Reporte practica 1 biorreactores

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE
BIOTECNOLOGÍA
UNIDAD DE APRENDIZAJE:
LABORATORIO DE BIORREACTORES
REPORTE DE LA PRÁCTICA 1
PRESENTACIÓN DE BIORREACTORES DIVERSOS
PROFESORES:
GARCÍA SALAS SERGIO
RANGEL RAMÍREZ JOSÉ LEÓN
GRUPO: 3BM2 FECHA: 11 DE MARZO DEL 2021
INTEGRANTES DEL EQUIPO:
CASTILLO HERNÁNDEZ ITZEL
FRAGOSO JIMÉNEZ DANIELA JAZMÍN
HERNÁNDEZ CASTRO ANDREA D.
HONORATO GARCÍA CAROLINA
LÓPEZ JAIME ANTHONY E.

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Índice
Introducción …………………………………………….……………………………………4
Tipos de operación ………………………………….………………………………5
1.Continuo……………………………………………………………………5
2.Discontinuo………………………...………………………………………6
3.Semicontinuo………………………………………………………………6
1. Biorreactores agitados mecánicamente……………………………...………..7
Características generales …………………………………………………8
Ventajas………………………………………………………..…………….8
Desventajas ………………………………………………….……………..8
Agitadores ………………………………………………….……………….8
Tipos de agitadores…………………………………….…………..9
2. Biorreactores de columna de burbujeo……………………………….……….9
Ventajas …………………………………………………………….………10
Desventajas……………………………………………………….………..10
3. Biorreactores airlif…………………………………………………….…………10
Usos……………………………………………………………..…………..10
4.Reactor de lecho empacado ………………………………………..………….11
5.Reactor de lecho fluido……………………………………………….…………11
Objetivos………………………………………………………………………….…………11
Materiales y métodos………………………………………………………….…………..12
Biorreactores utilizados a nivel laboratorio
Biorreactor de tanque agitado 1……………………………….…..……………..12
Biorreactor de tanque agitado 2……………………………….…..……………..13
Biorreactor de tanque agitado 3…………………………….……..……………..15
Biorreactor de tanque agitado Winpact………………………………………….16
Biorreactor de columna de burbujeo 1…………………………………………..18
Biorreactor de columna de burbujeo 2…………………………………………..19
Planta piloto
Biorreactor de tanque agitado 1………………………………………………….20
Biorreactor de tanque agitado 2………………………………………………….23
Biorreactor de columna 1……………………………………………..…………..25
Biorreactor de columna 2………………………………………………..………..25
Conclusión…………………………………………………………………….……………27
Referencias…………………………………………………………………………………29

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Índice de figuras
Figura 1. Esquema operación continua………………………………………………….5
Figura 2. Esquema operación discontinua…………………………………………..…..6
Figura 3. Esquema operación semicontinua…………………………………………….7
Figura 4. Clasificación de los biorreactores según tipo de agitación. ………………..7
Figura 5. Tanque agitado………………………………………………………………….8
Figura 6. Campos de velocidades en el depósito de agitación con agitación axial
(A) y radial (B)…………………………………………………………………………….…9
Figura 7. Esquema columna de burbujeo……………………………………………...10
Figura 8. Esquema biorreactor airlift …………………………………………..………..11
Figura 9. Esquema de metodologia. ………………………………………………...….11
Figura 10. Biorreactor tanque agitado de 1.9 L……………………………….……….12
Figura 11. Agitadores rushton……………………………………………………………13
Figura 12. Flujo radial ………………………………………………………………..…..13
Figura 13. Biorreactor de tanque agitado (500 cm³)…………………………………..14
Figura 14. Biorreactor tanque agitado (9 L)…………………………………………….15
Figura 15. Biorreactor Winpact ……………………………………………………...….16
Figura 16. Composición de la unidad de control………………………………………16
Figura 17. Partes del biorreactor tanque agitado con una capacidad de 5 litros…..16
Figura 18. Biorreactor de columna………………………………………………………18
Figura 19. Biorreactor de columna (700 cm³ )………………………………………….19
Figura 20. Biorreactor tanque agitado (15 L )………………………………………….20
Figura 21. Boquillas……………………………………………………………………….21
Figura 22. Tubería de drenado…………………………………………………………..21
Figura 23. Compresor…………………………………………………………………….21
Figura 24. Filtro absoluto ………………………………………………………………...21
Figura 25. Interior del tanque…………………………………………………………….21
Figura 26. Diagrama de esterilización. …………………………………………………22
Figura 27. Entradas para inóculo y toma de muestra. ………………………………..22
Figura 28. Sello de vapor. ………………………………………………………………..23
Figura 29. Vista completa biorreactor tanque agitado (75 L)…………………………23
Figura 30. Agitadores rushton……………………………………………………………24
Figura 31. Flujo radial…………………………………………………………….……….24
Figura 32. Entradas del biorreactor. …………………………………………………….25
Figura 33. Biorreactor de columna……………………………………………..………..25
Figura 34. Biorreactor de columna………………………………………………………26
Figura 35. principales instrumentos de medición en un biorreactor………..………..27
Tabla 1. Diferencias entre biorreactores de planta piloto y laboratorio ……………..28

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Introducción
Un biorreactor puede ser considerado como el corazón de los procesos
biotecnológicos ya que en él se lleva a cabo el proceso de transformación, de él
dependerá el éxito o fracaso del proceso.
Un reactor es el dispositivo (recipiente) donde ocurre un cambio en la composición
debido a una reacción química.
Están diseñados para maximizar la conversión y selectividad de la reacción con el
menor costo, tiempo, y mayor eficiencia posibles.
Entre las principales funciones del reactor se encuentran:
● Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la
reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los
aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.
● Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el
catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción.
● Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la
reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los
aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.
Conociendo el concepto de reactor se puede definir al biorreactor como un recipiente
o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo, en el que se lleva a cabo
la transformación de una materia prima a un producto de interés mediante una
biorreacción catalizada por un compuesto de naturaleza bioquímica (una enzima,
partes de una célula o la célula completa). el biorreactor debe proveer y mantener las
condiciones físicas y ambientales que aseguren la velocidad óptima de la
biorreacción.
Entre los propósitos de un biorreactor se encuentran:
● Crecimiento eficáz
● Formación de productos
● Bioconversión de un compuesto mediante enzimas
● Degradación de residuos
Un biorreactor debe cumplir los siguientes objetivos
● Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
● Mantener constante y homogénea la temperatura.
● Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
● Prevenir la sedimentación y la floculación.
● Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.
● Mantener el cultivo puro.
● Mantener un ambiente aséptico.
● Maximizar el rendimiento y la producción.
● Minimizar el gasto y los costos de producción.

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● Presentar altas velocidades de transferencia de masa, momento y calor, a bajo
costo o con economía aceptable.
● Reducir al máximo el tiempo.
● Debe mostrar una buena calidad de mezclado, incluyendo un tiempo de
● mezcla y un patrón de flujo que favorezcan la distribución homogénea de la
● materia prima como su conversión a producto.
Los procesos biotecnológicos pasan por tres escalas de operación: laboratorio, planta
piloto e industrial, dependiendo la escala y uso del biorreactor cuentan con distintas
características.
Existen varias clasificaciones para los biorreactores, una de ellas se basa en el tipo
de operación, clasificándolos en continuos, discontinuos y semicontinuos (lotes).
1.-Continua: Se caracteriza porque el medio de cultivo se alimenta continua y
homogéneamente al biorreactor y debe ser constante para lograr un estado
estacionario es decir las variables de reacción y los parámetros de control
permanecen constantes a través del tiempo; como resultado de lo anterior, se logra
una productividad y una salida constantes.
El volumen se mantiene constante. Lo que entra es igual a lo que sale.
Las ventajas de la operación continua son:
● Grandes posibilidades para la mecanización y la automatización
● Bajos costos, ya que no se presentan períodos de tiempo no productivos
dedicados a la descarga, carga y esterilización
● La calidad del producto es constante puesto que las condiciones de operación
permanecen invariables
● Menor desgaste y maltrato de los instrumentos en la esterilización.
Las desventajas de la operación continua son:
● Poca versatilidad puesto que sólo es posible efectuar ligeros cambios en las
variables de proceso (homogeneidad, composición del medio, concentración
de oxígeno, temperatura),
● Elevados costos de inversión, debidos principalmente a los equipos de control
y automatización y a la esterilización continua del medio,
● Alto riesgo de contaminación y de mutación de los microorganismos debido a
los largos períodos de cultivo.
Figura 1. Esquema operación continua.

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2.-Discontinuos: Se caracteriza por la inoculación de un medio de cultivo estéril con
microorganismos, por un período específico de reacción. Durante este tiempo, se
alteran las concentraciones de células, sustrato (fuente de carbono, sales, nutrientes,
vitaminas, etc.) y producto, la reacción no es estacionaria.
Conocido también como BATCH.
No hay entrada ni salida
Las ventajas de una operación por lotes son:
● Bajo costo de inversión
● Gran flexibilidad puesto que el biorreactor se usa para la producción de varias
sustancias y especificaciones de producto
● Altos niveles de conversión como resultado de un período de cultivo bien
definido
● Menor riesgo de infecciones y mutación celulares debido a los períodos
relativamente cortos de cultivo.
Las desventajas de una operación de este tipo son:
● Tiempo muerto
● Los instrumentos se desgastan por la constante esterilización
● Ensuciamiento del reactor debido a la preparación de numerosos subcultivos
para inóculo
● Ya que se requiere un control adecuado y estricto del proceso no estacionario,
existen costos mayores.
Este tipo de operación se recomienda cuando:
● Se trata pequeñas cantidades de producto,
● El biorreactor se reutiliza en varias producciones,
● Cuando existe una fácil contaminación
Figura 2. Esquema operación discontinua.
3.-Semicontinuos:Se puede considerar una combinación entre los tipos descritos
con anterioridad. Se inicia el biorreactor como si se tratara de un proceso por lotes y
cuando el sustrato que limita el crecimiento (por lo general la fuente de carbono) se
consuma, se alimenta al reactor hasta alcanzar su capacidad máxima. No es un
proceso estacionario.
Las ventajas de la operación semicontinua son:
● Alto grado de flexibilidad

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● Método de operación semiestacionario, aun en el caso de microorganismos
con ligero riesgo de mutación e infección
● Altos rendimientos, como resultado de un tiempo de cultivo bien definido (en la
operación semicontinua no se añaden ni se retiran células durante el período
de cultivo; por esta razón el reactor opera por lotes siempre y cuando existan
los microorganismos de interés),
● Se pueden optimizar las condiciones ambientales de los microorganismos para
mejorar la fase de crecimiento, la fase productiva y la edad del cultivo.
Las desventajas de este proceso son:
● El tiempo muerto
● Los altos costos de operación
● El gran riesgo para el personal de servicio, de contacto con microorganismos
patógenos o productos tóxicos
● El mayor desgaste de los instrumentos por su esterilización más frecuente.
Figura 3. Esquema operación semicontinua
Otra clasificación de los biorreactores es por el tipo de agitación
Figura 4. Clasificación de los biorreactores según tipo de agitación.
1.- Biorreactores agitados mecánicamente: puede operar en modo continuo o
discontinuo. Está agitado por palas e, idealmente, las condiciones del medio son las
mismas en cualquier punto del biorreactor.

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Características generales:
● Recipientes cilíndricos alargados con una relación altura:diámetro de 2:1 o
mayor. Este diseño permite un mayor tiempo de contacto de las burbujas de
aire con el líquido conforme ascienden.
● La base del tanque se redondea para evitar zonas estancadas.
● Se mantienen homogéneos mediante agitación mecánica.
● Poseen un eje central (flecha) movido por un motor que soporta uno o más
agitadores. Este eje puede estar soportado por la parte superior o desde el
fondo del reactor.
● Con deflectores (baffles) para mantener la turbulencia y favorecer el mezclado
e impedir la formación de vórtex.
● Con agitadores en la parte superior que rompen la espuma (separador de
espuma).
● Dispone de intercambiadores de calor de chaqueta (una camisa externa) a
través de la cual circula vapor (para la esterilización) o agua (para
enfriamiento). En fermentadores de gran tamaño, la camisa externa no es
suficiente y se deben instalar serpentines internos.
Ventajas
● Versátiles,pueden funcionar como cultivo batch, continuo o batch alimentado.
● Muy empleado en todas las escalas de producción
Desventajas
● Altos costos de construcción, operación y mantenimiento.
● No es posible construir unidades mayores a los 300 m3 (por las limitaciones
técnicas referentes a la transmisión de potencia y sostenimiento del conjunto
"flecha de transmisión - impulsores)
Figura 5. Tanque agitado
Agitadores: En cultivo aerobios, es necesario asegurar la transferencia de oxígeno,
por lo cual el gas (aire estéril) ingresa al reactor por debajo del agitador y al ser
golpeado por las paletas se divide en miles de burbujas pequeñas.

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La agitación es necesaria para:
● Mantener las células en suspensión.
● Disminuir el tamaño de burbujas, aumentado el área interfacial G-L (aumento
del kLa).
● Dispersar las burbujas de aire en el seno del líquido.
● Aumentar el tiempo de retención de las burbujas de aire en el seno del líquido.
● Impedir la formación de agregados celulares.
● Eliminar gradientes de concentración de nutrientes.
● Mejorar la transferencia de calor (para mantener T= cte).
Tipo de agitadores
● Agitadores de flujo axial: Los agitadores de flujo axial son aquellos que
generan corrientes paralelas al eje del agitador. En este tipo de agitadores los
impulsores más usuales son las hélices marinas, las hélices de perfil alabeado
y las turbinas de palas planas inclinadas. Se suelen usar para fluidos viscosos.
● Agitadores de flujo radial: Los impulsores de flujo radial generan
principalmente un flujo perpendicular al eje del agitador y al encontrarse con la
pared del recipiente, se desvía hacia arriba y hacia abajo originando una
importante turbulencia. Los más representativos son los agitadores de palas
planas.
Figura 6. Campos de velocidades en el depósito de agitación con agitación axial
(A) y radial (B)
2.- Biorreactores de columna de burbujeo:
Reactores sin agitación mecánica, para lograr mezclar o agitar el líquido de reacción
se inyecta aire desde el fondo del recipiente el cual se dispersa en burbujas y asciende
a través del líquido causando turbulencia. El mezclado se logra por el movimiento del
gas a través del líquido. Se colocan placas horizontales perforadas a lo largo de la
columna (a intervalos) para mejorar la transferencia de oxígeno (cuando se trabaja
con líquidos..)

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Ventajas
● Estructura sencilla.
● Bajo costo.
● Bajo esfuerzo de corte.
● Adecuado transferencia de materia y calor.
Desventajas
● Retromezclado del líquido, lo cual puede conducir a una menor conversión.
● Un excesivo retromezclado puede limitarse modificando el diseño (aditamento
de baffles).
Figura 7. Esquema columna de burbujeo
3.- Biorreactores airlift: Consiste en dos cilindros concéntricos, la agitación se logra
por inyección de aire.
El gas (aire) es inyectado en la columna interior y circula a través del tubo
concéntrico interno en forma ascendente (al igual que el líquido), el gas sale por la
parte superior, dejando el líquido más pesado, libre de burbujas, que recircula en
forma descendente por el espacio exterior.
La densidad del fluido es menor en la zona ascendente, la que recibe el gas, respecto
a la zona descendente. Esta diferencia de densidad del líquido en las dos columnas,
genera una circulación de líquido ascendente en el compartimento interno y
descendente en el externo.
Usos
Por el bajo esfuerzo de corte, se usa para cultivo de células animales (frágiles), para
la producción de proteínas biofarmacéuticas, con catalizadores inmovilizados, etc.
Bajo costo de operación

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Figura 8. Esquema biorreactor airlift
4.- Reactor de lecho empacado: El biocatalizador (célula o enzima) está unido a un
soporte, a través del cual pasa el sustrato. Consiste en un tubo vertical, relleno o
empaquetado con partículas de catalizador.
Se produce la conversión del S en P a medida que el líquido fluye a través
del sistema. La solución de Sustrato puede alimentarse por la parte superior o inferior
de la columna.
5.- Reactor de lecho fluido: El biocatalizador está suspendido en el fluido (enzimas
inmovilizadas, o flóculos microbianos). El biocatalizador se mantiene en suspensión
por las corrientes de líquido que circula en dirección ascendente y las fuerzas
gravitacionales evitan que sean arrastradas. Puede ser burbujeado con aire en caso
de cultivos aerobios, lo que aumenta la agitación.
Objetivo
Identificar y describir los diferentes tipos de biorreactores y sus partes componentes
tales como sistema de introducción de la energía para agitación del líquido, puertos
para los distintos tipos de electrodos, puertos para adición de líquidos o gases,
puertos para carga, descarga y toma de muestra, así como la forma en que se operan,
controlan, esterilizan, limpian, etcétera.
Diagrama de bloques
Figura 9. Esquema de metodologia.

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Materiales y método
● Biorreactores de la unidad
Consultar y leer en distintas fuentes el tipo de biorreactores que se emplean a nivel
laboratorio, planta piloto e industrial. Mostrará los diversos tipos de biorreactores
de nivel laboratorio y planta piloto con los que cuenta la unidad para que pueda
corroborar los resultados de su búsqueda
Biorreactores utilizados a nivel laboratorio
❖ Biorreactor de tanque agitado 1
Capacidad: 1.904 L
Características geométricas
Cuenta con 4 bafles
Cuerpo constituido de vidrio borosilicato, tapa y componentes de acero
inoxidable.
Relación altura diámetro Menor a 3
Diámetro 10.5 cm
Altura 22 cm
Figura 10. Biorreactor tanque agitado de 1.9 L.
Sistema de carga y descarga
La carga y descarga se realiza por medio de puertos o boquillas ubicadas en
la parte superior del biorreactor. El biorreactor puede ser cargado previo a la
esterilización.
Sistema de agitación del líquido de reacción: agitación mecánica por medio de
magnetismo.
Sistema de aireación
El aire es suministrado por medio de filtros absolutos para su posterior
dispersión por medio de un dispersor tipo dona ubicado en la parte inferior del
biorreactor.
Patrones de flujo del líquido de reacción

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Figura 11. Agitadores rushton Figura 12. Flujo radial
El biorreactor cuenta con dos agitadores tipo Rushton como se muestra en la
Figura 11 por lo que tiene un flujo radial
Sistema de medición de variables de operación
Utilización de electrodos esterilizables al vapor, de pH, redox, oxígeno disuelto
y CO₂. Así como medición de propiedades físicas como la temperatura
(termómetros), presión (manómetros) , poder de agitación, velocidad de
agitación (tacómetros) , viscosidad del medio, flujo (rotámetros) y
concentración de gases y fluidos (electroscopia de masas), espuma (sondas
metálicas) y volumen (sensores de nivel).
Forma de esterilización del biorreactor.
Esterilización en autoclave por calor húmedo (121 °C, 15 libras, 15 minutos)
Dispositivo de toma de muestra y de inoculación
Para la toma de muestra esta se realiza mediante una jeringa, purgando varias
veces para evitar retornos de aire al circuito, y en condiciones asépticas,
colocando un mechero en el área.
La inoculación del biorreactor se hace colocando el inóculo en un matraz, el
cual contará con la boquilla cubierta y con una manguera que con la ayuda de
una bomba peristáltica que adiciona el inóculo por uno de los puertos del
biorreactor.
Capacidad: Aproximada de 500 cm³
Características geométricas : 𝐻𝑇/𝐷𝑇 < 3
4 bafles anclados a la tapa
Cuerpo de vidrio borosilicato y tapa y componentes de acero inoxidable.

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Figura 13. Biorreactor de tanque agitado (500 cm³)
Realizada por medio de los puertos o boquillas ubicados en la parte superior
del biorreactor.
Sistema de agitación del líquido de reacción: Mecánico
Cuenta con un difusor tipo dona, al cual le es administrado aire que pasa por
medio de filtros absolutos.
Patrones de flujo del líquido de reacción : Flujo radial
Sensores de presión, temperatura, ph, oxígeno disuelto, espuma, etc.
conectados a boquillas o puertos de la tapa.
Forma de esterilización del biorreactor
Esterilizable en autoclave por calor húmedo (121 °C, 15 libras, 15 minutos).
Para la toma de muestra esta se realiza mediante una jeringa, purgando varias
veces para evitar retornos de aire al circuito, y en condiciones asépticas,
colocando un mechero en el área.
biorreactor.

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Capacidad:
Volumen 9.057 L
Características geométricas :
cuerpo constituido de vidrio borosilicato, tapa y componentes de
acero inoxidable.
Diámetro 15.5 cm
Altura 48 cm
Figura 14. Biorreactor tanque agitado (9 L)
Sistema de carga y descarga:
Mediante puertos o boquillas ubicados en la tapa del biorreactor.
Sistema de aireación: difusor de aire tipo dona.
Patrones de flujo del líquido de reacción: flujo radial
Sistema de medición de variables de operación: Control de variables mediante
tablero de control o amplificador, que recibe las señales de sensores colocados
por la parte superior del biorreactor por las diferentes boquillas que posee.
Forma de esterilización del biorreactor:
Esterilizable en autoclave por calor húmedo (121 °C, 15 libras, 15 minutos).
Dispositivo de toma de muestra y de inoculación:
La toma de muestras se realiza mediante una jeringa, purgando varias veces
para evitar retornos de aire al circuito, y en condiciones asépticas, colocando
un mechero en el área.
biorreactor.

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❖ Biorreactor de tanque agitado Winpact
Figura 15. Biorreactor Winpact
Figura 16. Composición de la unidad de control
Figura 17. Partes del biorreactor tanque agitado con una capacidad de 5
litros.

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Capacidad: 5 Litros aproximadamente.
Reactor
Volumen aproximado 5 Litros
Material Vidrio de borosilicato /
acero inoxidable para
placa de cabeza y todos
los accesorios
Unidad de control
Huella 40 cm x 50 cm
Altura 74 cm
Se cuenta con bombas peristálticas programables y asignables incorporadas
para antiespumante, sustratos, ácido y base (estos dos últimos para el control
de pH). Conexiones en la unidad de control para electrodos de Ph/DO,
espuma, motor, temperatura, entre otros, los cuales se introducen por la
cabeza del biorreactor.
El biorreactor dispone de un caudal de entrada y salida del aire, en ellos se
incorporan filtros absolutos para asegurar la introducción de aire esteril. Dentro
del recipiente de vidrio, se encuentran deflectores de acero inoxidable, los
cuales cumplen la función de evitar el vortex y crear turbulencia.
Los vortex o vórtices, son formados por la fuerza centrífuga creada por los
impulsores en un tanque agitado de estructura cilíndrica, esto es
contraproducente, ya que en ellos se introduce gas o aire en el líquido que se
está mezclando y esto puede ser indeseado para el material en cuestión.
Existe un flujo radial derivado de los impulsores tipo Rushton.
Incorpora un sistema de termostato con el fin de monitorear la temperatura.
Dispone de dos opciones de manejo del biorreactor, un proceso automático, el
cual permite configurar el control del biorreactor y un proceso manual para

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ejecutar parámetros individuales de forma independiente. La agitación, pH,
temperatura y espuma son medidos de forma manual o programable.
La esterilización se lleva a cabo en una autoclave.
Las tomas de muestra se toman de forma estéril por los puertos localizados en
la parte superior del biorreactor.
❖ Biorreactor de columna de burbujeo 1
Capacidad:
Volumen nominal 14.1371 L
Volumen de operación 7 L
Características geométricas:
Cuerpo de vidrio borosilicato, así como acero inoxidable para placa
de cabeza y todos los accesorios.
Relación altura diámetro Mayor a 3
Diámetro 15 cm
Altura 80 cm
Figura 18. Biorreactor de columna
Se cuenta con bombas peristálticas programables y asignables incorporadas
para antiespumante, sustratos, ácido y base (estos dos últimos para el control
de pH). Conexiones en la unidad de control para electrodos de Ph/DO,
espuma, motor, temperatura, entre otros, los cuales se introducen por la
cabeza del biorreactor.
Sistema de agitación del líquido de reacción: Neumático
Sistema de aireación: Difusor de vidrio sinterizado
Patrones de flujo del líquido de reacción: forma circular formando celdas cuya
altura es igual al diámetro del tanque.
Sistema de medición de variables de operación:
Forma de esterilización del biorreactor: Mediante autoclave por calor húmedo
(121°C, 15 libras, 15 min)

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Dispositivo de toma de muestra e inoculación
Para el sistema de toma de muestra e inoculación se cuenta con boquillas tipo
Ingold
❖ Biorreactor de columna 2
Capacidad:
Volumen 0.7657 L
Diámetro 5 cm
Altura 39 cm
Figura 19. Biorreactor de columna (700 cm³ )
La carga se realiza por la parte superior del biorreactor
Sistema de aireación: Difusor de vidrio sinterizado
Patrones de flujo del líquido de reacción: forma circular formando celdas cuya
altura es igual al diámetro del tanque.
Esterilización de biorreactores a nivel laboratorio
La esterilización se efectúa con calor húmedo el cual desnaturaliza las proteínas y
enzimas microbianas. Para llevarse a cabo es necesaria una fuente de vapor
saturado.
A nivel laboratorio, la esterilización de volúmenes no muy grandes se realiza en
autoclaves.
Como ya sabemos, una autoclave es un recipiente metálico hermético, cilíndrico,
vertical u horizontal, preparado para trabajar con presión interna. La presión es
necesaria para poder trabajar a más de 100ºC utilizando vapor de agua como medio
de calefacción. El vapor a presión puede ser generado en el interior mismo de la
cámara o bien puede provenir de una caldera.
El procedimiento para esterilizar el biorreactor, accesorios, medios de cultivos, entre
otros es el siguiente:

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1. Los medios son contenidos en recipientes adecuados y se colocan en
la cámara de la autoclave, junto con el biorreactor y accesorios.
2. Activamos la fuente de calor.
3. Se cierra dejando abierta la válvula localizada en la tapa con el fin de purgar
el aire de la cámara, dentro de ella comienza a generarse el vapor saturado, al
finalizar el purgado el aire, se cierra la válvula.
4. El operador espera a que el sistema llegue a la presión y temperatura de
esterilización. Una vez llegado a los requisitos se mantiene por un tiempo
determinado.
5. Después de haber cumplido el tiempo, se detiene la fuente de calor y se
permite el enfriamiento o caída de la presión hasta que esta marque cero.
Biorreactores utilizados a nivel planta piloto
Capacidad:
Volumen nominal 15.759 L
Diámetro 21 cm
Altura 45.5 cm
Figura 20. Biorreactor tanque agitado (15 L )
Sistema de carga y descarga:
Cuenta con cuatro entradas para inocular, introducir reguladores de pH,
antiespumante e introducir el medio de cultivo como se muestra en la Figura
21.
Para drenar el equipo y recuperar la materia prima cuenta con una tubería por
la parte inferior que se acciona con una válvula

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Figura 21. Boquillas. Figura 22. Tubería de drenado.
El aire proviene de un compresor, pasa a través de un filtro absoluto con un
diámetro de poro de 0.22μ contenido dentro de una carcasa
Figura 23. Compresor Figura 24. Filtro absoluto
Una pequeña tubería transporta el aire hasta el fondo del recipiente donde se
encuentra el difusor (señalado con una flecha roja)
Figura 25. Interior del tanque.

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Patrones de flujo del líquido de reacción:
El biorreactor usualmente usa dos agitadores tipo Rushton, por lo que su flujo
es radial.
Mediante sensores de temperatura, electrodos de pH y CO₂, colocados en
boquilla tipo ingold, además de manómetros ubicados en múltiples puntos de
las tuberías para el control del vapor de agua, presión en el domo del
biorreactor, presión en el tanque de suministro de agua lubricante y el
funcionamiento de la bomba conectada a recirculación.
El proceso de esterilización se lleva a cabo mediante la introducción de vapor
a través de chaquetas. El vapor es introducido por la parte superior de la
chaqueta, mientras la salida es por la parte de abajo permitiendo que el agua
condensada salga con facilidad del proceso.
Figura 26. Diagrama de esterilización.
El procedimiento de inoculación se realiza con mechero encendido y con una
bomba de desplazamiento positivo, se utiliza una de las cuatro entradas con
las que cuenta el biorreactor, se utiliza un matraz conectado a un dispositivo
con salida puntiaguda que perfora el septo.
Figura 27. Entradas para inóculo y toma de muestra.

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El dispositivo de toma de muestra cuenta con un sello
de vapor.
Para tomar la muestra se cierra la válvula superior
(vapor) y se acciona la válvula para la salida del medio
Figura 28. Sello de vapor.
Capacidad:
Volumen nominal 75 L
Volumen de operación 55-60 L
Características geométricas: 𝐻𝑇/𝐷𝑇 < 3
Figura 29. Vista completa biorreactor tanque agitado (75 L)
El sistema de descarga se da mediante válvulas ubicadas en la parte inferior
del biorreactor.

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Figura 30. Agitadores rushton. Figura 31. Flujo radial.
Cuenta con dos agitadores tipo Rushton
Sistema de aireación:
Suministro de aire esteril mediante línea de suministro de aire que contiene
una carcasa que posee un filtro absoluto, de 0.22 micras.
Patrones de flujo del líquido de reacción: Flujo radial.
Medición de múltiples variables (pH, oxígeno disuelto, temperatura, velocidad
de flujo, presión, viscosidad, etc.). mediante sensores que mandan la señal a
un amplificador para que este sea controlado.
Forma de esterilización del biorreactor:
La esterilización se encuentra mediada por la presencia de una chaqueta por
la cual se distribuye vapor de agua.
Cuenta con 4 entradas, que sirven para la introducción del inóculo y toma de
muestra siempre de forma aséptica.

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Figura 32. Entradas del biorreactor.
Capacidad: 20.106 L
Diámetro 16 cm
Altura 100 cm
Presenta una boquilla de tipo inguld y con una bomba de desplazamiento
positivo
una carcasa que posee un filtro absoluto
Forma circular formando celdas cuya altura es igual al diámetro del tanque.

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Se esteriliza con la implementación de vapor estéril
Capacidad:
Volumen nominal 50 L
Diámetro 16.5 cm
Altura 239 cm
Presenta una boquilla de tipo inguld y con una bomba de desplazamiento
positivo
una carcasa que posee un filtro absoluto
Forma circular formando celdas cuya altura es igual al diámetro del tanque.
Se esteriliza con la implementación de vapor estéril

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Conclusión
Se encontraron diferencias en los biorreactores localizados en el área de laboratorio
y planta piloto, desde materiales de construcción, diseño del biorreactor, capacidad,
hasta medición de variables de control.
La instrumentación y control de un biorreactor requiere de sensores que midan las
variables de un proceso fermentativo, y de sistemas que ajusten el equipo a un punto
óptimo de operación. Idealmente, los sensores deben de estar en línea, para medir
las propiedades físicas del cultivo, estos sensores deben ser esterilizables para
asegurar la asepsia del proceso. Sin embargo, no todas las mediciones pueden ser
hechas en línea, algunas medidas fuera de línea requieren de tomar muestras y
analizarlas, lo cual consume tiempo y hace lenta la respuesta de control (biomasa,
sustrato, metabolitos, etc.).
Los sensores de propiedades físicas pueden ser monitoreados continuamente, y son
la temperatura, presión, poder de agitación, velocidad de agitación, viscosidad del
medio, flujo y concentración de gases y fluidos, espuma, volumen y masa. Los
utilizados en el prototipo son de agitación, temperatura y nivel de líquido. Para la
medición de las propiedades químicas se utilizan electrodos esterilizables al vapor,
de pH, redox, oxígeno disuelto y CO2. El más utilizado es el de pH, aunque no tiene
utilidad para todas las fermentaciones, sólo en las de tipo continuo donde se necesita
mantener un valor estable de acidez o basicidad. Para ello, contamos con sensores
de pH y oxígeno disuelto.
Figura 35. principales instrumentos de medición en un biorreactor.

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Tabla 1. Diferencias entre biorreactores de planta piloto y laboratorio
Biorreactores en laboratorio Biorreactores en planta piloto
Su capacidad es de 1 a 5 L Su capacidad va hasta los 300m3
El material con los que están hechos es
el vidrio
El material con los que están hechos es
de acero inoxidable
Los costos de operación y
mantenimiento son menores
Los costos de operación y
mantenimiento son mayores
Cuentan con motores
electromagnéticos
Los motores que utilizan son eléctricos
Los sellos mecánicos son auto
lubricados
Requieren de un fluido de lubricación
Se esteriliza en autoclave Se esteriliza con vapor estéril
Los sensores de pH son de vidrio Los sensores de pH tienen una coraza
de metal
No tiene boquillas tipo ingold Tienen boquilla tipo ingold
Se trabajan a presiones atmosféricas Son equipos que pueden trabajar en
rangos diferentes de presión
Los intercambiadores son de tipo tubo Los intercambiadores de calor son de
chaqueta

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Referencias
● Fermentador/biorreactor paralelo Winpact , FS-05 series. (2021).
Majorsci.com. https://www.majorsci.com/webls-tran-c/02-01-FS-05.html
● Revista mexicana de ingeniería biomédica (2003). Diseño y construcción de
los instrumentos de medición de un biorreactor prototipo.
https://www.medigraphic.com/pdfs/inge/ib-2003/ib031h.pdf
● QuimiNet.com / Marketizer.com / eIndustria.com. (2021, March 3). El uso de
los fermentadores en la biotecnología | Marketizer.com. Marketizer.com.
https://www.marketizer.com/articulos/el-uso-de-los-fermentadores-en-la-
biotecnologia-35585.htm
● OperaciÃ3n continua. (s. f.). biorreactores.tripod. Recuperado 9 de marzo de 2021,
de https://biorreactores.tripod.com/Continua.htm
● OperaciÃ3
n por lotes. (s. f.). biorreactores.tripod. Recuperado 9 de marzo de 2021, de
https://biorreactores.tripod.com/Lotes.htm
● Agitadores Industriales - Fluidmix. (s. f.). FluidMix. Recuperado 9 de marzo de 2021,
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● Principales TIPOS DE BIORREACTORES. (s. f.). Principales TIPOS DE
BIORREACTORES. Recuperado 9 de marzo de 2021, de http://www.aulavirtual-
exactas.dyndns.org/claroline/backends/download.php?url=L1RFT1JJQVMtQ09MT1
FVSU8vQ2xhc2VfMTFfLV9CaW9ycmVhY3RvcmVzXzIwMTkucGRm&cidReset=
true&cidReq=BIOALIM#:~:text=Ventajas%20tanque%20agitado%3A%20Bajo%20c
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