ARQ Tema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación Tema 5 Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación Clasificación de los Biorreactores Biorreactores con biocatalizadores en suspensión: Agitación Mecánica y Agitación Neumática Biorreactores 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 biorreactores Conocer 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. Contenidos Objetivos ARQ Tema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación Características Generales • Condiciones de operación suaves (Poco aporte energético) • Transformación isoterma (Resolución BM y BE no acoplado) • Productividad (actividad y estabilidad biocatalizador, rdto producto) BIORREACTOR Recipiente en el que se lleva a cabo una transformación en la que interviene un biocatalizador
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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
ARQTema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación
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
ARQTema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación
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
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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.
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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
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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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
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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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
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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