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ARQTema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación
Tema 5 Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación
Clasificación de los BiorreactoresBiorreactores con biocatalizadores en suspensión: Agitación Mecánica y Agitación NeumáticaBiorreactores con biocatalizadores inmovilizados: Enzimas y Células. Biorreactores especiales
Conocer los tipos de biorreactores y sus características.Saber las aplicaciones generales de los diferentes tipos de biorreactoresConocer las formas de operación en los biorreactores con los diferentes biocatalizadores.Determinar, una vez conocido el biocatalizador, las posibles configura-ciones de biorreactores para llevar a cabo una transformación determinada.Determinar el tipo de operación más adecuado a emplear en la transformación.
ContenidosObjetivos
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Características Generales
• Condiciones de operación suaves (Poco aporte energético)• Transformación isoterma (Resolución BM y BE no acoplado)• Productividad (actividad y estabilidad biocatalizador, rdto producto)
BIORREACTORRecipiente en el que se lleva a cabo una transformación en la
que interviene un biocatalizador
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Clasificación de Biorreactores
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Clasificación
Tipo de operaciónFasesForma
Tubos h >> Ø
Tanques h ≅ Ø
Otros
Homogéneos
Heterogéneos
Discontinuo
Semicontinuo
Continuo
Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodosBiorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores,
TIPOS de BIORREACTORES
Clasificación de Biorreactores
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Clasificación
Tipo de operaciónFasesForma
Tubos h >> Ø
Tanques h ≅ Ø
Otros
Homogéneos
Heterogéneos
Discontinuo
Semicontinuo
Continuo
Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodosBiorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores,
Biocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)
TIPOS de BIORREACTORES
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Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Tipo de agitación
Agitación mecánica: equipo mecánico
Agitación neumática: gas a presión
Distribución homogénea del catalizador: Agitación
Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
ARQTema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación
Tipo de agitación
Agitación mecánica: equipo mecánico
Agitación neumática: gas a presión
Distribución homogénea del catalizador: Agitación
Agitación mecánica: equipo mecánico
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Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Reactor tipo TANQUE AGITADOAgitación MecánicaCaracterísticas generales
• Tipo de Flujo (ideal): Flujo en Mezcla Perfecta• Relación h/Ø: 1• Versátiles: permite cambios, uso multipropósito• Los más empleados • Agitados mecánicamente (tipos de agitadores):
consumo relativamente elevado de potencia
• Otros elementos: bafles deflectores, rompe-espumas
• Aireados (células aerobias): Distribuidores de aire• Transferencia de calor: Serpentines, camisas
• Tipo de operación: Discontinua, Semicontinua, Continua
Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Tipo de agitación
Agitación mecánica: equipo mecánico
Agitación neumática: gas a presión
Distribución homogénea del catalizador: Agitación
Agitación neumática: gas a presión
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Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Reactores tipo COLUMNAAgitación NeumáticaCaracterísticas generales
Relación h/Ø: > 6/1, Reactores tubulares(COLUMNAS de BURBUJEO)
Agitados neumáticamente (gas a presión)Aireados: Distribuidores de aireTransferencia de calor: Serpentines,
Cambiador externoTipo de operación: Discontinua, ContinuaAccesorios: recirculación (AIR-LIFT)Células susceptibles daño
Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Columna de burbujeo Régimen de Flujo
Flujo HeterogéneoFlujo Homogéneo
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Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Columna de burbujeo
Características
Fase sólida (microorganismo) “disuelta” en fase líquidaCélulas susceptibles de daño celularMicroorganismos floculantes (Lecho fluidizado trifásico)Procesos: Producción cerveza, vinagre,
levadura panadería, SCP, aguas residualesCaracterísticas de diseño:
- distribuidores de gas parte inferior recipiente- Parte superior con mayor diámetro (arrastres): ↓vS
Control por velocidad de transporte de oxígeno→Sistemas bifásicos(control película líquida)
Diseño: f (flujo en el recipiente): f (mezcla axial)⇒ Modelos de dos zonas
Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Características
Fase sólida (microorganismo) “disuelta” en fase líquida
Células susceptibles de daño celular (células superiores)Características de diseño:
- distribuidores o inyectores de gas - Elementos mecánicos internos (externos)→Movimiento del líquido
Control por velocidad de transporte de oxígeno→Sistemas bifásicos(control película líquida)
Diseño: f (flujo en el recipiente): f (mezcla axial)⇒ Modelos de tres zonas
Air-lift
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Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Air-lift Características
Procesos: cultivo de células superiores (animales y vegetales)tejidos u órganos de células vegetalestratamiento aguasSCP (a partir de metanol)
Dos ZONAS (ASCENDENTE y DESCENDENTE): Diferente densidad: Separación gas zona superior.Movimiento líquido ascendente y descendente separados físicamenteGas se introducido en zona ascendente.
CONFIGURACIONES: Recirculación internaRecirculación externa.
Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Air-lift Configuraciones: Recirculación interna
Salida gas Salida gas
Tubo o bafle
Descendente
Ascendente
Distribuidos de gas
Entrada gas (aire) Entrada gas (aire)
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Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Air-lift ConfiguracionesRecirculación externa
Salida gas
Descendente
Ascendente
Distribuidos de gas
Entrada gas (aire)
Biorreactores con biocatalizadores en suspensión
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Características
Comparación Agitación Mecánica y Neumática
Bajo
Elevado
Dañocelular
Generación baja(todo tipo de
sistemas)ModeradaElevadoBaja Neumática
Generación elevada
(sistemas no muy exotérmicos)
ElevadaPequeñoBaja y AltaMecánica
Transferenciacalor
PotenciaVolumen reactorViscosidad
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Clasificación
Tipo de operaciónFasesForma
Tubos h >> Ø
Tanques h ≅ Ø
Otros
Homogéneos
Heterogéneos
Discontinuo
Semicontinuo
Continuo
Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodosBiorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores,
TIPOS de BIORREACTORES
Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodos
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Tipo de biocatalizador
Enzimas
Células
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Enzimas Reactores Heterogéneos
• Elevadas producciones, calidad constante• Mayor estabilidad E que en suspensión. Inmovilización• Reutilización catalizador (Alto precio)
•Tanques agitados• Lechos
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Tanque agitado (CSTR)
• Equipos cilíndricos h≈D• Agitación mecánica• Mezcla perfecta (líquidos con baja viscosidad)• Homogeneización: Elevada N (P/V)⇒posible abrasión • Bajos costes producción• Gran automatización• Equipos versátiles• Enzimas inmovilizadas: configuraciones
• partículas suspendidas (filtro)• Partículas retenidas (agitador, bafles)• Circulación partículas
Enzimas
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Tanque slurry
Tanque cesta Tanque (tabiques)Tanque agitado (CSTR)Enzimas
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Lecho fijo
•Elevadas [E]•Alto inmovilizado •Bajos costes producción (automatización)•Flujo pistón: f(z), no f(r)•Enzimas inmovilizadas: configuraciones
• lecho fijo• lecho de fibra• monolito
Lecho fijo
Lecho de fibra
Monolito
Enzimas Reactores tubulares
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Células
Tipo de inmovilización
Pasiva
Activa
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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INMOVILIZACIÓN PASIVA
Crecimiento células en superficies materiales rugososOperación en continuo
- VENTAJAS:- No pre-producción células- Gran capacidad de TM- Partículas reutilizables- Cambio de escala no complicado
- DESVENTAJAS:- No esterilidad: tratamiento residuos
Células
Filtro biológico
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Ejemplos
PenicilinaEspuma de poliuretanoPenicillium chrisogenum
LipasaEspuma de poliuretanoRizopus chimensis
Ác γ-linolénicoEspuma de poliuretanoMucor ambiguus
CelulasaAceroTrichoderma viride
Acetona, butanol, etanolEsponja naturalClostridium acetobutilicum
EtanolAcero o espuma de poliesterS. cerevisiaeAmilasaEspuma de siliconaE. coli
MetanoEspuma de poliuretanoMicroorganismos metanogénicosTratamiento de residuosEspuma de poliuretanoCultivo mixto
ProductoSoporteCélulas
INMOVILIZACIÓN PASIVACélulas
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Tanque agitado
- Robustez biocatalizador: diseños agitador- Proceso aerobio: limitaciones
Lecho fijo- VENTAJAS:
- facilidad operación- ↑velocs reacción
- DESVENTAJAS:- Taponamiento lecho:
Células no viables o resting cells- No gran aporte de O2
- Eliminación CO2
- Tratamiento L-S
Lecho fluidizado
- MO aerobios y anaerobios- MO susceptibles de daño celular- Fácil Control y medida- Introducción catalizador activo- Veloc. mínima fluidización con recirculación líquido- Pequeñas partículas con elevada área- Mala estabilidad- Complejidad diseño- No esterilidad
INMOVILIZACIÓN ACTIVA
Células
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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Anticuerpos monoclonales---Células animalesTanque
agitado
Lecho fluidizado
Lecho fijo
Reactor
Tratamiento aguas---Cultivo mixto
Ácido glutámicoColágenoBrevibacterium flavum
EtanolAlginato cálcicoS. cerevisiaefumárico⇒aspárticoGel poliacrilamidaE. coli
ProductoInmovilizaciónCélulas
INMOVILIZACIÓN ACTIVA
Ejemplos
Células
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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- Membranas preformadas: separación células del medio-Operación continuaMEMBRANAS:
- ultrafiltración (poliméricas) - cerámicas, siliconas- intercambio iónico
⇒tamaño: 0,1 y 5 µm; f(tamaño celular)⇒Material: acetato y nitrato celulosa
polipropilenopoliacrilonitrilo, etc
⇒Permeabilidad: f(tamaño, estructura, hidrofobicidad, carga)⇒Forma: fibras huecas (hollow fiber
Reactores de membrana
Células
INMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento)
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Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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VENTAJAS:- Método inmovilización no daña metabolismo: “en suspensión”- Empleo para células viables con o sin crecimiento (resting cells)- No wash-out- Resting cells: combinación reacción y regeneración- Mayor pureza producto: Down-stream- Posibilidad de permeabilidad selectiva:
- No a inhibidores- Componentes de fases L y G por membranas diferentes (no oxigenación L)
- Entada de nutrientes por membranas diversas- Empleo de medios no acuosos sin emulsión (y separación de fases)
- Protección contra stress hidrodinámico
Células
INMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento) Reactores de membrana
Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados
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DESVENTAJAS:- Transferencia de Materia:
- Distribución heterogénea de células, mo móviles- Distribución heterogénea de sustratos: empleo resting cells- Transporte por difusión.
- Compatibilidad células con membranas sintéticas: metabolismo- Monitorización y control
Ácido lácticoLactobacillus delbrenkriβ-lactamasaE. coli
ProductoCélulas
Células
Reactores de membranaINMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento)
Ejemplos
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Biorreactores especiales
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Clasificación
Tipo de operaciónFasesForma
Tubos h >> Ø
Tanques h ≅ Ø
Otros
Homogéneos
Heterogéneos
Discontinuo
Semicontinuo
Continuo
Estado BiocatalizadorBiocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodosBiorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores, intensificación de procesos
TIPOS de BIORREACTORES
Biocatalizadores especiales: estado sólido, fotobiorreactores
Biorreactores especiales
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Tipo de transformación
Fermentación en estado sólido
Fotobiorreactores
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Biorreactores especiales
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Agitación Mecánica: Tanques agitadosFermentadores rotatoriosBiorreactores pulsantes
Operación continua o discontinua
BIORREACTORES ESPECIALES Estado Sólido
Biorreactores especiales
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- Sustratos sólidos- Bajos niveles de humedad (40%, <80%)- Procesos anaerobios y microaerófilos- Ambiente selectivo (actividad agua)⇒Mohos, bacterias, levaduras- Excreción de enzimas extracelulares- Procesos: Vino, Salsa de soja, Tratamiento residuos (Discontinuo)
VENTAJAS:- Volumen pequeño (economía)- ↓Posibilidad de contaminación (%H2O)- Separación producto sencilla (líquido, gas, sólido)- Desarrollo de estructuras microbianas morfológicas diferenciadas
DESVENTAJAS:- Medio heterogéneo: mala mezcla- Dificultad de control- Volúmenes mayores⇒gradientes (rotura micelios)
Reactores rotatoriosBIORREACTORES ESPECIALES Estado Sólido
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Biorreactores especiales
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BIORREACTORES PULSANTES
- Agitación pos pulsos: movimiento elementos equipo (platos, émbolo)- Procesos aerobios- Elevada viscosidad- Aplicaciones: Operación continua
Producción MetabolitosTratamiento de residuos
Aerobio, anaerobioTratamiento de residuosCultivo mixtoaerobioSCPLevadura
Aerobio, inmovilización
----Aerobio, elevada viscosidadAerobio, elevada viscosidad
Características proceso
Ácido acéticoAcetobacter aceti
EtanolZymomonas mobilisÁcido cítricoAspergillus nigerAntibióticosCyathus striatus
ProductoCélulas
BIORREACTORES ESPECIALES
Biorreactores especiales
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- CO2→Metabolitos (autótrofo)- Energía luminosa (fotótrofo)- Compuesto dador de e- (H2O)- Organismos fotosintéticos: bacterias fotosintéticas, microalgas, cianobacterias,
FOTOBIORREACTORES
⇒Complemento alimentario (biomasa)⇒Espacio: O2 y alimento
⇒Producción metabolitos de valor añadido⇒Pigmentos, antioxidantes, prods farmacéuticos
⇒Medioambiente⇒Eliminación sustancias tóxicas (metales pesados, fijación CO2)⇒Inóculos suelos contaminados⇒Regeneración atmósfera sistemas cerrados
BIORREACTORES ESPECIALES
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Biorreactores especiales
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ACTIVIDAD BIOSINTÉTICA:- Eficacia sistema iluminación: µ
- Luz natural - Luz artificial
- Veloc. Volumétrica absorción luz:- ↑Superficie de T.E.- ↑I luz incidente
ContinuosBuen control condicionesCalidad cte productoPermiten esterilizaciónElevado gasto energéticoDificultad cambio de escala
Poco gasto energéticoDifícil controlPurezaFases luz-oscuridadMenor productividad
BIORREACTORES ESPECIALES FOTOBIORREACTORES
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Bibliografía recomendada
Asenjo, J.A. y Merchuck, J.C. 1994. Bioreactor System Design. Marcel Dekker. 139-206.Atkinson, B. 1986. Reactores Bioquímicos. Reverté. 15-45.Atkinson, B. y Mavituna, F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology
Handbook. Stockton Press. 2nd Ed., 608-624Bailey, J.E. y Ollis, D.F. 1986. Biochemical Engineering Fundamentals. McGraw-Hill. 2ª
Ed. 535-539Blanch H.W. y Clark, D.S. 1996. Biochemical Engineering. Marcel Dekker. 276-277, 292-
300Doran, P. M. 1995. Bioprocess Engineering Principles. Academia Press. 336-353.Godiá, Casasblancas, F. y López Santín, J. (eds.). 1998. Ingeniería Bioquímica.
Síntesis. 131-144, 299-230Shuler, M.L. y Kargi, F. 2002. Bioprocess Engineering. Basic Concepts. 2ª Ed. Prentice
Hall. 245-290
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