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Fase logarítmica o exponencial: En esta fase, el número de células microbianas se duplica por unidad de tiempo. Cuando el número de células de una reacción de este tipo se representa en la escala logarítmica en función del tiempo transcurrido, se obtiene una curva con una pendiente en constante aumento.
Estacionario
Muerte
Reg
istr
o
Número de registro células vivas o turbidez
Lag
Tiempo en horas
Figura 3.Curva de crecimiento (Nanda S,
Fase estacionaria: En la fase estacionaria no hay un aumento o reducción neta del número de células. Las funciones celulares, como el metabolismo energético y algunos procesos biosintéticos, continúan.
Fase de muerte: Las células pueden empezar a morir si la incubación continúa después de que la población bacteriana alcance la fase estacionaria. Las células pueden morir debido a la lisis celular, que es un proceso mucho más lento que la fase de crecimiento.
Diseño de biorreactores por lotes
Figura Biorreactor4. (Shuler & Kargi, 1982)
Los biorreactores discontinuos constan de un único tanque capaz de llevar a cabo una secuencia de reacciones y son fáciles de manejar. El
tanque está equipado con un agitador (reactor de tanque agitado - STR) para mezclar los reactivos junto con un sistema integral de calefacción y refrigeración. Se utiliza una solución tampón o un controlador de pH para controlar el pH del reactivo. La capacidad de estos recipientes puede variar desde menos de un litro1 hasta más de un litro15,000. Los líquidos y los sólidos son
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normalmente se cargan a través de las entradas de la tapa superior del reactor. Los vapores y los gases también se descargan a través de las conexiones de la parte superior. Por lo general, los líquidos se eliminan por la parte inferior. (Tsuneo & Shoichi, 1984). Los STRs generalmente están enchaquetados para las necesidades de calentamiento o enfriamiento del vapor y están equipados con bafes y sparger redondos para la aireación.
El impulsor en los RTS está conectado a un motor externo que acciona el sistema de agitación. El conjunto del agitador, incluida la junta, es una vía de contaminación y, por tanto, el eje debe pasar al biorreactor a través de un conjunto de juntas asépticas (Abbott M.S.R et.al, 2013). Los impulsores contribuyen a la mezcla y disolución del oxígeno atmosférico necesario en la fase acuosa, y maximizan el área interfacial entre la fase gaseosa y la acuosa (Garcia- Ochoa F& Gomez E, 2009; Martin M et. al, 2008). El diseño de las palas del impulsor, la velocidad de agitación y la profundidad del líquido determinan la eficacia de la agitación. Las variables importantes que afectan a las tasas de mezcla y transferencia de masa son el número y los tipos de agitadores, la velocidad del agitador y la tasa de flujo del gas utilizado.
Estos reactores se prefieren para productos de bajo volumen y alto valor, especialmente si se emplean muchas operaciones secuenciales para obtener rendimientos de productos. Estos reactores también se utilizan cuando se fabrican varios productos en el mismo equipo o cuando es difícil la producción continua, como en el caso de líquidos muy viscosos o cargados de sólidos pegajosos (William J.A, 2002). Los STR se utilizan para la homogeneización, la suspensión de sólidos, la dispersión de mezclas gas-líquido, la aireación de líquidos y el intercambio de calor. Son los tipos más comunes de biorreactores aeróbicos que se utilizan hoy en día; pueden tener una conguración interna específica diseñada para proporcionar un patrón de circulación específico. Pueden utilizarse con una gran variedad de especies microbianas y son ampliamente adoptados para el cultivo de microorganismos, fermentación y células vegetales. La concentración de nutrientes, el pH y la cantidad de oxígeno disuelto pueden controlarse en este tipo de biorreactores (slideshare.net/signtoxic/bioreactors).
Las ventajas de los reactores discontinuos incluyen una mayor exibilidad con sistemas de productos variables y con un menor riesgo de contaminación o mutación celular, debido a un periodo de crecimiento relativamente breve con una menor inversión de capital en comparación con los procesos continuos para el mismo volumen de biorreactor.
Balance de masas para reactores discontinuos
Se supone que el reactor discontinuo está bien agitado con una distribución uniforme de la concentración en todo el reactor (slideshare.net/signtoxic/bioreactors). Por lo tanto,
d(VC)/dt = Q in .C in - Q out.C out + R.V Donde d(VC)/dt = Tasa
de acumulación de masa en el volumen de control Q in = tasa de
entrada al sistema Q out = tasa de salida del sistema C =
Concentración de la corriente/sustrato
R = Velocidad de reacción V = Volumen de la
corriente/sustrato Las velocidades de entrada y
salida de la corriente son cero Q in - Q out = 0
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32 LA REVISTA SCITECH VOL. 01 NÚMERO 06 JUNIO 2014
El balance de materia de este reactor da:
d(VC)/dt = Qin.Cin - Qout.Cout + R.V
Si el volumen del reactor es constante y las tasas de flujo de entrada y salida son las mismas, entonces
d(C)/dt = 1/τ ( Cin - Cout + R)
Este parámetro τ = V/Q en él se denomina tiempo medio de residencia del CSTR.
El estado estacionario del CSTR se describe estableciendo la derivada del tiempo en la expresión, d(VC)/dt = 0
Q in. C in - Qout. Cout + R.V= 0 La conversión del reactivo 'X'
se denota para un CSTR en estado estacionario como sigue: X = (Qin. C
in - Qout. Cout) / Q in .C in
Proceso de alimentación por lotes
El proceso utiliza una combinación de reacciones por lotes y continuas. En este proceso se añaden progresivamente nutrientes adicionales al reactor a medida que las biorreacciones están en marcha para obtener mejores rendimientos y una mayor selectividad junto con el control de la temperatura de reacción (slideshare.net/signtoxic/bioreactors). Los productos se recogen al final del ciclo de producción como en un biorreactor discontinuo (Abbott M.S.R et.al, 2013). Los reactores semilotes son más estables y realizan operaciones más seguras que en un reactor discontinuo.
Figura Biorreactor de alimentación6. por lotes (Abbott M.S.R. et.al,
Biorreactores para fines especiales
Reactor de flujo de tapón
Los reactores plug ow también se denominan reactores tubulares o piston ow. Se trata de un recipiente, a través del cual el ow es continuo y unidireccional en estado estacionario. En un reactor tubular ideal, los fluidos se mueven como si fueran tapones o pistones sólidos, y el tiempo de reacción es el mismo para todo el material que se mueve en cualquier sección transversal del tubo. La hipótesis es que el uid ow como tapones o pistones en un reactor tubular con un tiempo de reacción idéntico a lo largo de la sección transversal del reactor. La concentración de sustratos y microorganismos varía a lo largo del reactor. Los reactores tubulares son funcionalmente similares a los reactores por lotes, ya que proporcionan una alta fuerza motriz inicialmente; ésta se reduce a medida que la reacción continúa a lo largo de los tubos. (Universidad Técnica Nacional de Atenas, 2008).
El ow del fluido en los tubos de pequeño diámetro puede ser laminar para los líquidos altamente viscosos y turbulento para los gases. El régimen de ow turbulento para su
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Cambio en la concentración
Flujo
inuencia en la mezcla y la transferencia de calor es una opción preferida. La tasa de transferencia de calor puede optimizarse utilizando tubos de mayor o menor diámetro dispuestos en paralelo. Sin embargo, el control de la temperatura y el calor puede dar lugar a gradientes de temperatura no deseados y cuyo mantenimiento es costoso (Purohit S, 2013).
Tabla: 1 Comparación en función del modo de funcionamiento (Baron G.V, Willaert R.G et. al, 1996)
Modo de funciona miento
Ventajas Desventajas
Lote Equipos sencillos; adecuados para pequeños volúmenes de producción junto con multiproductos exibilidad
Tiempo de inactividad para la carga y la limpieza; las condiciones de reacción cambian con el tiempo Continuo Alta productividad; mejor calidad del producto debido a las condiciones constantes; buena para la cinética Estudios
Requiere un control de la lechada, la longevidad del catalizador es necesaria, la estabilidad de los organismos Operación de semilotes o de lotes alimentados
Control de las condiciones ambientales, por ejemplo, la concentración de sustrato (inhibición), inducción del producto formación; más exible para seleccionar las condiciones óptimas; más frecuentemente utilizado en los procesos biotecnológicos y en la industria ne química
Requiere una estrategia de alimentación, por ejemplo, para mantener constante la temperatura o la concentración de sustrato
Balance de masas para el reactor de flujo de tapón
El flujo de tapón en un tubo es un supuesto de flujo ideal en el que el fluido estábien mezclado en las direcciones radiales. Se supone que la velocidad del fluido es una función de la posición axial en el tubo.
Disco delgado de área, Ac y longitud, dz
Figura 7. Reactor plug ow - representación gráfica (Agomuoh P.K,
Considerando las áreas de la sección transversal del reactor como 'A c' y un disco delgado con espesor innitesimal '∆z' para el elemento de volumen del reactor, el balance de materiales para el elemento de volumen es el siguiente:
d(VC)/dt = Q in z. C in - Qout z+∆ z. C out + R. ∆V
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otros combustibles sintéticos que son ambientalmente mucho más ventajosos que los combustibles derivados del petróleo (Soccol C.R et.al, 2013). Estos son particularmente útiles para el cultivo de raíces peludas de las células vegetales. Aunque la construcción de las columnas de burbujas es sencilla, el diseño eficiente y el escalado requieren una mejor comprensión de la multifase La dinámica de los fluidos y sus influencias. Su diseño depende de los tres fenómenos principales, es decir, el calor, la transferencia de masa y las características de la mezcla y la cinética química del sistema de reacción (Borakh K.O.U, 2004) Las columnas de burbujas industriales suelen funcionar con una relación longitud/diámetro de al menos (25.5Borakh K.O.U, 2004)
Biorreactor de transporte aéreo (ALB)
El biorreactor Airlift, también conocido como reactor de torre, utiliza la expansión de gas comprimido para la mezcla. Los ALB pueden utilizarse tanto para células libres como inmovilizadas y son adecuados para bacterias, levaduras, hongos, plantas y células animales. En estos reactores, el volumen de fluido se divide proporcionando un tubo de tiro interior para mejorar la circulación y la transferencia de oxígeno e igualar las fuerzas de cizallamiento en el reactor (Veera U.P & Joshi J.B, 1999). El aire sube por el tubo ascendente, formando burbujas, y el gas de escape se libera por la parte superior de la columna. A continuación, el líquido desgasificado sale por el tubo descendente y el producto se vacía por el fondo del tanque. El tubo del downcomer puede diseñarse para que sirva de intercambiador de calor interno, o puede añadirse un intercambiador de calor a un bucle de circulación interno (Christi M.Y, 1989). La aspersión se realiza dentro o fuera del tubo de bajada. En ausencia de agitación, el reactor requiere poca energía, lo que lo convierte en un sistema energéticamente eficiente. Los ALBs han incrementado la transferencia de masa ya que se consigue una mayor solubilidad del oxígeno en grandes tanques con un ow controlado y una mezcla eficiente con un buen tiempo de residencia (Bailey & Olis, 1986).
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Figura Reactor Airlift9. (Siegel M.H & Robinson C.W, 1992).
Biorreactores de lecho compacto
Los reactores constituyen necesariamente un lecho de empaquetamiento, hecho de polímero, cerámica, vidrio, material natural, y disponible en una variedad de formas y tamaños que permite que los uidos pasen de un extremo a otro. El biocatalizador
inmovilizado se empaqueta en la columna y se alimenta con nutrientes desde arriba o desde abajo. El fluido compuesto por nutrientes disueltos y sustrato fluye a través del lecho sólido. El fluido a velocidad y el tiempo de permanencia se controlan para aumentar o disminuir
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contacto del sustrato con el lecho. El compartimento del lecho empacado situado fuera o dentro del depósito del medio (metal.ntua.gr/).
Figura Reactor de lecho compacto10. (Siegel M.H & Robinson C.W,
Los lechos empacados pueden funcionar en modo sumergido (con o sin aireación) o en modo de goteo. Las velocidades de flujo en los canales pueden ser altas para eliminar la limitación de la transferencia de masa externa en el lm líquido adyacente. Simultáneamente, se puede evitar el taponamiento, aunque a costa de una elevada caída de presión (Wang G et.al, 1992). Entre las propiedades no deseadas de estos reactores se encuentran el mal control de la temperatura, los gradientes de calor, las reacciones secundarias no deseadas y la dificultad para sustituir el catalizador. También sufren bloqueos y una mala transferencia de oxígeno. Los cambios en la porosidad del lecho durante el funcionamiento alteran las características de estos reactores. Se utilizan generalmente en la ingeniería de aguas residuales.
Reactor de lecho fluidizado
Los reactores de lecho fluidizado (FBR) constituyen un lecho empacado con partículas de menor tamaño. De este modo, se evitan los problemas de obstrucción, alta caída de presión del líquido, canalización y compactación del lecho en comparación con los reactores de lecho compacto. Estos reactores funcionan en estado continuo con una mezcla de partículas uniforme y gradientes de temperatura. En estos reactores, las células son pequeñas partículas inmovilizadas que se mueven con el líquido. El menor tamaño de las partículas facilita una mayor tasa de transferencia de masa, de oxígeno y de nutrientes a las células. La concentración del biocatalizador puede ser significativamente mayor y se pueden superar las limitaciones de lavado de los sistemas de células libres (Gibilaro L.G, 2001). En este reactor, el área de la sección transversal se expande cerca de la parte superior para reducir la velocidad supercial del líquido uidizante a un valor inferior a la velocidad terminal de las partículas para evitar la elutriación. La eficacia del reactor de lecho fluidizado depende de la fijación de las partículas que se mantienen en suspensión gracias a la velocidad ascendente del líquido a tratar. Las partículas se denominan a menudo portadores de biolitos y son, o bien núcleos inertes sobre los que se crea la biomasa por adhesión celular, o bien partículas porosas en las que queda atrapado el biocatalizador (autoinmovilización).
Los reactores uidizados funcionan en co-corriente con líquido como fase continua. Por lo general, la uidización se obtiene mediante la recirculación externa de líquido o mediante la alimentación de gas al reactor. Algunas de las propiedades indeseables de los FBR son el aumento del tamaño del recipiente del reactor, los requisitos de bombeo y la caída de presión, el arrastre de partículas, la erosión de los componentes internos, la pérdida de presión, etc.
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