Bioreactores:Bioreactores:
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 UnaUna fermentación es un procesoes un proceso biológicobiológico oobioproceso que consiste en labioproceso que consiste...
BiorreactoresBiorreactores
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BiorreactorBiorreactor El proceso debe ser llevado a cabo con:El proceso debe ser llevado a cabo con:EconomíaEconomíaAl...
Biorreactor: cultivosBiorreactor: cultivos La cinética biológica depende de lasLa cinética biológica depende de lascaract...
Cinética de crecimientoCinética de crecimiento Velocidad de crecimiento:Velocidad de crecimiento:CambioCambio en elen el...
Curva de crecimiento microbianoCurva de crecimiento microbiano 4 fases4 fases Distinta para cadaDistinta para cadamicroo...
Fase de latencia o lagFase de latencia o lag Fase deFase de adaptaciónadaptación a las condicionesa las condicionesambien...
Fase exponencialFase exponencial Duplicación celularDuplicación celular ActividadActividad metabólicametabólica Estado ...
Fase estacionariaFase estacionaria ElEl número de células viables es igualnúmero de células viables es igualnúmero de cél...
Fase de muerteFase de muerte LaLa muerte celularmuerte celular se vuelve exponencialse vuelve exponencialAutolisis bacte...
Cinética de crecimientoCinética de crecimiento
Biorreactor: objetivosBiorreactor: objetivos Mantener lasMantener las células uniformementecélulas uniformementedistribui...
Parámetros a controlarParámetros a controlar Temperatura:Temperatura:Afecta el crecimiento del cultivo deAfecta el creci...
Parámetros a controlarParámetros a controlar pHpH El rango normal de acidez es deEl rango normal de acidez es de 2,0 ≥ p...
Parámetros a controlarParámetros a controlar EspumaEspumaDensas y jabonosas : productos oxidadosDensas y jabonosas : pro...
Tipos de biorreactoresTipos de biorreactores Reactor de tanqueReactor de tanqueagitado:agitado:Más utilizadosMás utiliza...
CaracterísticasCaracterísticas Agitación continuaAgitación continua Inyección de aire por la parte inferiorInyección de ...
 Sistema de agitación:Sistema de agitación: Generar laGenerar la potenciapotencia necesaria paranecesaria para producirp...
Componentes sistema de agitaciónComponentes sistema de agitaciónEje de transmisiónde potencia RotorMotor en pedestal
Reactor “air lift”Reactor “air lift” La agitación la entrega elLa agitación la entrega elaire proporcionadoaire proporcio...
Modos de operaciónModos de operación Quimiostato o cultivo continuoQuimiostato o cultivo continuoSe mantiene por un tiem...
 Pasos:Pasos: Cargarse con ínóculo de cultivoCargarse con ínóculo de cultivo Agregar medio de cultivo frescoAgregar med...
 En unEn un sistema continuosistema continuo con mezclacon mezclacompleta, lascompleta, las condiciones son uniformescond...
 Este método de cultivo continuo, permiteEste método de cultivo continuo, permitea los organismosa los organismos crecer ...
Cultivo por Lote (Batch)Cultivo por Lote (Batch) ElEl reactor se cargareactor se carga con la especie reactivacon la espe...
 El crecimientoEl crecimiento exponencialexponencial es dees de duraciónduraciónlimitadalimitada A medida que las condic...
VentajasVentajas menor riesgo de contaminaciónmenor riesgo de contaminación flexibilidad operacional cuando losflexibili...
DesventajasDesventajas Improductividad en la operación delImproductividad en la operación delfermentadorfermentadorLos f...
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  1. 1. Bioreactores:Bioreactores:
  2. 2. BiorreactorBiorreactorUn biorreactor es un recipiente o sistemaes un recipiente o sistemaque mantiene un ambienteque mantiene un ambiente biológicamentebiológicamenteactivo.activo. Este proceso puede serEste proceso puede ser aeróbico ooanaeróbicoanaeróbico. Estos biorreactores son. Estos biorreactores soncomúnmentecomúnmente cilíndricoscilíndricos, variando en, variando entamaño desde algunos mililitros hastatamaño desde algunos mililitros hastametros cúbicos y son usualmentemetros cúbicos y son usualmentefabricados enfabricados en acero inoxidableacero inoxidable..
  3. 3.  UnaUna fermentación es un procesoes un proceso biológicobiológico oobioproceso que consiste en labioproceso que consiste en la descomposicióndescomposiciónde la materia orgánica por microorganismosde la materia orgánica por microorganismosfermentadores (fermentadores (bacterias y hongos).bacterias y hongos). UnUn cultivo también es un bioproceso, perotambién es un bioproceso, perogeneralmente se asocia a organismos ogeneralmente se asocia a organismos omicroorganismos superioresmicroorganismos superiores (en orden(en ordenjerárquico) a las bacterias; los cultivos son casijerárquico) a las bacterias; los cultivos son casitodos del Reino Eucariota.todos del Reino Eucariota.
  4. 4. BiorreactoresBiorreactores
  5. 5. BiorreactorBiorreactor Aquí se busca mantener las mejoresAquí se busca mantener las mejorescondiciones ambientales al organismo ocondiciones ambientales al organismo osustancia química.sustancia química. En función de flujos de entrada y salida.En función de flujos de entrada y salida. 3 tipos:3 tipos:Por Lote (Batch)Por Lote (Batch)Lote alimentadoLote alimentadoContinuo o quimiostatoContinuo o quimiostato
  6. 6. Diseño de biorreactoresDiseño de biorreactores Las condiciones ambientales de unLas condiciones ambientales de unbiorreactor tales como flujo de gases (porbiorreactor tales como flujo de gases (porejemplo, oxígeno,ejemplo, oxígeno, nitrógenonitrógeno,,dióxido de carbonodióxido de carbono, etc.),, etc.), temperaturatemperatura,,pHpH,, oxígeno disueltooxígeno disuelto y velocidad dey velocidad deagitaciónagitación o circulación, deben sero circulación, deben sercuidadosamentecuidadosamente monitoreadas ymonitoreadas ycontroladascontroladas..
  7. 7. Diseño de biorreactoresDiseño de biorreactores El cilindro debe ser perfectamente esterilizable yEl cilindro debe ser perfectamente esterilizable ylimpiable.limpiable. Los biorreactores industriales usualmenteLos biorreactores industriales usualmenteempleanemplean bacteriasbacterias u otros organismos simplesu otros organismos simplesque pueden resistir laque pueden resistir la fuerzafuerza de agitación.de agitación. Siendo fáciles de mantener ya que requierenSiendo fáciles de mantener ya que requierensólo soluciones simples desólo soluciones simples de nutrientesnutrientes y puedeny puedencrecer acrecer a grandes velocidadesgrandes velocidades
  8. 8. BiorreactorBiorreactor El proceso debe ser llevado a cabo con:El proceso debe ser llevado a cabo con:EconomíaEconomíaAlto rendimientoAlto rendimientoMenor tiempo posibleMenor tiempo posible
  9. 9. Biorreactor: cultivosBiorreactor: cultivos La cinética biológica depende de lasLa cinética biológica depende de lascaracterísticas intrínsecas del organismocaracterísticas intrínsecas del organismoo del cultivo:o del cultivo:Crecimiento celularCrecimiento celularVelocidad de crecimientoVelocidad de crecimiento
  10. 10. Cinética de crecimientoCinética de crecimiento Velocidad de crecimiento:Velocidad de crecimiento:CambioCambio en elen el número de célulasnúmero de células o en la masao en la masacelular en un determinadocelular en un determinado tiempotiempo.. Tiempo de duplicación o generaciónTiempo de duplicación o generaciónTiempoTiempo necesarionecesario para que unapara que una poblaciónpoblación sesedupliquedupliqueVaría entre cada microorganismoVaría entre cada microorganismo
  11. 11. Curva de crecimiento microbianoCurva de crecimiento microbiano 4 fases4 fases Distinta para cadaDistinta para cadamicroorganismomicroorganismo
  12. 12. Fase de latencia o lagFase de latencia o lag Fase deFase de adaptaciónadaptación a las condicionesa las condicionesambientalesambientales Duración variableDuración variable SeSe sintetizan proteínas y ARNsintetizan proteínas y ARN Duplicación insignificativaDuplicación insignificativa Ocurre cuando se transfiere un inoculoOcurre cuando se transfiere un inoculodesde un medio rico a un medio másdesde un medio rico a un medio máspobre.pobre.
  13. 13. Fase exponencialFase exponencial Duplicación celularDuplicación celular ActividadActividad metabólicametabólica Estado fisiológico más sanoEstado fisiológico más sano Velocidad de crecimiento variableVelocidad de crecimiento variableCondiciones medio ambientalesCondiciones medio ambientalesGenéticaGenética Se alarga hasta que se agotan losSe alarga hasta que se agotan losnutrientesnutrientes
  14. 14. Fase estacionariaFase estacionaria ElEl número de células viables es igualnúmero de células viables es igualnúmero de células muertasnúmero de células muertas Nutriente limitanteNutriente limitante Productos de desechosProductos de desechos
  15. 15. Fase de muerteFase de muerte LaLa muerte celularmuerte celular se vuelve exponencialse vuelve exponencialAutolisis bacterianasAutolisis bacterianas
  16. 16. Cinética de crecimientoCinética de crecimiento
  17. 17. Biorreactor: objetivosBiorreactor: objetivos Mantener lasMantener las células uniformementecélulas uniformementedistribuidasdistribuidas en todo el volumen de cultivo.en todo el volumen de cultivo. MantenerMantener constante y homogénea laconstante y homogénea latemperatura.temperatura. MinimizarMinimizar loslos gradientesgradientes dede concentraciónconcentración dedenutrientesnutrientes.. Mantener elMantener el cultivo purocultivo puro.. Mantener unMantener un ambiente asépticoambiente aséptico.. Maximizar el rendimiento y la producción.Maximizar el rendimiento y la producción. Minimizar el gasto y los costos de producción.Minimizar el gasto y los costos de producción. Reducir al máximo el tiempo.Reducir al máximo el tiempo.
  18. 18. Parámetros a controlarParámetros a controlar Temperatura:Temperatura:Afecta el crecimiento del cultivo deAfecta el crecimiento del cultivo demicroorganismos o celular.microorganismos o celular.Conforme aumenta la temperaturaConforme aumenta la temperaturaPor encima de la temperatura máxima.Por encima de la temperatura máxima.SensoresSensoresLaboratorio: intercambiador de calorLaboratorio: intercambiador de calor
  19. 19. Parámetros a controlarParámetros a controlar pHpH El rango normal de acidez es deEl rango normal de acidez es de 2,0 ≥ pH ≤ 10,0.2,0 ≥ pH ≤ 10,0. El pH es controlado por el metabolismo celular.El pH es controlado por el metabolismo celular. Levadura: 3,5-5,5Levadura: 3,5-5,5 Bacterias 6,0 y 7,5Bacterias 6,0 y 7,5 Equipos:Equipos: Condensador de acidezCondensador de acidez Condensador de alcalinoCondensador de alcalino Bombas peristálticas con mangueras de siliconasBombas peristálticas con mangueras de siliconas
  20. 20. Parámetros a controlarParámetros a controlar EspumaEspumaDensas y jabonosas : productos oxidadosDensas y jabonosas : productos oxidadosProblemas funcionalesProblemas funcionalesContaminación del cultivoContaminación del cultivoNo se pueden realizar bien las medicionesNo se pueden realizar bien las mediciones Solución:Solución:AntiespumanteAntiespumanteControladorControladorsensorsensor
  21. 21. Tipos de biorreactoresTipos de biorreactores Reactor de tanqueReactor de tanqueagitado:agitado:Más utilizadosMás utilizadosConfiablesConfiablesSistema de agitaciónSistema de agitaciónmecánicamecánica
  22. 22. CaracterísticasCaracterísticas Agitación continuaAgitación continua Inyección de aire por la parte inferiorInyección de aire por la parte inferiorBurbujas: difusión de oxígenoBurbujas: difusión de oxígeno Contiene vanos de flectores:Contiene vanos de flectores:Mejor mezcladoMejor mezclado Sistema de calor por fueraSistema de calor por fuera
  23. 23.  Sistema de agitación:Sistema de agitación: Generar laGenerar la potenciapotencia necesaria paranecesaria para producirproducir unaunamezcla perfectamezcla perfecta para el sistema de cultivopara el sistema de cultivo MaximizarMaximizar lala difusión de gasesdifusión de gases en el líquido yen el líquido yminimizar la producción de esfuerzos cortantes y laminimizar la producción de esfuerzos cortantes y lapresión hidrodinámica local y global, para optimizarpresión hidrodinámica local y global, para optimizarlos fenómenos de transferencia de momentum, calorlos fenómenos de transferencia de momentum, calory masa.y masa.
  24. 24. Componentes sistema de agitaciónComponentes sistema de agitaciónEje de transmisiónde potencia RotorMotor en pedestal
  25. 25. Reactor “air lift”Reactor “air lift” La agitación la entrega elLa agitación la entrega elaire proporcionadoaire proporcionado
  26. 26. Modos de operaciónModos de operación Quimiostato o cultivo continuoQuimiostato o cultivo continuoSe mantiene por un tiempo indefinidoSe mantiene por un tiempo indefinido Existe unExiste un flujo continuoflujo continuo de reactivos frescos hacia elde reactivos frescos hacia elreactor y elreactor y el producto fluyeproducto fluye continuamente hacia fuera.continuamente hacia fuera.Se compone de:Se compone de:Un reactor con un volumen de cultivo constanteUn reactor con un volumen de cultivo constanteEntrada de nutrientes constanteEntrada de nutrientes constanteSalida biomasaSalida biomasa
  27. 27.  Pasos:Pasos: Cargarse con ínóculo de cultivoCargarse con ínóculo de cultivo Agregar medio de cultivo frescoAgregar medio de cultivo fresco Lavar (flujo de salida)Lavar (flujo de salida) Mantener el volumen constanteMantener el volumen constanteUna vez que el sistema alcanza el equilibrio, elUna vez que el sistema alcanza el equilibrio, elnúmero de células y la concentración denúmero de células y la concentración denutrientes en la cámara permanecennutrientes en la cámara permanecenconstantes, y entonces seconstantes, y entonces se dice que el sistemadice que el sistemaestá en estado estacionarioestá en estado estacionario, con las células, con las célulascreciendo exponencialmente.creciendo exponencialmente.
  28. 28.  En unEn un sistema continuosistema continuo con mezclacon mezclacompleta, lascompleta, las condiciones son uniformescondiciones son uniformesen todo el reactor, en un equilibrio deen todo el reactor, en un equilibrio demezcla de nutrientes, organismos ymezcla de nutrientes, organismos yproductos.productos. LaLa alimentaciónalimentación del sistema es mediodel sistema es medionutrientenutriente libre de organismoslibre de organismos y, eny, enalgunos casos, unalgunos casos, un inóculo de organismosinóculo de organismosreciclados.reciclados.
  29. 29.  Este método de cultivo continuo, permiteEste método de cultivo continuo, permitea los organismosa los organismos crecer en condicionescrecer en condicionesde estado estacionariode estado estacionario, en las que el, en las que elcrecimiento ocurre a unacrecimiento ocurre a una velocidadvelocidadconstante y en un medio ambienteconstante y en un medio ambienteconstante.constante.
  30. 30. Cultivo por Lote (Batch)Cultivo por Lote (Batch) ElEl reactor se cargareactor se carga con la especie reactivacon la especie reactivay, a medida que procede la reacción,y, a medida que procede la reacción,cambian las condicionescambian las condiciones en el reactor alen el reactor alconsumirse los reactivos yconsumirse los reactivos y formarse losformarse losproductos.productos. Cuando se ha alcanzado el nivel deseadoCuando se ha alcanzado el nivel deseadode reacción,de reacción, se vacía el reactor,se vacía el reactor, se limpiase limpiay el proceso se repite.y el proceso se repite.
  31. 31.  El crecimientoEl crecimiento exponencialexponencial es dees de duraciónduraciónlimitadalimitada A medida que las condicionesA medida que las condicionesnutricionales cambian,nutricionales cambian, la velocidad dela velocidad decrecimiento disminuyecrecimiento disminuye y se entra en lay se entra en lafase de deceleración, seguida de la fasefase de deceleración, seguida de la faseestacionaria, donde el crecimiento globalestacionaria, donde el crecimiento globalno se obtiene, por falta de nutrientes.no se obtiene, por falta de nutrientes.
  32. 32. VentajasVentajas menor riesgo de contaminaciónmenor riesgo de contaminación flexibilidad operacional cuando losflexibilidad operacional cuando losfermentadores se utilizan para distintosfermentadores se utilizan para distintosproductosproductos control más cercano de la estabilidadcontrol más cercano de la estabilidadgenética del organismogenética del organismo una mejor coordinación con estadios deluna mejor coordinación con estadios delproceso entre lotes previos y posteriores.proceso entre lotes previos y posteriores.
  33. 33. DesventajasDesventajas Improductividad en la operación delImproductividad en la operación delfermentadorfermentadorLos fermentadores deben ser vaciados,limpiados, esterilizados y recargados antesde cada fermentación, operaciones todasesenciales pero no productivas.En un proceso continuo, por el contrario, unacorrida puede durar semanas o meses, esdecir que el tiempo no productivo es, enproporción, pequeño

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