BIORREACTOR DE UN TANQUE AGITADO

BIORREACTORES: el biorreactor es sin duda uno de los equipos fundamentales de la microbiología industrial. Es el recipiente donde se realiza el cultivo, y su diseño debe ser tal que asegure un ambiente uniforme y adecuado para los microorganismos.

El biorreactor de tanque agitado es de uso muy definido. La agitación se realiza mecánicamente mediante un eje provisto  de turbinas  ocasionada por un motor.

ELEMENTOS DEL BIORREACTOR

Para lograr los objetivos,  un  biorreactor de tipo de tanque agitado debe contar con las siguientes composiciones:

Cuerpo del biorreactor: recipiente o contenedor que alberga el cultivo o microorganismo. El contenedor es la frontera física entre el ambiente externo y contaminado y el ambiente interno controlado.

Dimensionamiento del Cuerpo del Biorreactor: el primer paso en el diseño de cualquier biorreactor es dimensionar el “tamaño” del tanque o del cuerpo del biorreactor; la práctica común es, hacerlo a través de variables adimensionales: variables que representan una razón entre dos parámetros con las mismas dimensiones. De esta forma, es posible escalar; es decir cambiar de dimensión o tamaño, el biorreactor y adaptarlo a otra escala de proceso.
Eje trasmisor de la potencia:: es una barra cilíndrica de acero inoxidable 316L y por lo general se diseña en diámetros estándar: ¾”, ½”, etcétera para mayor facilidad de ajuste a los estándares 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 “enrosca” o se fija firmemente al eje del motor. El puerto de salida es un dispositivo que “abraza” el eje transmisor de potencia por un mecanismo de tornillo-rosca.

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 daño celular; sus hojas o aspas son del tipo hélice.

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 mecánico (agitador) o hidráulico (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.

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.

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.

Sello Mecánico: su función es triple: evitar la contaminación, mantener hermético el sistema, servir de amortiguador de fricción. El sello mecánico también debe permitir la esterilización in situ del biorreactor, mediante una línea de vapor sobrecalentado. Un sello mecánico, generalmente se diseña 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.

Sistema de agitación: tiene la función de generar la potencia necesaria para producir una mezcla perfecta para el sistema de cultivo y producir un régimen de agitación adecuado.

Motor impulsor: motor de inducción dado que un biorreactor debe operar de forma continua durante todo el proceso de cultivo, se requiere un motor capaz largos periodos de operación continua y trabajo duro por eso el motor debe ser de inducción de corriente alterna y debe ser acorazado, preferiblemente de acero inoxidable.

SISTEMA DE CONTROL

Control de velocidad del motor : los motores de inducción de corriente alterna tiene velocidades nominales a rotación de 1800rpm o 3600rpm. Estas velocidades son muy altas para los sistemas biológicos causando la destrucción de las células y microorganismos en cultivo.  

AGITACIÓN Y MEZCLADO 

Relaciones de Potencia y Mezclado: conforme el diámetro de la hoja o aspa (Dd) aumenta, también lo hace, la potencia (Pt) requerida para realizar el trabajo de mezclado; la potencia de mezclado (Pm) es mayor porque el torque (τ) se acrecienta, recuerde que el torque es la relación entre la fuerza (F) y el brazo de palanca (r) y que, el brazo de palanca es el diámetro del aspa u hoja cuyo momentum (mv) aumenta al aumentar la velocidad de rotación (ω).

Utilización de Bafles: son una mejora muy utilizada ya que pueden instalarse fácilmente en los sistemas de agitación, disminuyen (deflectan) la turbulencia ocasionada por las hojas o aspas del impulsor, rompen (disgregan) los cúmulos celulares y micelios que se forman en los respectivos cultivos y mejoran la eficiencia de mezclado.

REACTOR DE TANQUE AGITADO O  RTA

Son los que cuentan con un agitador eficiente para lograr que la composición  y la temperatura de la masa reaccionante tiendan a ser iguales en todas las zonas del reactor, es decir lograr una uniformidad de las propiedades. El diseño  del agitador y su velocidad puede afectar las condiciones de mezclado. A esta Categoría pertenecen  los reactores de empleo más común en la industria química. La mayor parte, esta equipado con algún medio de agitación (centrifugación, oscilación o sacudidas), así como elementos para la transferencia de calor (intercambiadores de calor de cubierta, externos e internos). Esta clase admite tanto la operación intermitente  como la continua en amplias gamas de  temperatura y presión. Con excepción de los líquidos muy viscosos, el reactor tanque con agitación  produce un mezclado casi perfecto (retromezclado).

SISTEMA DE DIFUSIÓN DE OXÍGENO DISUELTO

Debe optimizar al máximo la transferencia de oxigeno disuelto al medio liquido. El sistema consta de dos partes mecánicas: boquilla y difusor de aire;

Una parte de medición; sensor de oxigeno disuelto y una de control controlador de oxígenos disuelto.

Difusor de aire: los cultivos aerobicos requieren que la corriente de aire esteril se difunda en la forma de miles de pequeñas burbujas, desde el difusor de aire hacia el volumen del liquido.

Control y medición del oxigeno disuelto: además de regular el flujo y la presión de aire en la línea o tubería, se debe controlar el valor y la concentración de oxigeno disuelto dentro del medio liquido.

http://es.scribd.com/doc/31787823/Biorreactor-de-tanque-agitado-Morgan-G-Vasquez-2010

http://cursa.ihmc.us/rid=1HWW5NT4D-1TK1SKD-N9Z/Dise%C3%B1o%20de%20un%20Biorreactor%20de%20Tanque%20Agitado.doc

https://www.google.com.co/#q=+biorreactor+de+un+tanque+agitado&safe=active

BIORREACTOR DE ELEVACIÓN CON AIRE

La falta de un patrón bien definido en un reactor de tanque con aplicación ha conducido a la creación de un reactor basado en el principio del lazo  y este a su vez se divide en 4:

ü  Elevación con aire estándar

ü  Elevación con aire wasco

ü  Elevación con aire kaneguchi

ü  Elevación con aire lefrancois

Los siguientes puntos son los considerados como los criterios más importantes en el diseño de un fermentador:

•  El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante muchos días, así como parte de operaciones de larga duración
•  Tener un consumo mínimo de energía
• Contar con un sistema de control de ph.
• Un sistema de control de temperatura
•    Un sistema de toma de muestras
• Perdida de evaporación mínima
• El tanque debe ser versátil

Las superficies del tanque internamente deben ser lisas, utilizando donde sea posible soldaduras 

Las funciones deseadas en la fermentación  son el contacto gas-liquido, detención de las concentraciones o reactivos.                                                                                                                        

Algunos aspectos importantes en el fermentador son que:

• Una válvula da en el sistema de aire permita la desviación del aire para que la espuma no sea excesiva.
• Se agrega antiespumante cuando el exceso de espuma llega a una probeta electrónica de conductividad.
• Toda tubería está protegida contra la contaminación, mediante el empleo de vapor.
• Los fluidos se transfieren desde un recipiente a presión

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

QUE ES UN BIORREACTOR?

DEFINICIÓN DE BIORREACTOR

Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. Estos Biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos 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.

Cualquiera que sea el tipo de microorganismo, el biorreactor debe permitir un contacto entre las 2 fases bióticas y abióticas del sistema. El buen desempeño está asociado a los fenómenos de transferencia entre las células y el medio de cultivo.

Una característica muy importante del biorreactor es su capacidad para transferir a la biomasa microbiana que contiene, la porción de oxigeno que necesita. Este gas es poco soluble en agua lo que hace difícil de lograr: mezclar 3 fases: una fase acuosa (medio de cultivo), una fase gaseosa (el gas de oxigenación, aire) y a fase biótica constituida por biomasa microbiana.

El crecimiento microbiano es globalmente exotérmico.  El biorreactor debe facilitar la transferencia de calor, del medio hacia las células en primer lugar después al contrario, a medida que se produce el crecimiento celular. La repartición  homogénea de las células en el medio evita también el fenómeno de sobrecalentamiento local peligroso, dada la sensibilidad al calor de los procesos microbiológicos.

La homogeneidad de las suspensiones celulares se obtiene en la práctica industrial en diferentes formas. En el caso de procesos gasógenos, tales como la fermentación alcohólica el gas se produce sobre el desarrollo microbiano mantiene a las células en todas las masas del líquido. De acuerdo a su etimología, fermentación proviene del verbo latino “fermentarse” que quiere decir burbujear.  Al final de la fermentación se detiene el desprendimiento gaseoso, lo que permite recuperar las células. Sea por sedimentación hacia el fondo de la cuba, sea por la flotación hacia la superficie.

Se puede aplicar el mismo principio a los cultivos aerobios, en los cuales es el gas de oxigenación el que crea la turbulencia que permite el mantener las células en suspensión homogénea.