| RESULTADO DE APRENDIZAJE
DIVISIN ACADMICA: PROCESOS ALIMENTARIOS Y BIOTECNOLGICOSCARRERA:
INGENIERA EN PROCESOS BIOTECNOLGICOS
ASIGNATURA: INGENIERA DE LAS FERMENTACIONESCATEDRTICO: ING. JUAN
GABRIEL SNCHEZ VSQUEZ
ALUMNO: ANTONIO PEATE PREZCUATRIMESTRE: 8VO GRUPO: AFECHA:
23/03/2015
INTRODUCCIN Los birreactores son los medios de cultivo
optimizados empleados para laproduccin de sustancias a gran escala.
Por ejemplo, las grandes cubas devino o de cerveza, que pueden
llegar a contener 30 mil litros de lquido se consideran
birreactores, puesto que otorgan a las levaduras fermentadoras su
medio de crecimiento ptimo para la funcin deseada. Aunque en estos
casos concretos, donde se pretende que un organismo realice una
fermentacin, los birreactores se denominan
tambinfermentadores.Existen birreactores de muchos tipos, casi
tantos como reacciones que se quieren llevar a cabo.Dependiendo del
cultivo biolgicoque quiere llevare a cabo pueden dividirse en los
que son para organismosaerobios, anaerobios o aerobios
facultativos. En cada uno de ellos elsistema de aireacin o
aislamiento variar.Del mismo modo, dependiendo del organismo, su
crecimiento se ver favorecido por una aireacin con burbujas, como
en el caso de lquenes, o con agitacin, la aireacin ms normal en
crecimiento bacteriano. En el caso de lasfermentacionesdebe tenerse
en cuenta si la fermentacin esen superficie(solo se sella a cabo en
la parte de arriba del lquido), donde deber dejarse un poco de aire
en la parte de arriba del fermentador. O enprofundidad(en todo el
volumen del fermentador), donde la poca aireacin que necesiten las
levaduras deber proporcionarse con la reposicin del medio cada
cierto tiempo.
COMPONENTES DE UN BIORREACTOR
Cuerpo del birreactor: recipiente o contenedor que alberga al
cultivo o microorganismo. El contenedor es la frontera fsica entre
el ambiente externo contaminado y el ambiente interno controlado.
Un tanque contenedor o cuerpo del birreactor se debe construir en
acero inoxidable austentico, por sus caractersticas qumicas y
fsicas superiores; usualmente se prefiere los aceros de las series
316.
Sistema de agitacin: tiene la funcin de generar la potencia
necesaria para producir una mezcla perfecta para el sistema de
cultivo y producir un rgimen de agitacin adecuado que, maximice la
difusin de gases en el lquido y minimice la produccin de esfuerzos
cortantes y la presin hidrodinmica local y global, para optimizar
los fenmenos de transferencia de momentum, calor y masa.
Puerto de entrada del birreactor: se denomina puerto a la
superficie fsica sobre el cual se instala un dispositivo de entrada
o salida al birreactor, un anclaje o un aparato mecnico o de
medicin; 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
birreactor.Sello mecnico: su funcin es triple: evitar la
contaminacin, mantener hermtico el sistema, servir de amortiguador
de friccin. El sello mecnico tambin debe permitir la esterilizacin
in situ del birreactor, mediante una lnea de vapor
sobrecalentado.Eje transmisor de potencia: transmite la potencia
del motor al impulsor a travs de las hojas de agitacin. Existen
ejes en los cuales ya vienen incorporadas hojas o aspas de
agitacin, se disean para operar en uno de dos sistemas de flujo,
segn sea, la orientacin espacial de las hojas o aletas.
Agitadores: Deflectores o bafles: Su funcin es la de mezclar
homogneamente la fermentacin. Cuando se emplean agitadores de aspas
para agitar fluidos de baja viscosidad en tanques sin deflectores
(o bafles) se genera un vrtice. La profundidad del vrtice crece con
la velocidad hasta que eventualmente el vrtice pasa por el
agitador. La eficiencia del mezclado en un sistema con vrtice es
usualmente menor que la correspondiente en el sistema sin ella.
Para eliminar esta problemtica, comnmente se colocan cuatro
deflectores al tanque con un ancho de 1/10 el dimetro del
tanque.
Control de temperatura: Mantiene estable y dentro de un rango
ptimo requerido por el cultivo para su mximo crecimiento, la
temperatura interna del sistema.Un sistema de intercambio
trmicoIntercambiador de calor: dispositivo de intercambio trmico
que absorbe el calor excedente. Se define por su rea de
transferencia de calor; a mayor rea de transferencia de calor,
mayor capacidad de absorber calor.
Un sistema de controlControlador de temperatura: sistema que
ordena y regula la accin del motor que controla el servo- vlvulas
que regulan el flujo de lquido fro o caliente.Un sistema de
medicinSensor de temperatura: sonda (termocopla) que mide la
temperatura.
Un servo controlServo controlador de temperatura: controla la
temperatura a la que debe abrir o cerrar la vlvula solenoide.
Un sistema regulador de paso de flujoVlvula solenoide: servo
mecanismo actuador que regula el flujo (paso) de lquido por la
tubera o lnea de paso (abre o cierra el flujo del lquido).
Un sistema de conduccin de fluidoTuberas de conduccin de agua:
el agua es fluido trmico por excelencia para la transferencia de
calor por conduccin a travs de las paredes metlicas de la tubera.
stas deben ser de acero inoxidable.Las tuberas deben anclarse al
cuerpo del birreactor mediante un puerto de entrada que es soporte
hermtico que la sujeta a la superficie plana.Control de pH
(potencial de hidrgeno): El sistema controla el pH del medio de
cultivo; que es generada por los productos de desecho y el
metabolismo propio del cultivo celular o microorganismos.Sensor de
pH: sonda o probeta electroqumica que mide la acidez y dice al
controlador de pH, la situacin del medio.
Bombas peristlticas: Las bombas peristlticas permitirn agregar
el cido o lcali al proceso, segn sea necesario.
Sensor de oxgeno disuelto: Para el oxgeno disuelto se utiliza un
sensor de tipo polarogrfico con conector VP, como se ve en la
figura 6. Su rango de medida est comprendido entre 0 y 250 %.
Torre de control: Este elemento se encarga de monitorizar y
controlar todas las variables del proceso del birreactor, como
agitacin, temperatura, pH, oxgeno disuelto y otras posibles
variables del proceso.
TIPOS DE BIRREACTORESBirreactor de Tanque AgitadoLa mezcla y
dispersin de las burbujas se alcanza mediante agitacin mecnica, lo
cual requiere una relativa gran cantidad de energa por unidad de
volumen. Los deflectores se utilizan para reducir la formacin de
vrtices. Existe una amplia variedad de formas y tamaos diferentes
de rodetes que producen diferentes tipos de flujo dentro del
recipiente. En los fermentadores altos se instalan varios rodetes
para mejorar la mezcla.
Figura 1: Fermentador de tanque agitado tpico para cultivos
aerobios.El control de la temperatura y de la transmisin de calor
en los reactores agitados puede resolverse mediante la colocacin de
serpentines de refrigeracin internos, sin embargo tambin se pueden
utilizar camisas externas o intercambiadores de calor externo. Los
fermentadores agitados se utilizan para reacciones con enzimas
libres e inmovilizadas, as como para el cultivo de clulas en
suspensin e inmovilizadas. Cuando se utilizan determinados
catalizadores que pueden ser daados o destruidos por el rodete
cuando gira a gran velocidad es necesario tener un cuidado
especial. Elevados niveles de cizalla pueden tambin daar las clulas
sensibles, principalmente en el cultivo de clulas animales o
vegetales.Transferencia de OxigenoLa velocidad de transferenciade
oxgeno en un birreactoragitado depende de lascondiciones de
agitacin yaireacin y de lascaractersticas del caldo de
cultivo.Columna de burbujasLa constituyen aquellos reactores sin
agitacin mecnica. En los reactores de columna de burbujas, la
aireacin y la mezcla se alcanza mediante la inyeccin de gas,
proceso que requiere menos energa que la agitacin mecnica. Las
columnas de burbujas se utilizan industrialmente para la produccin
de levadura de panadera, cerveza y vinagre, y en el tratamiento de
aguas residuales.La hidrodinmica de la columna de burbujas y las
caractersticas de la transmisin de calor depende por completo del
comportamiento de las burbujas formadas en el difusor. Existen
diferentes regmenes de flujo dependiendo del caudal de gas, del
diseo del difusor, del dimetro de la columna y de las propiedades
del medio como puede ser la viscosidad.
Fig. 2 Reactor de Columna de burbujas
Transferencia de oxgenoLa transferencia de materia gas-lquido en
reactores depende fuertemente del dimetro de la burbuja y de la
cantidad de gas existente en la columna. En columnas de burbujas
que contienen lquidos no viscosos, estas variables dependen
nicamente del caudal de gas. Sin embargo, como en los reactores de
columna de burbujas es imposible predecir con exactitud los tamaos
de las burbujas y las corrientes de circulacin de lquido es difcil
calcular con exactitud el coeficiente de transferencia de
materia.La velocidad de transferencia de oxigeno esdeterminada de
manera importante por el reasuperficial de las burbujas de aire, de
aqu que elaire se disperse en forma de burbujas pequeaspara proveer
una granrea de contacto entrelasfases liquida ygaseosa. Sinembargo,
enalgunoscaldos de fermentacin, las burbujas pequeastienden a
unirse formando burbujas msgrandes.Dependiendo de las propiedades
fsicas del caldode cultivo y de la intensidad de la
turbulenciadentro del birreactor, las burbujas puedencrecer hasta
aproximadamente 6 mm dedimetro despus de dejar la zona de
dispersin. Este fenmeno conocido como coalescencia delas burbujas,
es causado por el hecho de que
unapelculaliquidaentredosburbujasdeaireadyacentes se hace cada vez
ms delgada hastaque eventualmente se rompe.Lechos empaquetadosEl
reactor consiste en un tubo, generalmente vertical, relleno o
empaquetado con partculas de catalizador. El medio de cultivo puede
alimentarse por la parte superior o inferior de la columna y forma
una fase lquida continua entre las partculas. En los lechos
empaquetados, el dao debido al desgaste de las partculas es mnimo
en comparacin con los reactores agitados. Los reactores de lecho
empaquetado han sido utilizados a nivel comercial con clulas y
enzimas inmovilizadas para la produccin de aspartato y fumarato, la
conversin de penicilina a cido 6-aminopenicilnico y en la resolucin
de ismeros de aminocidos.Transferencia de OxigenoLa transferencia
de materia entre el medio lquido y el catalizador slido se facilita
trabajando a caudales elevados de lquido a travs del lecho para lo
cual normalmente se recircula el lquido, tal como se muestra en la
Figura 3. Para evitar que el catalizador se arrastre fuera de la
columna se colocan pantallas a la salida del lquido. Las partculas
deben ser relativamente incompresibles y capaces de soportar su
propio peso en la columna sin deformarse y obstruir el flujo del
lquido. El medio recirculado debe estar tambin limpio y libre de
desechos para evitar el taponamiento del lecho. La aireacin se
realiza generalmente en un recipiente separado ya que si se
inyectara el aire directamente en el lecho, la coalescencia de las
burbujas producira bolsas de gas y canalizaciones o una distribucin
deficiente del flujo. Los lechos empaquetados no pueden utilizarse
en aquellos procesos que produzcan grandes cantidades de dixido de
carbono u otros gases que puedan quedar atrapados en el
relleno.
Fig. 3 Reactor de lecho empaquetado con recirculacin del
medio.
Reactor de tiro o corriente de aireAl igual que en las columnas
de burbujas, en los reactores de tiro de aire la mezcla se produce
sin agitacin mecnica. Los reactores de tiro de aire se utilizan a
menudo para cultivos de clulas animales y vegetales, y
catalizadores inmovilizados porque los niveles de cizalla son
bastante inferiores que en los reactores agitados. Existen varios
tipos diferentes de reactores de tiro de aire. El rasgo
caracterstico que los diferencia de los de columna de burbujas es
que las corrientes de flujo de lquido estn ms definidas debido a la
separacin fsica de las corrientes ascendentes y
descendentes.Trasferencia de OxgenoEl gas es inyectado nicamente en
una parte de la seccin del reactor denominado riser. El gas
existente en el reactor y la disminucin de densidad producen un
movimiento ascendente del lquido en el riser. El gas se retira del
lquido en la parte superior del reactor dejando el lquido ms pesado
libre de las burbujas y se recircula a travs del downcomer. El
lquido circula en los reactores de tiro de aire como resultado de
la diferencia de densidad entre el riser y el downcomer.
Fig.3 Configuraciones de reactores de tiro de aire.
La Figura 4 muestra las configuraciones ms comunes de reactores
de tiro de aire. En los reactores de bucle interno de las Figuras
4(a) y 4(b), el riser y el downcomer estn separados por un
deflector interno o tubo de tiro. El aire puede inyectarse bien en
el tubo de tiro o en el anillo. En los reactores de tiro de aire de
bucle externo de la Figura 4(c), se conectan dos tubos verticales
separados mediante pequeas secciones horizontales en la parte
superior e inferior. En este dispositivo, la separacin del gas es
ms efectiva que en los reactores de bucle interno ya que el riser y
el downcomer se encuentran separados. Asimismo, en el downcomer se
arrastran muy pocas burbujas, lo que provoca que la diferencia de
densidad entre los fluidos del riser y del downcomer aumente y la
circulacin de lquido en el reactor sea ms rpida. Por consiguiente,
la mezcla es generalmente mejor en los reactores de bucle externo
que en los de bucle interno.Se ha comprobado que tanto el contenido
de gas en el tubo como las velocidades de transferencia de materia
gas-lquido son similares en los reactores de tiro de aire con bucle
interno y en los de columna de burbujas. Sin embargo, en los
reactores de bucle externo, la casi completa retirada del gas
aumenta la velocidad del lquido y disminuye el contenido de gas en
el tubo, por lo que las velocidades de transferencia de materia, a
igual velocidad, son menores que en los reactores de columna de
burbujas.La elevada presin hidrosttica existente en el fondo de
dicho reactores mejora considerablemente la transferencia de
materia gas-lquido. La altura de los reactores de tiro de aire es
generalmente alrededor de 10 veces su dimetro, aunque para sistemas
de pozo profundo la relacin altura-dimetro puede aumentar hasta
100.Lechos fluidizadosCuando se hace fluir hacia arriba un lquido
sobre un lecho empaquetado de partculas de catalizador de tamao y
densidad apropiados, ste se expande debido al movimiento ascendente
de las partculas.El fundamento consiste en aprovechar que las
partculas presentes en los lechos fluidizados estn en continuo
movimiento y no se producen canalizaciones ni atascos en el mismo,
el aire puede introducirse directamente en la columna.
Fig. 5 Reactor de lecho fluilizados.
Lecho de goteoEl reactor de lecho de goteo es otra variacin del
lecho empaquetado. El lquido es rociado en forma de spray sobre la
parte superior del empaquetamiento y las gotas descienden a travs
del lecho en forma de pequeas corrientes. Transferencia de OxgenoEl
aire puede introducirse por la base, y puesto que la fase lquida no
es continua a travs de la columna, el aire o cualquier gas se mueve
con relativa facilidad alrededor del empaquetamiento.Fig.6 Reactor
de goteo.
TIPOS DE AGITADORESLos tres tipos principales de agitadores son,
Paletas TurbinaHliceAgitadores de paleta o palaConsiste en una hoja
plana sujeta a un eje rotatorio. Los agitadores de pala sencillos
producen una accin de mezcla suave, que es con frecuencia la
conveniente para el trabajo con materiales cristalinos frgiles. Son
tiles para operaciones de simple mezcla, como, por ejemplo, la
mezcla de lquidos miscibles o la disolucin de productos slidos. Los
agitadores industriales de paletas giran a una velocidad
comprendida entre 20 y 150 rpm. La longitud del rodete de un
agitador de paletas es del orden de 50 al 80% del dimetro interior
del tanque. La anchura de la paleta es de un sexto a un dcimo de su
longitud. A velocidades muy bajas, un agitador de paletas produce
una agitacin suave, en un tanque sin placas deflectoras o
cortacorrientes, las cuales son necesarias para velocidades
elevadas. De lo contrario el lquido se mueve como un remolino que
gira alrededor del tanque, con velocidad elevada pero con poco
efecto de mezcla.
Agitadores de HlicePoseen elementos impulsores de hojas cortas
(corrientemente de menos de del dimetro del tanque); giran a gran
velocidad (de 500 a varios millares de r.p.m).Las hlices no son muy
efectivas si van montadas sobre ejes verticales situados en el
centro del depsito de mezcla.Agitadores de TurbinaEstn constituidos
por un componente impulsor con ms de cuatro hojas, montadas sobre
el mismo elemento y fijas a un eje rotatorio. Los agitadores de
turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; en
lquidos poco viscosos, producen corrientes intensas, que se
extienden por todo el tanque y destruyen las masas de lquido
estancado. El agitador de turbina semiabierto, conocido como
agitador de disco con aletas, se emplea para dispersar o disolver
un gas en un lquido. El gas entra por la parte inferior del eje del
rodete; las aletas lanzan las burbujas grandes y las rompen en
muchas pequeas, con lo cual se aumenta grandemente el rea
interfacial entre el gas y el lquido.
REOLOGA DE LA FERMENTACIN Las mezclas de fermentacin estn
constituidas por agua, electrolitos, slidos en suspensin
(partculas, flculos y materiales filamentosos) y materiales
disueltos. Estas sustancias determinan el comportamiento reolgico y
la tensin superficial de la mezcla, e influyen sobre la
transferencia de momentum, calor y masa en los
birreactores.Inconvenientemente la mayor parte de la informacin
disponible sobre consumo de potencia por agitacin, transferencia de
calor y transferencia de masa, se fundamenta en datos obtenidos con
agua. El agua y las soluciones de electrolitos manifiestan un
comportamiento reolgico sencillo descrito por la ley de Newton,
Bird et al., (1960). La mayora de los medios de fermentacin con
bacterias y levaduras tambin manifiestan un
comportamientoNewtoniano. Los medios donde participan clulas
miceliales o donde se forman compuestos polimricos, se comportan
generalmente como fluidosno Newtonianos.La determinacin del
comportamiento reolgico de un fluido, requiere la construccin de un
reograma a partir del ajuste de los datos experimentales que se
obtienen con un viscosmetro, dentro de un amplio intervalo de
valores de la viscosidad. Metz et al. (1979), describen algunos
mtodos de obtencin de las propiedades reolgicas de los cultivos
miceliales. Charles (1978), clasifica las mezclas de fermentacin en
tres categoras: cultivos miceliales, cultivos con polisacridos
extracelulares, y cultivos de bacterias y levaduras.La figura 1 es
una representacin cualitativa de los reograma tpicos de algunas
mezclas de fermentacin. Los resultados experimentales reportados
por diferentes investigadores, corresponden generalmente a datos
que se obtienen en diversos tipos de viscosmetros, factor que
influye sobre los resultados y dificulta la confrontacin de los
valores, aun tratndose de la misma mezcla.
CONCLUSINLa fermentacin es un proceso mediante el cual ocurren
reacciones qumicas debido a la presencia de microorganismos o
enzimas de estas. En los procesos industriales, las fermentaciones
se llevan a cabo en un reactor que se conoce como fermentador. El
tamao de los fermentadores puede variar, dependiendo del tipo de
proceso y con los volmenes que se recogen al final. Es por eso es
muy importante conocer el tipo de Biorreactores , para conocer cmo
va a ser el proceso fermentativo de la mezcla.