la raz√≥n por la que una operaci√≥n semicont√≠nua tiene duraci√≥n limitada en el tiempo (el volumen no puede incrementarse m√°s all√° del volumen de trabajo o volumen √ļtil del biorreactor). El tiempo que dura una operaci√≥n semicont√≠nua se conoce como tiempo de residencia (tr) y es el tiempo que dura el cultivo o bioproceso en un sistema semicont√≠nuo.

Cuando el modo de operaci√≥n es discont√≠nuo (batch) ambos caudales son nulos (F1 = F2 = 0) por lo que, el volumen es constante y se anulan los t√©rminos F1 Cio, F2 Ci en la Ec.1.Eso da como resultado: dCi/dt = rfi ‚Äď rci Ec.6.

La duraci√≥n de un cultivo discont√≠nuo (batch) es tambi√©n, limitada en el tiempo, pero se diferencia de la del cultivo semicont√≠nuo (feed batch) en que depende √ļnicamente de las condiciones iniciales del cultivo; esto por cuanto, no existe alimentaci√≥n (F1). Una vez cargado el biorreactor e inoculado el medio de cultivo, la concentraci√≥n de la biomasa aumenta gracias a los nutrientes, pero una vez que el sustrato que limita el crecimiento se haya agotado, el crecimiento ya no es posible y finaliza el cultivo. Por este motivo, el tiempo que dura el cultivo dentro de un biorreactor con un modo de operaci√≥n discont√≠nuo se llama tiempo de cultivo (tc).

Balances individuales

Los principales balances por componente en su forma individual son:

  • Balance de Biomasa: d (VX) / dt = FiXi + VrgX ‚Äď FoXo ‚Äď VrcX
  • rgX = ¬ĶX (velocidad de crecimiento celular)
  • rcX = kdX (velocidad de muerte celular)
  • Balance de Substrato: d (VS) / dt = FiSi ‚Äď FoSo ‚Äď VrcS
  • rcS = qSX / YX/S = ¬ĶX / YG + m X + qPX / YP
  • Balance de producto: d (VP) / dt = FiPi ‚Äď FoPo ‚Äď VrgP
  • rgP = qP X
  • Balance de Ox√≠geno: d (VCL) / dt = FiCLi ‚Äď FoCLo ‚Äď VrcO2 + VNiO2
  • Balance de Anh√≠drido Carb√≥nico: d(VCCO2) / dt = FiCCO2i ‚Äď FoCCO2o + VrgCO2 ‚Äď VNoCO2

Nomenclatura

  • V: Volumen del l√≠quido en el biorreactor, L
  • t: Tiempo, h
  • y: Concentraci√≥n del componente y en el l√≠quido dentro del biorreactor, g/L
  • X: Concentraci√≥n de biomasa en el l√≠quido dentro del biorreactor, g/L
  • S: Concentraci√≥n de substrato en el l√≠quido dentro del biorreactor, g/L
  • P: Concentraci√≥n de producto en el l√≠quido dentro del biorreactor, g/L
  • CL: Concentraci√≥n de ox√≠geno en el l√≠quido dentro del biorreactor, g/L
  • C*: Concentraci√≥n de ox√≠geno en el l√≠quido en equilibrio con el gas, g/L
  • CCO2: Concentraci√≥n de CO2 en el l√≠quido dentro del biorreactor, g/L
  • F: Velocidad de flujo de l√≠quido, L/h
  • Ni: Velocidad de transferencia de un componente del gas al l√≠quido, g/Lh
  • No: Velocidad de transferencia de un componente del l√≠quido al gas, g/Lh
  • rg: Velocidad de generaci√≥n, formaci√≥n o producci√≥n, g/Lh
  • rc: Velocidad de consumo o utilizaci√≥n, g/Lh
  • ¬Ķ: Velocidad espec√≠fica de crecimiento celular, h-1
  • qS: Velocidad espec√≠fica de consumo de substrato, g/gh
  • qP: Velocidad espec√≠fica de formaci√≥n de producto, g/gh
  • m: Velocidad espec√≠fica de consumo de substrato para mantenimiento celular, g/gh
  • Kd: Velocidad espec√≠fica de muerte o declinaci√≥n celular, h-1
  • YP: Coeficiente (estequiom√©trico) de rendimiento de producto basado en el consumo de substrato consumido para formaci√≥n de producto, g/g
  • YP/S: Coeficiente de rendimiento de producto basado en el consumo total de substrato, g/g
  • YG: Coeficiente de rendimiento de biomasa basado en el consumo de substrato para crecimiento, g/g
  • YX/S: Coeficiente de rendimiento de biomasa basado en el consumo total de substrato, g/g
  • kLa: Coeficiente volum√©trico de transferencia de ox√≠geno, h-1

Subíndices

  • i = Ingreso
  • o = Salida
  • S = Sustrato
  • P = Producto
  • O2 = Ox√≠geno
  • CO2 = Anh√≠drido carb√≥nico

Dise√Īo de un Quimioestato: Cultivo cont√≠nuo

Un quimioestáto un sistema de cultivo en contínuo; su operación esquemática es como la que muestra la figura. Una operación en contínuo 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);

Volumen de operación constante (volumen de líquido dentro del biorreactor: dV/dt = 0);

Parámetros constantes de transferencia (temperatura, pH, velocidad de transferencia de oxígeno, etc.)

La operación industrial de un quimioestáto se ilustra en la figura.

Para iniciar un cultivo continuo; el biorreactor o el fermentado debe cargarse previamente con el in√≥culo del cultivo y luego de que este crece lo suficiente, alimentar el sistema con medio fresco 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 fermentaci√≥n. El caudal de salida F contiene c√©lulas vivas (X), medio de cultivo con alg√ļn substrato (S) parcialmente agotado (So) y posiblemente alg√ļn producto (P). Al alimentar con medio fresco (So) el caudal de entrada (F1), la biomasa (Xo) y el producto (Po) ser√°n iguales a cero para las condiciones de entrada; por lo que, s√≥lo se deber√° considerar la concentraci√≥n de sustrato limitante del crecimiento (So) en la alimentaci√≥n.

Balances y Ecuaciones en el Estado Estacionario

Teniendo en cuenta estas consideraciones, los balances de materia para X, S y P en el estado estacionario (E.E) ser√°n:

Balance de Biomasa : VdX/dt = -FX + Vrx = ‚Äď(F/V)X + ¬ĶX = 0; rX = mX; E.E ¬Ľ dX/dt = 0. Por definici√≥n D = velocidad de diluci√≥n = F/V ¬Ľ ¬Ķ = D

Balance de Substrato : VdS/dt = F (So ‚Äď S) ‚Äď Vrs; rs = ¬ĶX / YX/S; E.E ¬Ľ dS/dt = 0. Por definici√≥n: SEE = KsD / ¬Ķm ‚Äď D ¬Ľ XEE = YX/S (S0 ‚Äď S)

Donde: D = velocidad de dilución; SEE = concentración del substrato limitante de la velocidad en estado estacionario; XEE = concentración de biomasa en estado estacionario.

Balance de Producto : VdP/dt = -FP + Vrp = PEE = qPX / D; rP = qPX; E.E ¬Ľ dP/dt = 0

Donde: PEE = concentración del producto en el estado estacionario.

Nota : cuando el substrato limitante de la velocidad de crecimiento (S) es tambi√©n la fuente de carbono: X = DY¬īX/S (So ‚Äď SEE) / (D + msY¬īX/S)

Modelo Cinético de Monod para el Cultivo Contínuo

El modelo de crecimiento que se aplica en los sistemas de cultivo cont√≠nuo es el modelo cin√©tico de Monod: D = ¬ĶmS / (KS + S) ¬Ľ S = KSD / (¬Ķm ‚Äď D) ¬Ľ X = YX/S [S0 ‚Äď KSD / (¬Ķm ‚Äď D)]

Velocidad Crítica de Dilución: existe un valor de dilución por encima del cual es X = 0; es decir, se produce lavado o arrastre de la biomasa por encima del valor de equilibrio que permite el estado estacionario y F2 > F1.

Este factor se conoce como diluci√≥n cr√≠tica (Dc); Dc = ¬ĶmSo / Ks + So

En condiciones normales de operaci√≥n cont√≠nua S0 >> KS ¬Ľ DC = ¬Ķm por lo que, un quimioest√°to debe trabajar a una fracci√≥n de ¬Ķm. En t√©rminos de crecimiento de la biomasa esto significa que el quimioest√°to impone una condici√≥n selectiva al crecimiento del cultivo o el microorganismo.

Formación de producto: PEE = rp/D = qPXEE/D

Determinaci√≥n de Par√°metros de Crecimiento: un cultivo continuo es sumamente √ļtil para determinar par√°metros de crecimiento.

1/D = 1/¬Ķm + Ks/¬Ķm * 1/SEE

Se grafica 1/D en funci√≥n de 1/S los puntos se ajustan a una recta cuya intersecci√≥n con el eje 1/D es el valor de 1/¬Ķm y cuya pendiente es Ks /¬Ķm.

D (So ‚Äď SEE) / XEE = D / Y¬īX/S + ms

La gr√°fica de D (So-S) / X en funci√≥n de D permite estimar 1/Y'x/s y ¬Ķs cuando el sustrato limitante de la velocidad de crecimiento es la fuente de carbono.

Ecuaci√≥n de Dise√Īo de un Reactor de Mezcla Perfecta

La ecuaci√≥n de dise√Īo nos da el tiempo de residencia (t) del cultivo dentro del biorreactor. Para poder utilizar la ecuaci√≥n de dise√Īo hay que modificar la definici√≥n de componente X y sustituirlo por conversi√≥n X del componente i. Por definici√≥n: Xi = Nio ‚Äď Ni / Nio Donde: N = moles del componente i. Despejando: Ni = Nio (1 - Xi) ¬Ľ dNi/dt = -Nio dXi/dt = riV Con lo que, la ecuaci√≥n de balance de biomasa para el estado estacionario se transforma en: -FXi + riV = VdXi/dt = 0 Reordenado: V/F = ‚ąÜXi / -ri = t = ecuaci√≥n de dise√Īo de un reactor de mezcla perfecta. Donde: t = tiempo de residencia del cultivo dentro del biorreactor; ‚ąÜXi = Xi2 ‚Äď Xi1 = dXi Otro termino com√ļnmente utilizado en el dise√Īo de reactores es el tiempo espacial (ŌĄ) el cual define el tiempo necesario para procesar o fermentar en el biorreactor, un volumen de alimentaci√≥n, medido en condiciones de entrada (presi√≥n y temperatura), igual al volumen de operaci√≥n del biorreactor (el que define el estado estacionario). El tiempo espacial se obtiene dividiendo el volumen de reactor (V) entre el caudal volum√©trico de entrada al biorreactor (Q): ŌĄ = V/Q Observe que al igual que t las unidades de ŌĄ son s-1.

Dise√Īo de un Biorreactor Semicont√≠nuo

Un cultivo semicontínuo posee una línea de entrada o alimentación (F1). Para iniciar un cultivo alimentado (feed 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.

Balances y Ecuaciones

Los balances de materia respectivos para X, S y P son:

  • Balance de Biomasa: d (VX)/dt = Vrx = V¬ĶX
  • Balance de Substrato: d (VS)/dt = FSo ‚Äď Vrs
  • Balance de Producto: d (VP)/dt = Vrp

Nota: en estos casos el volumen V permanece dentro del operador diferencial; esto se debe a que varía con el tiempo.

Casos

Si en la ecuaci√≥n de balance de substrato la velocidad rs se reemplaza por rx / Yx/s se tiene: d (VS)/dt = FSo ‚Äď 1/Yx/s. d (XV)/dt

Para controlar la velocidad de crecimiento (rx) mediante el caudal de alimentación (F) el substrato (S) debe ser cero en todo momento: S = 0 y por lo tanto: d (SV)/dt = 0. Esta condición equivale a que el sustrato sea consumido en su totalidad conforme ingresa al biorreactor; es por eso que se aplica la condición de alimentación fresca. Bajo estas condiciones, la ecuación de balance de biomasa se transforma en: d (VX)/dt = FSoYx/s y por integración: XV = XeVe + FSoYx/st Donde: Xe y Ve representan la concentración de biomasa y el volumen de cultivo al iniciar la alimentación.

La variación del volumen con el tiempo es: V = Ve + Ft

El criterio para dise√Īar una alimentaci√≥n adecuada se obtiene por la ecuaci√≥n: FSo = Ve¬ĶXe / Yx/s la ecuaci√≥n es v√°lida para cualquier rango de ¬Ķ, hasta ¬Ķm.

Como criterio adicional, sobre todo en procesos de fermentaci√≥n se suele seleccionar un valor de So tan alto como sea posible y lo contrario con F (uno relativamente peque√Īo); a fin de evitar el lavado del cultivo por diluci√≥n excesiva. No obstante esto ocasionar√≠a que la duraci√≥n del cultivo (tiempo de fermentaci√≥n) se prolongarse excesivamente. Para buscar el equilibrio se dise√Ī√≥ emp√≠ricamente una soluci√≥n de compromiso: ¬Ķ = 1 / VX. d (VX)/dt = Yx/sFSo / XeVe + Yx/sFSot

Ecuaci√≥n de Dise√Īo de un biorreactor Semicont√≠nuo Ideal

Un sistema de cultivo semicontínuo es un sistema transciende; es decir, hay un flujo temporal o transitorio que alimenta o drena (lava) el sistema. El balance general de masa que se aplica a un volumen de control (diferencial de volumen) para un componente i en un sistema de flujo semicontínuo es:

Entra - Sale - Desaparece = Acumula ‚Äē‚Äļ Fi - (Fi+dFi) - (-rxi) dV = 0

Operando se obtiene: - dFi = (-rxi) dV Por definici√≥n la conversi√≥n del componete i en reactores en flujo (semicont√≠nuo) es: Xi = Fio ‚Äď Fi / Fio por lo que, sustituyendo en la ecuaci√≥n de balance: FiodXi = -rxidV Integrando la expresi√≥n anterior: ‚ąę dV/Fio = ‚ąę dXi/-rxi donde los l√≠mites de integraci√≥n son: 0, V para el volumen y Xio, Xif para la conversi√≥n. Resolviendo la integral obtenemos: V/Fio = ‚ąę dXi/-rxi = t la ecuaci√≥n de dise√Īo para un biorreactor de flujo (semicont√≠nuo). La ecuaci√≥n es v√°lida tanto si existe o no variaci√≥n de caudal (flujo) del sistema. Cuando se requiere una expresi√≥n en funci√≥n de la concentraci√≥n, podemos utilizar la siguiente ecuaci√≥n: Fio = CioQi donde Cio es la concentraci√≥n del componente i en las condiciones de entrada y Qi es el caudal volum√©trico del componente i. Sustituyendo: V/Fio = V/QiCio = ŌĄ/Cio donde ŌĄ es el tiempo espacial del biorreactor. En forma integral: ŌĄ = Cio ‚ąę dXi/-rxi Para sistemas de densidad constante: ŌĄ = - ‚ąę dCi/-rxi

Nota: al comparar la ecuaci√≥n de dise√Īo de un biorreactor semicont√≠nuo ideal con la que se obtiene para uno discont√≠nuo ideal, se observa que la diferencia est√° la expresi√≥n que toma el tiempo: t o t. En un biorreactor discont√≠nuo, t representa el tiempo de cultivo tc y es igual a la duraci√≥n del bioproceso o la fermentaci√≥n; lo que equivale a decir, el tiempo necesario para que el substrato limitante de la velocidad se agote. En un biorreactor semicont√≠nuo (de flujo) el tiempo t corresponde al equivalente para que la conversi√≥n de salida alcance su m√°ximo valor posible; es decir, para que la generaci√≥n de biomasa o bien, del componente metab√≥lico X, alcancen su m√°ximo de crecimiento (¬Ķm) para un mismo componente i. Es por eso que en un biorreactor de flujo el tiempo t se llama tambi√©n tiempo de residencia tr; ya que, es el tiempo que el cultivo reside dentro del biorreactor; el cual es diferente (mayor) del tiempo de cultivo tc, puesto que a√ļn despu√©s de agotado el substrato limitante de la velocidad, el cultivo (c√©lulas o microorganismos) tiene la capacidad metab√≥lica de seguir sintetizando metabolitos X o generar m√°s biomasa (crecer); es por eso que le incorporan los adjetivos ‚Äúlimitante de la velocidad‚ÄĚ al substrato S.

Dise√Īo de un biorreactor discont√≠nuo

Una sistema de cultivo discontínuo 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 con el cultivo (células o microorganismos) y se deja crecer hasta obtener el producto (biomasa o metabolito).

Balances y ecuaciones

Dado que F1 = F2 = 0, las ecuaciones de balance son:

  • Balance de Biomasa: d (X)/dt = rx = ¬ĶX
  • Balance de Substrato: d (S)/dt = rs = ¬ĶX / Yx/s
  • Balance de Producto: d (P)/dt = rp

Casos

Generaci√≥n de Biomasa: cuando la operaci√≥n discont√≠nua tiene como objetivo la generaci√≥n de biomasa (c√©lulas o microorganismos); se parte del supuesto de que no se forma producto y que la relaci√≥n ¬Ķ-S puede ser representada por la ecuaci√≥n de Monod, con lo que las ecuaciones de balance de biomasa y balance de substrato limitante de la velocidad quedan:

  • Balance de biomasa: d (X)/dt = ¬Ķm (XS / Ks + S)
  • Balance de substrato: d (S)/dt = -¬Ķm / Yx/s (XS / Ks + S)

El sistema de ecuaciones posee soluci√≥n anal√≠tica, pero en √©sta, no aparece X en forma expl√≠cita, por lo que, resulta de poca utilidad. Afortunadamente, es posible analizar casos particulares, haciendo algunas suposiciones. En el caso de tomar en cuenta √ļnicamente la fase exponencial del crecimiento, cumple que: S ¬Ľ Ks y las ecuaciones se reducen a las originales, salvo que ¬Ķ es substituida por ¬Ķm:

  • Balance de biomasa: d (X)/dt = ¬ĶmX
  • Balance de substrato: d (S)/dt = ¬ĶmX / Yx/s

Dado que bajo tales condiciones el crecimiento ocurre al m√°ximo valor de posible, integrando la ecuaci√≥n de balance de biomasa con las condiciones: t = 0, X = Xo se obtiene una expresi√≥n para la concentraci√≥n de biomasa en funci√≥n del tiempo: X = Xo eňܬĶmt o bien: lnX = lnXo + ¬Ķmt La ecuaci√≥n establece que para S ¬Ľ Ks, el crecimiento es exponencial y permite calcular el valor de ¬Ķm graficando el valor del logaritmo de X (ln X) en funci√≥n del tiempo (t). En forma similar, la concentraci√≥n de substrato limitante de la velocidad en funci√≥n del tiempo es: S = So ‚Äď [(Xo / Yx/s) (eňܬĶmt - 1)] Conforme el substrato se agota, S disminuye y la condici√≥n de S se hace comparable a Ks con lo que dX/dt comienza a disminuir (fase de desaceleraci√≥n), hasta hacerse finalmente nula (S = 0); en este punto, se alcanza la m√°xima concentraci√≥n de biomasa y finaliza el cultivo, pues se ha alcanzado la fase estacionaria.

La concentraci√≥n final de biomasa (Xf) se puede calcular si se conoce Yx/s: Yx/s = - (Xf ‚Äď Xo) / (Sf ‚Äď So) Dado que Sf = 0, Xf = Xo + Yx/sSo Lo usual es utilizar estas ecuaciones para calcular Yx/s.

En la figura se ilustran las distintas fases de crecimiento descriptas, que surgen de la ecuaci√≥n de Monod. Note que antes de la fase exponencial existe una fase de retardo durante la cual, la concentraci√≥n de biomasa no se modifica substancialmente pero, ocurren cambios en la composici√≥n macromolecular y en el "estado fisiol√≥gico" de las c√©lulas del cultivo. Si por alg√ļn motivo debe tomarse en cuenta esta fase, se debe aplicar una correcci√≥n a la ecuaci√≥n la concentraci√≥n de biomasa en funci√≥n del tiempo: lnX = lnXo + ¬Ķm (t ‚Äď tr) donde tr es el tiempo de retardo; es decir, la modificaci√≥n consiste en restarle al tiempo real, el tiempo transcurrido hasta que comienza el crecimiento exponencial. Normalmente, la fase de retardo no es deseable, tanto por la p√©rdida econ√≥mica como por el tiempo desperdiciado; para minimizarla se hace crecer el in√≥culo aparte, en un medio de cultivo igual al que se va a emplear en el bioproceso (cultivo o fermentaci√≥n) y luego se procede a transferirlo cuando las c√©lulas ya se encuentran en la fase exponencial. La √ļltima fase es la decaimiento o muerte y consiste en la disminuci√≥n de la concentraci√≥n celular de la biomasa por lisis o muerte celular.

Ecuaci√≥n de Dise√Īo de un Biorreactor Discontinuo Ideal

Un sistema de cultivo discont√≠nuo es un sistema discreto en cuanto al movimiento de biomasa, ya no hay flujos. Como condiciones de idealizaci√≥n en un biorreactor discontinuo ideal se supone que el cultivo y su medio est√°n perfectamente agitados y que los par√°metros de velocidad (r) son constantes en todo el volumen del sistema (volumen de control); es decir, que la mezcla es perfecta. La otra consideraci√≥n es que se trabaja con velocidades y componentes individuales (i), por lo que se utiliza la definici√≥n de conversi√≥n del componente i (Xi), en vez de biomasa; es decir, se trabaja el componente metab√≥lico, no la c√©lula. La ecuaci√≥n de balance del componente i es: d (Xi)/dt = rxi = ¬ĶXi Teniendo en cuenta la definici√≥n de conversi√≥n y diferenciando Ni respecto al tiempo: dNi/dt = -NiodXi/dt Sustituyendo en la ecuaci√≥n de balance: -NiodXi/dt = rxiV Separando en variables e integrando: ‚ąę (Nio/-rxiV) dXi = ‚ąę dt donde los l√≠mites de integraci√≥n son: Xio (conversi√≥n de entrada) y Xf (conversi√≥n final) para la conversi√≥n y to = 0 (tiempo inicial) y tf (tiempo total de reacci√≥n) para el tiempo de reacci√≥n. Integrando obtenemos: t = Nio ‚ąę dXi/-rxiV la ecuaci√≥n general de dise√Īo para un biorreactor discontinuo ideal.

Dise√Īo de un Biorreactor con Aireaci√≥n

Un biorreactor con aireación es por definición un reactor contínuo 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 oxígeno disuelto (OD).

Existen dos tipos o dise√Īos b√°sicos de biorreactores con aireaci√≥n; ambos, de uso muy difundido: el primero es tanque agitado con l√≠nea de aireaci√≥n y el segundo es el de levantamiento por aire o "air lift". De este √ļltimo existe tambi√©n, una variante que se utiliza para cultivos aer√≥bicos muy resistentes a esfuerzos cortantes e hidrodin√°micos y es la cama de burbujas o ‚Äúbubble bed‚ÄĚ.

Estructura de un Reactor Contínuo de Tanque Agitado Con Línea de Aireación

Un CSTR con l√≠nea de aireaci√≥n es utilizado, por lo general, como dispositivo fermentador para c√©lulas y cultivos aer√≥bicos; su esquema se representa en la figura. En √©l, la aireaci√≥n se da en r√©gimen laminar o de transici√≥n (Re‚ȧ3000) por cuanto estas fermentaciones son destinadas a cultivos de c√©lulas y microorganismos aer√≥bicos ‚Äúsensibles‚ÄĚ a esfuerzos cortantes e hidrodin√°micos altos. La agitaci√≥n ‚Äúextra‚ÄĚ requerida se realiza mec√°nicamente, por medio de: un eje transmisor de potencia provisto de aletas o turbinas de agitaci√≥n y accionado por un motor de corriente alterna con control de potencia y velocidad.

Adem√°s de esto, es indispensable que el sello mec√°nico del eje del motor sea herm√©tico y esterilizadle; que las l√≠neas de entrada y salida de aire sean est√©riles y que la difusi√≥n del aire dentro del biorreactor sea controlada en presi√≥n, flujo y concentraci√≥n. Para completar el esquema de dise√Īo: el aire se inyecta por la parte inferior del tanque y es difundido a trav√©s de toda la mezcla por una corona con peque√Īos orificios espaciados regularmente o una boquilla de difusi√≥n. La ‚Äúcama‚ÄĚ de aire debe ser un ‚Äúchorro‚ÄĚ de finas burbujas de aire de peque√Īo di√°metro, que salen de cada orificio de la corona o el difusor (boquilla) y y al ser "golpeadas" por las paletas de la turbina o el agitador, se distribuyen por todo el volumen, gener√°ndose miles de peque√Īas burbujas de aire que, difunden el 02 disuelto hacia el seno del l√≠quido. El sistema de agitaci√≥n se completa con cuatro o seis deflectores o ‚Äúbaffles‚ÄĚ que rompen el movimiento circular que imprimen las paletas de la turbina o el agitador al l√≠quido y generan mayor turbulencia y mejor mezclado; pero sin da√Īar el tejido o la pared celular de las c√©lulas y microorganismos (tama√Īo de Kolmogorov de los Eddies). 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 estr√©s t√©rmico.

Estructura de un biorreactor de Levantamiento por Aire

Cuando el volumen es muy grande (mayor que 1000 l) o se requiere de un mayor volumen de aireación, el sistema CSTR, ya no es eficiente y se requiere del levantamiento por aire. Debido a que, a mayor volumen 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 serpentín en contra flujo o con circulación adyacente a la pared interior del tanque. Ver esquema representado en la figura.

Al igual que en el dise√Īo de tanque agitado, el aire que ingresa al biorreactor debe ser est√©ril; esto se consigue, haci√©ndolo pasar por un filtro microporo de di√°metro de poro inferior a los 0,45 micrones (0,2 ¬Ķm ‚Äď 0,1 ¬Ķm) que impida el paso de microorganismos contaminantes. En los biorreactores de levantamiento por aire o "air lift" la cama de aire tambi√©n funciona como medio de agitaci√≥n; de modo que, se genere una circulaci√≥n fluida de l√≠quido con aire (burbujas) que asciende el compartimiento interno y luego desciende por el compartimiento externo, favoreciendo el mezclado perfecto.

Transferencia de 02 y Balance de Oxígeno

La velocidad de transferencia de 02 (r02) desde el seno de la fase gaseosa (burbujas) hasta la fase l√≠quida (medio l√≠quido) est√° determinada por la siguiente ecuaci√≥n: rO2 = Kla (C*- C) donde KLa es el coeficiente volum√©trico de transferencia de ox√≠geno; C la concentraci√≥n de 02 disuelto en el seno del l√≠quido y C* la concentraci√≥n de O2 disuelto en equilibrio con la presi√≥n parcial de ox√≠geno de la fase gaseosa. El KLa y por lo tanto el grado de transferencia de ox√≠geno desde el seno del l√≠quido hasta las c√©lulas o microorganismos en cultivo, dependen del dise√Īo del biorreactor y de las condiciones de operaci√≥n del sistema de cultivo: caudal de aire, volumen del l√≠quido, r√©gimen de agitaci√≥n, √°rea de transferencia y viscosidad del cultivo. En general, disminuyen el KLa: la viscosidad y el volumen del l√≠quido y aumentan el KLa: el √°rea de transferencia, la agitaci√≥n y la presencia de dispositivos que aumenten una, la otra, o ambas.

La ecuaci√≥n de balance de ox√≠geno en el estado estacionario es: d(VCO2) / dt = F (C ‚Äď C*) ‚Äď VrO2 + VNiO2 donde Ni es la velocidad de transferencia de un componente del gas (ox√≠geno) al l√≠quido (medio). Dado que el ox√≠geno es el substrato limitante de la velocidad de crecimiento, cuando el cultivo se encuentra en crecimiento, el flujo de entrada ox√≠geno (FiO2) ser√° mayor al flujo de salida de ox√≠geno (FfO2) debido al consumo de ox√≠geno disuelto en el l√≠quido por parte de las c√©lulas o microorganismos en crecimiento y/o divisi√≥n celular. En este caso, la ecuaci√≥n de balance de ox√≠geno para c√©lulas o microorganismos en crecimiento es: d(VCO2) = FiO2C ‚Äď FfO2C* ‚Äď VrO2 + VNiO2 es decir, debe utilizarse la ecuaci√≥n general.

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 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.

Fuente de Aire: dado que el sistema de aireación, en su conjunto, depende de la correcta elección del dispositivo que suministrará la fuente de aire, se siguieren dos opciones:


  1. Compresor de Aire: su principal caracter√≠stica es que opera con: alta presi√≥n y bajo caudal de aire; por eso, cuando operan, es de manera continua o, cuando se requiere capacidad, debe haber un tanque de almacenamiento a alta presi√≥n como parte del sistema. Una segunda e importante caracter√≠stica es que produce un alto nivel de ruido ‚Čą 80dB y una tercera es que, si el compresor es de tipo pist√≥n debe lubricarse con aceite, por lo que, √©sta caracter√≠stica se incluye en el dise√Īo como: autolubricado (oiless) o no lubricado (oil lubricated). Existen dos tipos de dise√Īo constructivo para compresores de aire:

a) El compresor de diafragma: esta dise√Īado para un trabajo de operaci√≥n cont√≠nua; su presi√≥n operaci√≥n es moderada ‚Čą 60 psia y como su nombre lo indica, utiliza un diafragma o fuelle para impulsar y comprimir el aire. El compresor de diafragma resulta adecuado para oxigenar vol√ļmenes medianos de cultivos o microorganismos aer√≥bicos.

b) El compresor de pist√≥n: es m√°s utilizado comercialmente, no obstante, para cultivos celulares sensibles (c√©lulas de membrana plasm√°tica), no es recomendable, por cuanto, su presi√≥n de operaci√≥n es muy alta (80 psia o m√°s) para estos cultivos y puede causar da√Īo celular severo o la lisis de las c√©lulas; y porque, el pist√≥n debe lubricarse con aceite y esto ocasiona que se filtre en peque√Īas cantidades a la corriente de aire.

  1. Soplador Regenerativo: se caracteriza por funcionar como si fuera una bomba centr√≠fuga de succi√≥n y desplazamiento de aire por lo que, opera con presi√≥n negativa (vac√≠o) en la succi√≥n y presi√≥n positiva (compresi√≥n) en el desplazamiento. Aunque su rango de acci√≥n es peque√Īo: ¬Ī 20‚ÄĚH2O a ¬Ī 40‚ÄĚH2O en cuanto a las presiones de operaci√≥n, su capacidad de desplazamiento de aire es muy alta 30 cfm - 50 cfm o 1000 L/min - 1500 L/min por lo que, puede movilizar grandes vol√ļmenes de aire.

Tubería - Línea de Aire: esta debe ser de acero inoxidable.

Filtros de las L√≠neas de Aire: para sistemas peque√Īos de di√°metros de tuber√≠a est√°ndar, se utilizan filtros en l√≠nea con la tuber√≠a; estos son de membrana microporo que filtran el 99,99% de los contaminantes. Para sistemas mayores (industriales) debe dise√Īarse un m√©todo de esterilizar in situ la l√≠nea de aire; generalmente se hace calentando fuertemente la l√≠nea de aire y luego enfriarla. Las membranas microporo que filtran el aire tienen un punto de burbuja que es la presi√≥n de agua m√°xima que pueden soportan antes de romperse (recuerde que el sistema tiene un medio l√≠quido) y un flujo m√°ximo el cual es el m√°ximo caudal que puede soportar la membrana antes de su ruptura.

Sistema de Difusión de Oxígeno 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.

Difusor de Aire: los cultivos aer√≥bicos requieren que la corriente de aire est√©ril que se difunda en la forma de miles de peque√Īas burbujas, desde el difusor de aire, hacia el volumen del l√≠quido; esta acci√≥n se realiza mediante un plato o domo cil√≠ndrico de acero inoxidable finamente perforado. Alternativamente y si el sistema es peque√Īo o mediano en escala, se puede utilizar un difusor de material cer√°mico poroso el cual, tiene la ventaja de que, provee una cama m√°s fina de burbujas (de menor di√°metro) y mayor √°rea de transferencia (volumen de burbujas).

Control y Regulaci√≥n del Flujo de Aire: recuerde que las membranas que filtran el aire tienen un punto de burbuja y un flujo m√°ximo por encima del cual, se rompen; por eso, se debe regular el flujo de aire y controlar la presi√≥n en la l√≠nea de aire. La forma m√°s econ√≥mica de hacerlo es manualmente, con un man√≥metro para presi√≥n. Existe tambi√©n la versi√≥n digital, m√°s costosa, pero que, controla de forma autom√°tica el flujo de aire y la presi√≥n, seg√ļn se escoja.

Control y Medición del Oxígeno Disuelto (OD): 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 (parámetros):

a) Oxígeno 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.

b) Demanda 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; recuerde 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) por sus siglas en inglés; 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 de uso comercial.

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.

Nota: todas la im√°genes de los instrumentos y equipos fueron tomadas del Cat√°logo en Internet de Cole Parmer: www.coleparmer.com.

Dise√Īo de un Fermentador Semicont√≠nuo

Los cultivos anaeróbicos y facultativos están constituidos por células y microorganismos cuyo metabolismo ante la ausencia de oxígeno, utiliza vías metabólicas alternas para la oxidación de los compuestos que le sirven de nutrientes. En estas células y microorganismos, la respiración celular se sustituye por una ruta oxidativa alterna llamada fermentación en la que, el piruvato no produce CO2 como producto final de desecho; por el contrario, se consume CO2 y esta es incorporado, junto al piruvato, en la fermentación, cuyo producto final de desecho, le da nombre; por ejemplo: en la fermentación alcohólica el piruvato se oxida a acetaldehído y al final de la cadena oxidativa se produce etanol como producto final de desecho.

Un fermentador es un dispositivo de tipo tanque agitado en el que se realiza una fermentación controlada. Los fermentadores suelen operar en modo semicontínuo; por cuanto, debe alimentarse una línea de substrato limitante de la velocidad de crecimiento (S) para mantener el crecimiento celular o microbial durante la fermentación.

El catabolismo celular de las fermentaciones además del producto final, produce gran cantidad de subproductos de desecho y metabolitos secundarios que son excretados al medio de cultivo, por las células en cultivo, y esto genera gran cantidad de espuma en el caldo de fermentación. Las espumas modifican la acidez del medio de cultivo ya que, cambian el pH del medio de cultivo y por tanto, debe regularse y controlarse la acidez del medio adecuadamente. Adicionalmente, la turbidez y la cantidad de espuma, deben mantenerse en niveles adecuados para evitar pérdidas y el mal funcionamiento del biorreactor. Finalmente, la mayoría de los procesos fermentativos generan gran cantidad de calor debido a la naturaleza exergónica del catabolismo celular de estos microorganismos, por lo que, la temperatura también debe ser controlada.

En la mayor√≠a de los cultivos anaer√≥bicos el di√≥xido de carbono (CO2) es el substrato limitante de la velocidad de crecimiento por lo que, la cin√©tica del sistema de cultivo debe modificarse incorporando la ecuaci√≥n de balance de consumo de CO2: d(VCCO2)/dt = FiCCO2i ‚Äď FoCCO2o + VrgCO2 ‚Äď VNoCO2 Donde: CCO2 = concentraci√≥n de CO2 en el l√≠quido; rg = velocidad de generaci√≥n; No = velocidad de transferencia de un componente del l√≠quido al gas; i = ingreso; o = salida.

Control y Medición del CO2 Disuelto (COD): la curva de generación de CO2 se debe determinar experimentalmente para determinar la velocidad de consumo de sustrato limitante de la velocidad (rgCO2) del cultivo; para eso, es necesario mantener el crecimiento máximo del cultivo.

En la pr√°ctica la curva de consumo de CO2 se determina bas√°ndola en la concentraci√≥n de di√≥xido de carbono disuelto (COD) en el medio de cultivo; esta puede ser medida y controlada con un dispositivo comercial dise√Īado para ese prop√≥sito, un controlador COD y la sonda o probeta COD respectiva.

El suministro de CO2 se obtiene con un cilindro de CO2 recargable.

La regulación del flujo de CO2 se realiza manualmente con un regulador manual de flujo o manómetro; se debe hacer de forma que, se mantenga la concentración máxima de de dióxido de carbono disuelto, medida en el controlador COD, para que, la velocidad específica de consumo de sustrato para mantenimiento (m) se mantenga en todo momento.

El control de flujo de CO2 se realiza utilizando una v√°lvula solenoide electr√≥nica que el controlador COD dirige al recibir la se√Īal de la probeta COD y en base a su valor, comanda la apertura o clausura de una v√°lvula solenoide, mediante una se√Īal de paso (abrir o cerrar) que regula el flujo de CO2 proveniente del tanque de CO2 comprimido. Las v√°lvulas solenoides son servo mecanismos el√©ctricamente controlados y se escogen de acuerdo al material, al n√ļmero de v√≠as, al calibre y la presi√≥n y si permanecen abiertas o cerradas, entre otros.

La difusión del CO2 en el medio líquido se realiza utilizando una boquilla de difusión o un difusor de gases de material cerámico poroso.


Sistema de Control de Espuma

La presencia de oxigeno en el ambiente interno del biorreactor ocasiona que los productos de desecho del catabolismo celular de los microorganismos facultativos, sean oxidados, por lo que, las espumas se tornan densas y ‚Äújabonosas‚ÄĚ ocasionando serios problemas funcionales y contaminado el cultivo.

Un sistema de control de espuma (ver diagrama) consta de dos subsistemas sistemas que funcionan en conjunto:

  1. Subsistema Antiespuma formado por:
  • Controlador de antiespuma: comanda la bomba perist√°ltica que dispensa el antiespumante y recibe la se√Īal de medici√≥n del sensor de espuma
  • Probeta o sensor antiespuma: es el sensor que mide el nivel de espuma en el medio de cultivo; se especifica de acuerdo al tama√Īo del frasco dispensador de antiespumante
  • Frasco dispensador de antiespumante: debe contar con su propio sistema de filtraci√≥n y equiparaci√≥n de presi√≥n (externa e interna)
  1. Subsistema de Bombeo Perist√°ltico: formado por:
  • Mangueras flexibles;
  • Bomba perist√°ltica;
  • Frasco dispensador;

El frasco dispensador es factor com√ļn en ambos subsistemas.

La bomba perist√°ltica ‚Äúmaja‚ÄĚ la manguera flexible e impulsa el flujo del fluido antiespumante dentro del biorreactor.

La manguera flexible se escoge seg√ļn el material, el tipo de bomba y la longitud; se recomienda una de silic√≥n curado o Tygon y para un sistema de bombeo L/S (bomba sencilla de velocidad fija o variable).

Nota: la manguera flexible se conecta al sistema (biorreactor) mediante un tubo de adición de reactivo. Este debe ser de acero inoxidable y su diámetro (puerto) debe ser el diámetro interno de la manguera flexible.

Sistema de Control de Acidez (pH)

El sistema controla la acidez o pH del medio de cultivo; que es generada por los productos de desecho y el metabolismo propio del cultivo celular o microorganismos. Un sistema de control de acidez consta de:

Dos subsistemas mec√°nicos servo controlados

  1. Sistema Dispensador de √Ācido: que consta de:
  • Dispensador as√©ptico de √°cido (HCl);
  • Filtro microporo en l√≠nea;
  • Manguera flexible resistente al √°cido;
  • Bomba perist√°ltica;
  1. Sistema Dispensador de √Ālcali: que consta de:
  • Dispensador as√©ptico de √°lcali (NaOH);
  • Filtro microporo en l√≠nea;
  • Manguera flexible resistente al √°lcali;
  • Bomba perist√°ltica;

Nota: recuerde que las mangueras flexibles se deben conectar al sistema (biorreactor) mediante un tubo de adición de reactivo para cada una de ellas.

Un sistema de control formado por:

  • Controlador de pH: ordena y regula la acci√≥n del motor que controla a las bombas perist√°lticas que suministran el √°cido y el √°lcali.

Un sistema de medición: formado por:

  • Sensor de pH: sonda o probeta electroqu√≠mica que mide la acidez y ‚Äúdice‚ÄĚ al controlador de pH, la situaci√≥n del medio.
  • pH √ďptimo: toda c√©lula y microorganismo poseen un rango de acidez (pH) dentro del cual, es posible su crecimiento con normalidad; dentro de ese rango, existe un pH √≥ptimo en el cual el crecimiento es m√°ximo y muy bien definido.

Al crecer los microorganismos en ambientes naturales, su rango de pH se acerca a los valores del h√°bitat en que se desarrolla; el rango normal de acidez en que pueden sobrevivir la mayor√≠a de los microorganismos es 2,0 ‚Č• pH ‚ȧ 10,0. La mayor√≠a de los h√°bitats tienen valores de pH de 5,9 por lo que, los microorganismos que viven en esos h√°bitats tienen un pH √≥ptimo equivalente (5,9). Algunos rangos de pH √≥ptimo son: para levaduras entre 3,5 y 5,5; para bacterias entre 6,0 y 7,5; para mohos, seg√ļn la cepa, se extiende entre 3 y 7; para c√©lulas en cultivo entre 6,0 y 7,5. La forma exacta de la curva de acidez es muy variada y depende del metabolismo propio de cada microorganismo o c√©lula por lo que, no se ha formulado un modelo general y simple para representarla.

Sistema de Control de Temperatura

Mantiene estable y dentro de un rango óptimo requerido por el cultivo para su máximo crecimiento, la temperatura interna del sistema.

Un sistema de control de temperatura consta de:

Dos sistemas de intercambio térmico:

  • Intercambiador de Calor: dispositivo de intercambio t√©rmico que genera calor o absorbe el calor excedente. El intercambiador de calor de caso y tubos es el m√°s usado y se define por su √°rea de transferencia de calor; a mayor √°rea de transferencia de calor, mayor capacidad de absorber calor.
  • Serpent√≠n: medio f√≠sico por el cual el calor es absorbido o transmitido al fluido. El tubo del serpent√≠n debe ser de acero inoxidable 304 o 316 (preferiblemente) y se recomienda que sea delgado para una mejor transferencia de calor.

Un sistema de control:

  • Controlador de Temperatura: sistema que ordena y regula la acci√≥n del motor que controla las servo v√°lvulas que regulan el flujo de l√≠quido fr√≠o o caliente.

Un sistema de medición:

  • Sensor de temperatura: sonda (termocopla) que mide la temperatura.

Un servo control:

  • Servo Controlador de Temperatura: controla la temperatura a la que debe abrir o cerrar la v√°lvula solenoide.

Un sistema regulador de paso de flujo:

  • V√°lvula Solenoide: servo mecanismo actuador que regula el flujo (paso) de l√≠quido por la tuber√≠a o l√≠nea de paso (abre o cierra el flujo del l√≠quido)

Un sistema de conducción de fluido:

  • Tuber√≠as de Conducci√≥n de Agua: el agua es fluido t√©rmico por excelencia para la transferencia de calor por conducci√≥n a trav√©s de las paredes met√°licas de la tuber√≠a. √Čstas deben ser de acero inoxidable.

Nota: las tuberías deben anclarse al cuerpo del biorreactor mediante un puerto de entrada que es soporte hermético que la sujeta a la superficie plana.

Temperatura √ďptima: la temperatura es otro factor ambiental que influye y que afecta el crecimiento del cultivo microbiano y celular; poniendo el juego, la propia supervivencia de la c√©lula o microorganismo. La temperatura afecta a las c√©lulas y microorganismos cultivados de dos formas distintas:

  1. Conforme aumenta la temperatura, aumenta también la velocidad de las reacciones enzimáticas y el crecimiento se hace más rápido;
  1. Por encima de un máximo temperatura, se produce la desnaturalización de las proteínas celulares y la descomposición de los componentes celulares esenciales para mantener la vida, causando la muerte de las células o microorganismos en cultivo.

En este punto analizaremos √ļnicamente el primer √≠tem; m√°s adelante veremos el segundo. Para cada c√©lula y microorganismo existe una temperatura m√≠nima por debajo de la cual, no hay crecimiento; es decir se inhibe el crecimiento celular. Y una temperatura m√°xima por encima de la cu√°l, la c√©lula o microorganismo muere. Entre ese rango de temperaturas existe una temperatura √≥ptima para la cual, el crecimiento es el m√°s r√°pido posible. Estas tres temperaturas son caracter√≠sticas de cada c√©lula y microorganismo y pueden variar ligeramente con la composici√≥n del medio de cultivo.

Clasificación de los microorganismos de acuerdo a sus temperaturas

Tipo de microorganismo Temp. M√≠nima (¬įC) Temp. √ďptima (¬įC) Temp. M√°xima (¬įC)
Psicrófilo -5 +5 12 - 15 15 - 20
Psicrótrofo -5 +5 25 - 30 30 - 35
Mesófilo 5 - 15 30 - 45 35 - 47
Termófilo 40 - 45 55 - 75 60 - 90

Determinaci√≥n de la Temperatura √ďptima de Crecimiento: se realiza desde el punto de vista cin√©tico, aplicando la Ley de Arrhenius para el crecimiento y la muerte de c√©lulas o microorganismos: dln (k)/dt = Ea/RT2; dln (k) = -(Ea/R)*d(1/T) Donde: k = ÔĀ≠m√°x (para el crecimiento), k = ÔĀ§m√°x (para la muerte), T = temperatura absoluta, R = constante general de los gases ideales, Ea = energ√≠a de activaci√≥n del proceso: EC para el crecimiento, Em para la muerte; EC = 8 ‚Äď 12.000 cal/g-mol K (crecimiento), Em = 50 ‚Äď 100.000 cal/g-mol K (muerte). La realizaci√≥n de la curva de crecimiento EC en conjunto a la curva de muerte Em representada por su logaritmo ln (k) versus el inverso del tiempo 1/T conduce a la determinaci√≥n gr√°fica de la temperatura √≥ptima.

Dise√Īo de un Biorreactor de Tanque Agitado

Componentes de Dise√Īo de un Biorreactor de Tanque Agitado

Para lograr el cumplimiento de objetivos descritos, un biorreactor de tipo tanque agitado o CSTR (ver figura), debe contar con los siguientes componentes b√°sicos en su dise√Īo: [1]

  • Cuerpo del Biorreactor: recipiente o contenedor que alberga al cultivo o microorganismo. El contenedor es la frontera f√≠sica entre el ambiente externo contaminado y el ambiente interno controlado. Un tanque contenedor o cuerpo del biorreactor se debe construir en acero inoxidable austen√≠tico, por sus caracter√≠sticas qu√≠micas y f√≠sicas superiores; usualmente se prefiere los aceros de las series 316.
  • Dimensionamiento del Cuerpo del Biorreactor: el primer paso en el dise√Īo de cualquier biorreactor es dimensionar el ‚Äútama√Īo‚ÄĚ del tanque o del cuerpo del biorreactor; la pr√°ctica com√ļn es, hacerlo a trav√©s de variables adimensionales: variables que representan una raz√≥n entre dos par√°metros con las mismas dimensiones. De esta forma, es posible escalar; es decir cambiar de dimensi√≥n o tama√Īo, el biorreactor y adaptarlo a otra escala de proceso. Las principales relaciones adimensionales que se utilizan en tanques agitados son: la raz√≥n de la altura de trabajo (H) al di√°metro del tanque (Dt): 3 ‚ȧ H/Dt ‚Č• 1 en reactores tubulares (largos) esta relaci√≥n es de 4 - 6; la raz√≥n del di√°metro del tanque (Dt) al di√°metro de las hojas o aspas (Da): ¬Ĺ ‚ȧ Da/dt ‚Č• ¬ľ cuando el r√©gimen de agitaci√≥n es laminar y las revoluciones del motor menores a 150 rpm, la relaci√≥n aumenta ¬ĺ; la raz√≥n entre el di√°metro de la hoja (Da) y el di√°metro del espacio libre o hueco entre el rotor y el cuerpo de la hoja (Dd): 2 ‚ȧ Da/Dd ‚Č• 1 en turbinas axiales y hojas planas esta relaci√≥n aumenta de 2 ‚Äď 4; la raz√≥n entre el ancho de la hoja o aspa (L) y el espesor o grosor de esta (W): 4 ‚ȧ L/W ‚Č• 1 en turbinas axiales y hojas planas esta relaci√≥n se invierte ¬ľ ‚ȧ L/W ‚Č• 1/16. En la figura aparece como ‚Äúgap‚ÄĚ ‚Äď (G) es el espacio libre que se deja cuando se utilizan baffles o dispositivos amortiguadores de la turbulencia; normalmente el valor de G es: 1/12 ‚Äď 1/16 del valor de J donde J es el ancho del baffle o amortiguador; J por su parte se dise√Īa de acuerdo al di√°metro del tanque (Dt) pero valor de dise√Īo es el mismo que el del espacio libre: 1/12Dt ‚ȧ J ‚Č• 1/16Dt. (Hs), no aparece en la figura, es la altura de techo o espacio libre que se deja entre la superficie libre del l√≠quido (H) y el techo o tapa del biorreactor, para facilitar la operaci√≥n del sistema; el valor m√≠nimo de la luz (Hs) es 10% de la altura total del tanque (Ht) y el valor m√°ximo es 50% Ht que representa el valor m√≠nimo de volumen de operaci√≥n . Finalmente, C es la altura de piso del agitador ‚Äď altura desde el fondo del tanque hasta el punto m√°s bajo de las aspas u hojas; C se dispone en base a la altura de la columna de fluido (H), normalmente: ¬ľ ‚Č• C/H ‚ȧ ¬Ĺ.
  • Sistema de Agitaci√≥n: tiene la funci√≥n de generar la potencia necesaria para producir una mezcla perfecta para el sistema de cultivo y producir un r√©gimen de agitaci√≥n adecuado que, maximice la difusi√≥n de gases en el l√≠quido y minimice la producci√≥n de esfuerzos cortantes y la presi√≥n hidrodin√°mica local y global, para optimizar los fen√≥menos de transferencia de momentum, calor y masa.

Un sistema de agitación consta de cuatro partes mecánicas:

Motor Impulsor: suministra la potencia al eje de potencia; debe ser de corriente alterna (a.c), preferiblemente de inducci√≥n y su potencia debe calcularse para manejar el doble (200%) de la potencia te√≥rica requerida para agitar el fluido y el cultivo a Re‚Č•3000. Motor de Inducci√≥n (A.C): dado que un biorreactor debe operar de forma continua durante todo el proceso de cultivo; se requiere un motor capaz de resistir largos periodos de operaci√≥n continua y trabajo duro; por eso, el motor debe ser de inducci√≥n de corriente alterna (a.c) y debe ser acorazado, preferiblemente en acero inoxidable.

Eje trasmisor de la potencia: es una barra cil√≠ndrica de acero inoxidable 316L y por lo general se dise√Īa en di√°metros est√°ndar: ¬ĺ‚ÄĚ, ¬Ĺ‚ÄĚ, etc√©tera para mayor facilidad de ajuste a los est√°ndares de motores a.c. Su longitud depende de la profundidad del contenedor (tanque).

Acople del Eje Transmisor: ajusta y fija al motor, el eje transmisor de potencia. Existen dos tipos de acople:

Acople-adaptador de tipo taladro el puerto de entrada se acopla al eje del motor por fijación directa. El puerto de salida es un dispositivo que se adapta a varios diámetros de broca y sujeta o abraza firmemente el eje transmisor de potencia por presión y abrasión; similar al que utilizan los taladros mecánicos.

Acople-ajustador de tipo tornillo-rosca el puerto de entrada se ‚Äúenrosca‚ÄĚ o se fija firmemente al eje del motor. El puerto de salida es un dispositivo que ‚Äúabraza‚ÄĚ el eje transmisor de potencia por un mecanismo de tornillo-rosca.

En ambos casos, el diámetro del puerto de entrada del acople que es la unión de éste con el eje del motor debe ser de diámetro interno igual al diámetro externo del eje del motor y el diámetro del puerto de salida que es dispositivo sujetador del eje transmisor de potencia debe ser el mismo que el diámetro externo del respectivo eje.

Puerto de Entrada del Biorreactor: se denomina puerto a la superficie física sobre el cual se instala un dispositivo de entrada o salida al biorreactor, un anclaje o un aparato mecánico o de medición; el puerto es el medio por el cual, se ajusta o fija, tal dispositivo o artefacto a la pared o superficie del tanque o del biorreactor. Como se observa en la fotografía, el puerto de entrada es la tapa o cara superior del tanque biorreactor y en donde se anclan o sujetan todos los dispositivos y periféricos que se requieren para su operación. Cada dispositivo de anclaje o sujetador también un puerto menor cuyo diámetro externo es la superficie externa total y cuyo diámetro interno es el diámetro externo del dispositivo que sujeta. Algunos puertos tienen dos diámetros internos, cuando el dispositivo que sujetan tiene diámetro externo y diámetro interno; por ejemplo, los sensores o probetas medidores y el sello mecánico del eje del agitador.

Sello Mec√°nico: su funci√≥n es triple: evitar la contaminaci√≥n, mantener herm√©tico el sistema, servir de amortiguador de fricci√≥n. El sello mec√°nico tambi√©n debe permitir la esterilizaci√≥n in situ del biorreactor, mediante una l√≠nea de vapor sobrecalentado. Un sello mec√°nico, generalmente se dise√Īa en una de dos configuraciones:

Cartucho rígido: que permite el rodamiento del eje de potencia a través de soporte de cuerpo rígido que sella y aísla el paso de cualquier materia al interior del depósito.

Cartucho flexible: que permite el rodamiento del eje de potencia a través de un soporte fijo al exterior pero flexible en el interior y que también sella y aísla el paso de contaminantes al interior del depósito.

En ambos caso el sello mec√°nico se especifica de acuerdo al di√°metro eterno del eje transmisor de potencia; el cual es el di√°metro interno del puerto del sello mec√°nico. Dentro de lo posible se recomienda el uso de sellos flexibles ya que amortiguan mejor las vibraciones mec√°nicas del eje transmisor de potencia; la desventaja es que esa flexibilidad obliga a cambiarlos m√°s frecuente, pues el desgaste es mayor.

Eje Transmisor de Potencia: transmite la potencia del motor al impulsor, a trav√©s de, las hojas de agitaci√≥n. Existen ejes en los cuales ya vienen incorporadas hojas o aspas de agitaci√≥n, se dise√Īan para operar en uno de dos sistemas de flujo, seg√ļn sea, la orientaci√≥n espacial de las hojas o aletas:

Flujo axial: suministran mayor efectividad de mezclado (distribución) y reducen la potencia de mezclado requerida, al distribuir mejor la mezcla; sus hojas u aspas son planas.

Flujo radial: generan mayor potencia de mezclado (turbulencia) y pueden causar da√Īo celular; sus hojas o aspas son del tipo propela.

Impulsores: son los dispositivos que impulsan el fluido y el movimiento, mediante hojas o aspas unidas al eje transmisor de potencia; pueden ser del tipo mec√°nico (agitador) o hidr√°ulico (turbina).

Agitadores: es un impulsor formado por hojas o aspas de agitación conectadas al eje transmisor de potencia; pueden tener una distribución de flujo axial o radial.

Los propulsores de flujo radial pueden tener gran variedad de formas y dise√Īos; dentro de √©stos, las propelas son las que m√°s se utilizan.

Propelas: existen en tres dise√Īos b√°sicos que dependen de la orientaci√≥n espacial:

(a) ‚Äď Plano XY, (b) ‚Äď Plano ZX, (c) ‚Äď Plano ZY

Cada orientaci√≥n (plano) describe una superficie curva que es determinada por dos (2) de tres (3) √°ngulos de dise√Īo:

(a) Plano XY, determina el √°ngulo de inclinaci√≥n (őĪ), este var√≠a 15‚Äô ‚ȧ őĪ ‚ȧ 45‚Äô; (b) Plano ZX, determina el √°ngulo de torsi√≥n (ő≤), este var√≠a 16‚Äô ‚ȧ ő≤ ‚ȧ 32‚Äô; (c) Plano ZY, determina el √°ngulo de tensi√≥n (ő≥), este var√≠a 15‚Äô ‚ȧ ő≥ ‚ȧ 45‚Äô.

Como se observa en la figura:

(a) ‚Äď Propelas de superficie curva en el Plano XY est√°n determinadas por los √°ngulos őĪ, ő≤; (b) ‚Äď Propelas de superficie curva en el Plano ZX est√°n determinadas por los √°ngulos őĪ, ő≥; (c) ‚Äď Propelas de superficie curva en el Plano ZY est√°n determinadas por los √°ngulos ő≥, ő≤.

Por su gran potencia y la turbulencia que generan, las propelas no se recomiendan para cultivos de células sensibles; solo deben utilizarse para cultivos bacteriales o micóticos y a bajas velocidades de rotación.

Turbinas: es un impulsor de flujo axial el cual opera como una centrífuga que distribuye el flujo de líquido a través de hojas planas, a todo el volumen de fluido.

El impulso axial ha demostrado ser la forma m√°s eficiente de dise√Īo para reducir esfuerzos cortantes e hidrodin√°micos y disminuir la turbulencia y la potencia requerida para homogenizar el mezclado; objetivo que se persigue en una mezcla perfecta. Por eso se recomienda impulsores de flujo axial para cultivar c√©lulas sensibles o de membrana plasm√°tica. Dentro de √©stas, la turbina Rushton (b) es el impulsor de flujo axial m√°s recomendado y m√°s eficiente para generar una mezcla perfecta de alto perfil hidrodin√°mico, bajo en esfuerzos cortantes y alto en distribuci√≥n.

Y una de control:

Control de Velocidad del Motor: los motores de inducci√≥n de corriente alterna (a.c) tienen velocidades nominales de rotaci√≥n de 1800rpm o 3600rpm. Estas velocidades son muy altas para los sistemas biol√≥gicos causando la destrucci√≥n de las c√©lulas y microorganismos en cultivo. La velocidad de rotaci√≥n del motor debe entonces reducirse a un m√°ximo de 600rpm (revoluciones por minuto) para que no cause da√Īo celular. Usualmente se acopla a la salida de eje del rotor una caja de reducci√≥n de 1/3 o 1/6 para bajar la velocidad de rotaci√≥n a 600rpm. Adicionalmente se coloca un control de velocidad que puede ser anal√≥gico o digital al motor para un control m√°s fino y preciso de la velocidad de rotaci√≥n.

Agitación y Mezclado

Relaciones de Potencia y Mezclado: conforme el di√°metro de la hoja o aspa (Dd) aumenta, tambi√©n lo hace, la potencia (Pt) requerida para realizar el trabajo de mezclado; la potencia de mezclado (Pm) es mayor porque el torque (ŌĄ) se acrecienta, recuerde que el torque es la relaci√≥n entre la fuerza (F) y el brazo de palanca (r) y que, el brazo de palanca es el di√°metro del aspa u hoja cuyo momentum (mv) aumenta al aumentar la velocidad de rotaci√≥n (ŌČ). As√≠ entonces, cuando Dd es muy grande, debe disminuirse ŌČ para reducir Pt; pero esto ocasiona que Pm tambi√©n se contraiga; as√≠ como la turbulencia excesiva. Caso contrario ocurre cuando Dd es muy peque√Īo, debe aumentarse ŌČ para mejorar Pm y extender la turbulencia, ya que, en estos casos, es localizada (se acumula alrededor de las aspas y hojas). Este fen√≥meno local que se conoce como potencia fluida (Pf) provoca que el volumen de l√≠quido que es afectado por la turbulencia local (Rex) no sea suficiente para oxigenar los tejidos y c√©lulas en cultivo pues el Kla disminuye. Para que la Pf se transmita a todo el volumen de operaci√≥n del fluido, es necesario que, se alcance el estado estacionario (EE) en dicha operaci√≥n, y esto toma mucho tiempo lo que implica, un alto costo. La mejor forma de combinar positivamente estos efectos hidrodin√°micos que se contraponen; es decir: bajar Pm y aumentar Pf es optimizar Dd. A esto se le conoce como potencia √≥ptima de mezclado (Pe) y se logra de dos maneras:

  • Colocar varias hojas o paletas (2-3) en di√°metros (Dd) descendentes y distribuidas a alturas equidistantes a lo largo de la altura de la columna de fluido (H);
  • Colocar varias hojas o paletas (2-3) de igual di√°metro (Dd) a alturas equidistantes a lo largo de la altura de la columna de fluido (H).

La primera alternativa minimiza la potencia de mezclado requerida y maximiza la potencia fluida al aprovechar mejor el gradiente de mezcla. La segunda aumenta la potencia de mezclado y la potencia fluida pero también, la potencia requerida y desaprovecha el gradiente de mezcla y difusión.

Utilizaci√≥n de Bafles: son una mejora muy utilizada ya que pueden instalarse f√°cilmente en los sistemas de agitaci√≥n, disminuyen (deflectan) la turbulencia ocasionada por las hojas o aspas del impulsor, rompen (disgregan) los c√ļmulos celulares y micelios que se forman en los respectivos cultivos y mejoran la eficiencia de mezclado. La relaci√≥n √≥ptima del di√°metro del bafle (Db o J) al di√°metro de tanque (Dt) es: Db/Dt = 1/10‚Äď1/12. El n√ļmero indicado de bafles es 4 para sistemas moderadamente agitados y 6 para sistemas turbulentos.

Análisis de Fenómenos de Transporte

Sistemas de Intercambio Térmico

La transferencia de calor es un proceso el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere por una combinación de dos o más de estos tres procesos: convección, conducción o radiación. Uno de los mecanismos térmicos (proceso) suele predominar sobre los otros dos, también es posible que los tres procesos se den simultáneamente. La conducción es el proceso dominante en los intercambiadores de calor de casco y tubos y en el tubo serpentín. Aunque el mecanismo exacto de la conducción no se comprende, se sabe que se debe al movimiento (energía cinética) de los electrones libres que se mueven por la red cristalina del sólido y transportan energía cuando existe una diferencia (gradiente) de temperatura.

Ley de Fourier: J = KőīT/őīx Donde J = densidad de corriente de energ√≠a (J/m¬≤s); K = conductividad t√©rmica (constante caracter√≠stica del material). La velocidad de conducci√≥n de calor (J) a trav√©s de un cuerpo s√≥lido (medida por unidad de secci√≥n transversal) es proporcional directamente al negativo del gradiente de temperatura que existe en dicho cuerpo.

Tabla de Conductividades Térmicas y Propiedades de Metales[1]

Metal Densidad Calor espec√≠fico Conductividad t√©rmica őĪ
Aluminio 2700 880 209,3 8,81‚ÄĘ10-5
Acero 7800 460 45 1,25‚ÄĘ10-5
Cobre 8900 390 389,6 11,22‚ÄĘ10-5
Lat√≥n 8500 380 85,5 2,65‚ÄĘ10-5
Plata 10500 230 418,7 17,34‚ÄĘ10-5
Plomo 11300 130 34,6 2,35‚ÄĘ10-5

Las unidades de las magnitudes est√°n expresadas en el Sistema Internacional de Unidades de Medida.

Cálculo de Resistencias Térmicas

Para calcular la resistencia térmica es necesario transformar las ecuaciones que modelan los distintos mecanismos de transferencia de calor para que presenten la siguiente forma: (Ta - Tb) / Q-punto = expresión matemática = Rth La expresión de la resistencia térmica Rth es diferente en cada sistema y depende del mecanismo de transferencia:

Resistencia térmica en la conducción:

En estos casos se debe distinguir entre las diferentes geometrías que se presentan en cada elemento resistivo; las configuraciones geométricas más usuales: pared plana, pared cilíndrica y pared esférica.

  • Cilindro
  • Circuito el√©ctrico an√°logo para cilindro
  • Paredes conectadas en serie
  • Circuito el√©ctrico an√°logo para paredes compuestas conectadas en serie
  • Paredes compuestas conectadas en paralelo
  • Circuito el√©ctrico an√°logo para una pared compuesta conectada en paralelo

Intercambiadores de Calor

Un intercambiador de calor es un dispositivo dise√Īado para transferir calor por un mecanismo mixto de convecci√≥n entre la pel√≠cula de un l√≠quido procesado (medio cultivo) y la pared de un s√≥lido met√°lico, seguido de la conducci√≥n del calor transferido al √°rea transversal del s√≥lido met√°lico (tubo o placa) y nuevamente la transmisi√≥n de calor por convecci√≥n desde la pared del s√≥lido met√°lico a otro fluido procesado (agua).

Como se observa en las figuras existen diversas formas de dise√Īar un intercambiador de calor. Arriba: un serpent√≠n es un tubo met√°lico que se encarga del intercambio t√©rmico; el l√≠quido refrigerante recoge (absorbe) o transmite el calor. Abajo: una camisa o chaqueta es un dispositivo cerrado de intercambio t√©rmico; en tanto que, un regenerador de calor es un dispositivo abierto. En todos los casos el mecanismo mixto de intercambio t√©rmico es la convecci√≥n que conduce el calor entre s√≥lidos met√°licos est√°ticos y superficies fluidas m√≥viles.

Intercambiadores de Tubos:

  • Doble Tubo: es el tipo m√°s sencillo de intercambiador de calor; est√° formado por dos tubos met√°licos conc√©ntricos (paralelos) de di√°metros diferentes; el fluido que se debe calentar o enfriar entra y fluye por el tubo de menor di√°metro; el fluido t√©rmico que ejecuta la acci√≥n, fluye por el espacio anular entre los dos tubos; √©ste espacio es el √°rea de transferencia de calor.

Como se observa en la figura existen dos configuraciones para la dirección del flujo fluido:

a) Flujo paralelo: los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. b) Contraflujo: los fluidos entran por los extremos opuestos y también fluyen en sentidos opuestos.

En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frío puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente.

El caso límite ocurre cuando la temperatura de salida del fluido frío es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frío nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente.

  • Compactos: son intercambiadores de calor multitubulares y est√°n dise√Īados para alcanzar una gran √°rea superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. La raz√≥n entre el √°rea superficial de transferencia de calor y su volumen se denomina densidad de √°rea (b). Un intercambiador con b > 700 m2/m3 se clasifica como compacto.

Como se observa en la figura en los intercambiadores de calor compactos los dos fluidos fluyen en direcciones ortogonales entre s√≠ (90¬į) esta configuraci√≥n de flujo recibe el nombre de flujo cruzado y se clasifica en funci√≥n del mezclado:

a) Flujo cruzado mezclado: uno de los fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones; b) Flujo cruzado no mezclado: se disponen las placas para guiar el flujo de uno de los fluidos en dirección ortogonal al otro sin que se mezclen.

  • Casco y Tubos: es el tipo m√°s com√ļn de intercambiador para aplicaciones industriales; est√°n formados por gran cantidad de tubos met√°licos contenidos dentro en un casco o carcasa met√°lica. Los tubos se disponen con sus ejes paralelos al eje del casco; la transferencia de calor tiene lugar, a medida que el fluido que se desea calentar o enfriar, se mueve (fluye) por el interior de los tubos met√°licos; mientras que, el fluido t√©rmico se fluye por fuera de √©stos, dentro del √°rea de transferencia encerrada por el casco.

Como se observa en la figura los intercambiadores de casco y tubos se clasifican seg√ļn:

a) N√ļmero de pasos por el casco; b) N√ļmero de pasos por los tubos.

ENLACES EXTERNOS

Dise√Īo y Fabricaci√≥n de Biorreactores multiprop√≥sito y Sistemas de Control

Referencias

  1. ‚ÜĎ Koshkin N. I., Shirk√©vich M. G. (A√ĎO). ¬ęp√°gs 36, 74-75, 85-86¬Ľ, Manual de F√≠sica Elemental. ditorial Mir 1975. ISBN.
Obtenido de "Biorreactor"

Wikimedia foundation. 2010.

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