CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES

Clasificación Operativa

Tanto biorreactores como fermentadores se clasifican primeramente de acuerdo al modo de operación: discontinuo, semicontínuo, continuo. Esta es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor, sea químico o biológico (biorreactor). En los reactores biológicos el modo de operación define el sistema de cultivo que es el mismo y delimita la clasificación procesal-productiva del bioproceso (cultivo). Al operar un biorreactor en una determinada categoría (discontínuo, semicontínuo, contínuo), automáticamente queda determinado el modo de cultivo del sistema y se definen los parámetros y las características operativas y de diseño que intervienen en el proceso productivo del sistema.

Clasificación Biológica

Los sistemas biológicos deben interaccionar con el ambiente externo para poder crecer y desarrollarse; es por eso que los biorreactores se clasifican biológicamente de acuerdo al metabolismo procesal del sistema de cultivo:anaeróbico, facultativo, aeróbico. Los bioprocesos de cultivo y las fermentaciones están basados en el metabolismo celular del cultivo. El metabolismo define los parámetros y características operativas-biológicas de diseño y de operación del biorreactor. Estas características son las que intervienen en la parte biológica del sistema y tienen que ver con el crecimiento, productividad y rendimiento del cultivo; por lo que, definen la clasificación biológica-procesal del sistema de cultivo.

Clasificación Biológica-Operativa

Ambas clasificaciones; la biológica y la operativa, son procesalmente interdependientes y en su conjunto afectan el diseño final del biorreactor. Al conjuntarse ambas clasificaciones, se conjuntan también la función operativa y la biológica para establecer entre ambas un propósito de utilización, el modo de cultivo y el bioproceso. Siendo el propósito de utilización, el destino de cultivo del biorreactor; para qué tipo de cultivo va a ser utilizado el biorreactor; el modo de cultivo es sinónimo de sistema de cultivo y el bioproceso es en sí, todo el proceso.

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

TIPOS DE BIORREACTORES

Un biorreactor es un recipiente de vidrio o acero inoxidable si el uso es farmacéutico, o de material menos noble, como acero al carbono, en el caso de aplicaciones menos exigentes en pureza. Por lo general, el reservorio tiene una altura 2.5 a 4 veces superior a su diámetro, y en función de la aplicación, su volumen varía entre 1000 - 10000 lt en el caso de un producto farmacéutico, a 500000 lt, y más en el caso de la producción de microorganismos como fuente de proteína animal.

El diseño de un biorreactor, aparte de asegurar que la operación se desempeñe en forma aséptica, debe responder a tres requisitos principales:

1.        Mezcla adecuada.
2.       Buena transferencia del oxígeno del aire al microorganismo.
3.        Remoción del calor.

Este último imperativo explica que, a pesar de las bajas temperaturas a que operan los procesos biológicos con respecto a la catálisis química; sea necesario considerar superficies importantes de intercambio térmico dentro del biorreactor para mantener la temperatura de crecimiento. Esto explica también en parte el interés que presentan los microorganismos termófilos, capaces de trabajar a temperaturas más elevadas que otros microorganismos, lo cual reduce por una parte los problemas de remoción de calor durante la fermentación y, por otra parte, los riesgos de contaminación por los microorganismos mesófilos.

En forma general existen tres tipos principales de fermentadores para cultivos aeróbicos

1.  Estanques aireados agitados

Estos son los más tradicionales y tuvieron un gran desarrollo durante los años 50 y se usan para la producción de antibióticos como la penicilina a escala industrial. El biorreactor agitado consiste en un cilindro vertical que posee varios deflectores para prevenir la formación de un torbellino durante la agitación. El aire estéril penetra por la base del reservorio, a través de un distribuidor circular. El eje vertical lleva una o varias hélices en función de la relación altura / diámetro.

A pesar de que este modelo de biorreactor no es el más económico de instalar ni de operar, sigue siendo el más corrientemente utilizado desde los últimos treinta años. La razón de su éxito reside en su gran versatilidad para ser usado a cualquier escala de producción y para un gran número de procesos sin modificaciones del diseño. Por lo tanto, los costos relativamente elevados de inversión y operación se encuentran compensados por su flexibilidad.

Se mostrara la figura e un tanque agitado. El mezcasldo se realizara mecánicamente.

2. Reactores tubulares (Air-1ift)

Se trata de un reactor en forma de torre o columna, en el cual el aire es introducido en la base del tubo, y la ascensión de las burbujas de aire constituye el único tipo de agitación existente.

A pesar de que el modelo agitado permite concentraciones superiores de biomasa, el biorreactor tubular, por su simplicidad y costos inferiores de energía, mantenimiento e instalación, es preferido en algunos procesos al anterior. Estos biorreactores son utilizados en la producción de cerveza, vinagre y ácido cítrico.

Esquema de in biorreactor del tipo (air lift). El mezclado se realiza mediante inyección de aire.

3. Estanques a recirculación

Todos los biorreactores de este tipo tienen en común el flujo del medio de cultivo en una dirección definida. Esto se ha logrado gracias a la incorporación de tubos de aspiración en el diseño, lo cual permite una re-circulación interna del fluido, o por el uso de un conducto de re-circulación  el que permite una re-circulación externa.

La fuerza motora se desarrolla por el efecto de ascensión de las burbujas de aire (air lift) o por un sistema de flujo hidrodinámico. Existe gran polémica sobre las virtudes de este tipo de sistema, el cual para muchos, es tan eficiente a más que el tanque agitado con respecto a la transferencia de masa, y con una economía sustancial de energía.

Este tipo de biorreactores ha producido un interés creciente por la reducción en los costos de producción. Sin embargo, no se conocen bien aún los problemas en la síntesis de un producto que pueden derivar de las fluctuaciones ambientales a las que es sometido un microorganismo en este tipo de biorreactores por la falta de agitación. Por lo tanto, el desarrollo de la investigación en este sentido es indispensable.

FUNCIÓN DE UN BIORREACTOR Y TIPOS DE BIORREACTORES

En conclusión el funcionamiento de un biorreactor depende de muchas funciones

• La concentración de biomasa la cual debe permanecer alta.
• El mantenimiento de las condiciones estériles.
• Agitación efectiva para que la distribución de los substratos y microorganismos en el reactor sea uniforme.
• Eliminación de calor.
• Creación de las condiciones correctas de corte; las rapideces altas de corte pueden ser dañinas para el organismo  pero las rapideces de corte bajas también pueden ser indeseables debido a la floculación o al crecimiento de biomasa inconvenientes sobre la pared del reactor y sobre el agitador.

Hay tres grupos de Biorreactores usados actualmente para la producción industrial

1. No agitados. Sin aeración (86%)

1. No agitados. Con aeración (11%)

1. Agitados. Con aeración (13%)

1. Fluidificados

1. De membrana y Fibra Huca