DISEO Y MANEJO DE UN BIORREACTOR ANAERBICO
IntroduccinEl diseo en bioingeniera no es solo la aplicacin de
conceptos bsicos y tericos que conlleven a lograr un prototipo;
para la realizacin ntegra de un modelo, otra gran parte, trata de
la adaptacin creativa y de la utilizacin del ingenio propio para
lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biolgico de un cultivo
vivo con el ambiente artificial de un dispositivo controlado; este
es el resultado denominado biorreactor o reactor biolgico.
Un biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnolgico que
debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y
maximice la produccin y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es
la parte biolgica. Externamente el biorreactor es la frontera que
protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no
controlado. El biorreactor debe por tanto suministrar los controles
necesarios para que la operacin o proceso (bioproceso) se lleve a
cabo con economa, alto rendimiento (productividad) y en el menor
tiempo posible; esa es la parte tecnolgica.
Los tratamientos biolgicos son de gran inters en los procesos de
depuracin sobre todo para las aguas residuales. Su uso, se
fundamenta en el aprovechamiento de la capacidad para degradar de
ciertos microorganismos, de igual manera sus capacidades de
acumular, adsorber, precipitar o volatilizar una gran variedad de
contaminantes presentes en el agua contaminada en este caso.
El desempeo de los biorreactores depende casi en su totalidad
del microorganismo que se selecciona para obtener el producto de
inters. Aunque la productividad del proceso est relacionada con la
optimizacin de los parmetros de operacin del equipo, siendo la
clula la entidad donde se desarrolla toda actividad manufacturada.
Debido a que la produccin depende de la poblacin de microorganismos
el ambiente donde las clulas se cultivan debe proporcionar lo
necesario para que ellas rindan los resultados esperados.
Una etapa que juega un importante rol en el desarrollo de estos
procesos, es el diseo de los biorreactores o reactores biolgicos. A
diferencia de lo que ocurre con equipos para procesos de
transferencia de masa o de calor, no existe una metodologa para el
diseo de equipos, dentro de los cuales se desarrolle una reaccin o
conversin bioqumica, debido principalmente a que el diseo del
biorreactor est regido por el sistema de reaccin especfico que se
va llevar acabo y el tipo de microorganismos que se emplee.
Un biorreactor o fermentador es aquel dispositivo que
proporciona un medio ambiente controlado que permite el crecimiento
eficaz de las clulas (microorganismos) para la transformacin de una
materia prima en un producto. Este medio ambiente, debe tener
niveles ptimos de temperatura, pH, sustrato, sales, y oxgeno.
Los biorreactores son equipos donde se realiza el proceso de
cultivo, sea en estado slido o lquido. Su diseo debe ser tal que se
asegure homogeneidad entre los componentes del sistema y
condiciones ptimas para el crecimiento microbiano y la obtencin del
producto deseado.
El biorreactor se configura para proveer al usuario un sistema
tipo paquete que contiene elementos necesarios para funcionar en un
proceso de fermentacin; los dispositivos bsicos requeridos para
funcionar en un proceso de fermentacin son: Equipo para suministrar
aire. ( transferencia de masa) Equipo para generar y controlar la
temperatura. (transferencia de energa) Equipo para agitacin
mecnica. (transferencia de movimiento)Un biorreactorest diseado
para brindar las caractersticas necesarias de monitoreo de
diferentes variables como temperatura, presin y concentracin de
gases, originadas como resultado de la transformacin qumica, las
mismas que deben mantenerse controladas a fin de ofrecer
condiciones ptimas para el desarrollo y la accin del microorganismo
(Novoa, 2010).Otros equipos como bombas, rotmetros, vlvulas,
filtros, tuberas, abrazaderas, pH-metros y sus controladores, deben
ser adquiridos aparte, teniendo en claro que el equipo puede
emplearse para realizar una fermentacin controlando manualmente el
pH, el oxgeno disuelto y el nivel de espuma. En el diseo del
biorreactor se tiene en cuenta, adems del tipo de proceso
microbiolgico, el efecto del flujo, el tiempo de residencia, el pH,
la temperatura, la biomasa, la concentracin de nutrientes y la
velocidad de agitacin para que se desarrolle en forma ptima la
conversin de los lodos.
MARCO TERICO
DISEO BSICO DE UN BIOREACTOR
Las decisiones tomadas en el diseo del reactor tienen un efecto
considerable sobre el rendimiento global del proceso. Todava no
existen procedimientos sencillos o estndar para el diseo reactores
que cubran todos los aspectos del recipiente y de su operacin.El
conocimiento de cintica de las reacciones es esencial para
comprender cmo funcionan los reactores biolgicos, aunque tambin son
necesarias otras reas de ingeniera de bioprocesos como balances de
materia y energa, la mezcla, la transferencia de materia y la
transmisin de calor. (Doran, 1998)El diseo de biorreactores es una
tarea de ingeniera bastante compleja. Los microorganismos o clulas
son capaces de realizar su funcin deseada con gran eficiencia bajo
condiciones ptimas. Las condiciones ambientales de un biorreactor
tales como flujo de gases (por ejemplo, oxgeno, nitrgeno, dixido de
carbono, etc.), temperatura, pH, oxgeno disuelto y velocidad de
agitacin o circulacin, deben ser cuidadosamente monitoreadas y
controladas. La mayora de los fabricantes industriales de
biorreactores usan recipientes, sensores, controladores y un
sistema de control interconectados para su funcionamiento en el
sistema de biorreaccin.La misma propagacin celular (fenmeno
conocido comoFouling) puede afectar la esterilidad y eficiencia del
biorreactor, especialmente en los intercambiadores de calor. Para
evitar esto, el biorreactor debe ser fcilmente limpiable y con
acabados lo ms sanitario posible (de ah sus formas redondeadas).Se
requiere de un intercambiador de calor para mantener el bioproceso
a temperatura constante. La fermentacin biolgica es una fuente
importante de calor, por lo que en la mayor parte de los casos, los
biorreactores requieren de agua de enfriamiento. Pueden ser
refrigerados con una chaqueta externa o, para recipientes sumamente
grandes, con serpentines internos.En un proceso aerobio, la
transferencia ptima de oxgeno es tal vez la tarea ms difcil de
lograr. El oxgeno se disuelve poco en agua (y an menos en caldos
fermentados) y es relativamente escaso en el aire (20,8 %). La
transferencia de oxgeno usualmente se facilita por la agitacin que
se requiere tambin para mezclar los nutrientes y mantener la
fermentacin homognea. Sin embargo, existen lmites para la velocidad
de agitacin, debidos tanto al alto consumo de energa (que es
proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al dao
ocasionado a los organismos debido a un esfuerzo de corte
excesivo.
Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u
otros organismos simples que pueden resistir la fuerza de agitacin.
Tambin son fciles de mantener ya que requieren slo soluciones
simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.En los
biorreactores utilizados para crecer clulas o tejidos, el diseo es
significativamente distinto al de los biorreactores industriales.
Muchas clulas y tejidos, especialmente de mamfero, requieren una
superficie u otro soporte estructural para poder crecer y los
ambientes agitados son comnmente dainos para estos tipos de clulas
y tejidos. Los organismos superiores tambin requieren medios de
cultivo ms complejos.
Para el diseo de un biorreator pueden resumirse del siguiente
modo dependiendo del tipo de reactor y la fermentacin a utilizar:1.
El tanque debe disearse para que funcione aspticamente durante
numerosos das, para evitar la aparicin de contaminantes en las
operaciones de bioprocesos de larga duracin.2. Debe permitir una
mayor rea de contacto entre las fases bitica y abitica del sistema,
es decir, se debe proporcionar un sistema adecuado de aireacin y
agitacin para cubrir las necesidades metablicas de los
microorganismos.3. El consumo de energa debe ser el mnimo posible4.
Entradas para la adicin de nutrientes y el control del pH.5. El
crecimiento microbiano es generalmente exotrmico, por lo que, el
biorreator debe facilitar las transferencia de calor, del medio
hacia las clulas y viceversa, a medida que se produce el
crecimiento celular, adems de mantener estable la temperatura
deseada.6. Mantener las clulas uniformemente distribuidas en todo
el volumen del cultivo7. Suministrar oxgeno a una velocidad tal que
satisfaga el consumo.8. El diseo debe ser tal que permita mantener
el cultivo puro; una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y
posteriormente inoculado con el microorganismo deseado.
Los biorreactores ms utilizados a nivel industrial estn
provistos de mecanismos de agitacin, dispersin y aireacin as como
de sistemas para el control de la temperatura, pH.
CONJUNTO BIORREACTOR-SISTEMA
El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los
siguientes objetivos:1. Mantener las clulas uniformemente
distribuidas en todo el volumen de cultivo.2. Mantener constante y
homognea la temperatura.3. Minimizar los gradientes de concentracin
de nutrientes.4. Prevenir la sedimentacin y la floculacin.5.
Permitir la difusin de gases nutrientes a la velocidad requerida
por el cultivo.6. Mantener el cultivo puro.7. Mantener un ambiente
asptico.8. Maximizar el rendimiento y la produccin.9. Minimizar el
gasto y los costos de produccin.10. Reducir al mximo el tiempo.
Las operaciones realizadas por estos biorreactores son las
siguientes:
Homogenizacin, para mantener la temperatura y la distribucin de
concentracin de manera uniforme. Mezcla slido/lquido, para mantener
una suspensin con una distribucin de slidos uniforme. Procesos
lquido/lquido, para dispersar una fase en otra, formar emulsiones y
realizar extracciones. Procesos gaseoso/lquido, para dispersar el
gas en los lquidos, airear el lquido. Intercambio de calor
CLASIFICACIN DE LOS BIORREACTORESClasificacin operativa
Se clasifican de acuerdo al modo de operacin:discontinuo,
semicontinuo, continuo.
Esta es una clasificacin operativa y se aplica a cualquier
reactor, sea qumico o biolgico. En este ltimo, el modo de operacin
define el sistema de cultivo que es el mismo y delimita la
clasificacin procesal-productiva del cultivo. Al operar un
biorreactor en cualquier modo de operacin, automticamente queda
determinado el modo de cultivo del sistema y se definen los
parmetros y las caractersticas operativas y de diseo que
intervienen en el proceso productivo del sistema.
Clasificacin biolgica
Los biorreactores se clasifican biolgicamente de acuerdo al
metabolismo procesal del sistema de cultivo:anaerbico, facultativo,
aerbico.
Los bioprocesos de cultivo y las fermentaciones estn basados en
el metabolismo celular del cultivo. El metabolismo define los
parmetros y caractersticas operativas-biolgicas de diseo y de
operacin del biorreactor, y estas caractersticas son las que
intervienen en la parte biolgica del sistema y tienen que ver con
el crecimiento, productividad y rendimiento del cultivo.
Discontinuo(batch): por lotes o tandas, sistema cerrado, sin
alimentacin (F); se coloca dentro del biorreactor la carga total de
cada proceso (tanda o lote) de cultivo o fermentacin y se dejar que
se lleve a cabo el proceso productivo o la fermentacin por el
tiempo que sea necesario, este tiempo se denomina tiempo de
retencin.Son sistemas cerrados que se caracterizan por cambiar las
condiciones fisiolgicas y ambientales. No hay entrada ni salida de
medio de cultivo.
A estos reactores se los carga una vez de forma total o por
intervalos durante varios das. Este tipo de reactores son
aplicables cuando hay problemas de falta de personal o cuando el
material para degradar no existe de forma continua.
Ventajas: Procesamiento de una gran variedad de sustratos.
Admite cargas secas y con alta humedad. Trabajo en ciclos para una
operacin menos personalizada. Desventajas: La carga y descarga
requiere de una mayor operacin de manera personalizada.
Semicontinuo(batch alimentado): por lotes alimentados, con
alimentacin de entrada (F1); se alimenta una lnea de entrada (F1)
para que el sistema de cultivo tenga un producto con mximo de
crecimiento (exponencial) y aumente la productividad.Estos sistemas
operan adicionando medio fresco, pero sin remocin del existente.
Son muy tiles cuando se requiere una elevada densidad celular en la
etapa de iniciacin del proceso que implica un alto consumo de
nutrientes, especialmente de fuente hidrocarbonada que suele
funcionar como sustrato limitante.Son muy tiles cuando se necesita
una elevada densidad celular en la etapa de iniciacin del proceso
que implica un alto consumo de nutrientes (fuente hidrocarbonada
que suele funcionar como sustrato limitante). Consiste en remover,
al final de la operacin entre un 80 y un 90 % del cultivo y
reemplazarlo por medio fresco. De esta manera puede satisfacerse
sencillamente la necesidad de contar con inculos de gran tamao y a
su vez evitar la esterilizacin del reactor entre dos
ciclos.Continuo: Por quimioestato, se alimenta una lnea de entrada
F1o alimentacin y se drena una lnea de salida F2o lavado; de manera
que los flujos o caudales de ambas lneas sean iguales y la
produccin sea continua.El caudal de entrada de medio fresco es
igual al de salida de medio utilizado. Son utilizados en cultivos
donde la velocidad de crecimiento celular es constante por lo que
existe un suministro constante de nutrientes o para la remocin
permanente de producto sobre todo en sistemas inmovilizados.
Ventajas:
Son utilizados en cultivos donde la velocidad de crecimiento
celular es constante ya que hay un constante ingreso de nutrientes
o para la remocin permanente de producto sobre todo en sistemas
inmovilizados. Para su buena aplicacin se requiere minimizar lo que
se denomina lavado del cultivo. Una variante es la Perfusin que
implica la remocin y suministro de medio dejando la biomasa ocluda
en una malla.Desventajas: Presentainconvenientes con respecto al
mantenimiento de las condiciones de asepsia del proceso, y se
dificulta debido a la tendencia a formar agregados de las clulas
vegetales en cultivo, la formacin de merengue y el lento
crecimiento celular. Para su buena aplicacin se requiere del diseo
de sistemas que permitan suplementar continuamente el medio de
cultivo evitando la remocin de las clulas y as minimizar lo que se
denomina lavado del cultivo.
CONTROL Y MONITOREO DEL BIOPROCESO
Los parmetros a controlar dentro de un bioreactor son:
Temperatura pH Presin parcial de O2 Formacin de espuma
Temperatura
La temperatura es un importante parmetro en la fermentacin, si
es que hay unadesviacin de un par de grados puede disminuir
drsticamente el crecimiento y la biosntesis de productos.Es por
esto que la variacin de temperatura debe variar entre 0,5 C. pHEl
pH en un bioproceso tiene menos efecto sobre la actividad biolgica
de los microorganismos que la temperatura, frecuentemente las
bacterias crecen en un intervalo de pH de 4 8, las levaduras de 3 6
y los mohos de 3 7. Esto tambin es aprovechado en la industria. Por
ejemplo, las fermentaciones de levaduras generalmente operan a un
pH tan bajo como sea posible para reducir la contaminacin por
bateras.
EspumaLa aparicin deespuma es un fenmeno muy indeseableya
queexiste el riesgo de perder el caldo de fermentacin y no es
posible llevar a cabo anlisis de alta calidad y mediciones con la
presencia de espuma en el reactor. La espuma tambin interfiera en
la velocidad de transferencia de materia en los fluidos como se
menciona enUso de agentes antiespumantes para el consumo de
Oxgeno
OBJETIVOS Diseo y manejo de un biorreactor anaerbico Inoculacin
de un microorganismo (Bacillus Suptillus). Monitorear y medir el
crecimiento microbiano mediante la intensidad de la luz con una
longitud de onda de 570nm (Absorbancia). MATERIALES 1 botella de
vidrio de 2 lts. Tubos Vlvulas Piedra difusora Equipo de
Nebulizacin Planta de Poro Flex. Cultivo de Bacillus Suptillus. 6
cocos (cocos nucfera). Tubos de ensayo. Placas Petri. Mechero. Asa
de coli. Cuchillos. Agua destilada.
EQUIPOS Espectrofotmetro. Incubadora.
PROCEDIMIENTO
1. Se dio inicio a la elaboracin del diseo del biorreactor,
utilizando como materiales los ya mencionados.
2. Se concluy el diseo del biorreactor.
3. Preparacin del cultivo a realizar: Bacillus Suptillus.
4. Se esteriliz el biorreactor, para luego inocular el
microorganismo.
5. Inoculacin del microorganismo: Bacillus Suptillus en el
biorreactor, como medio de cultivo el agua de coco.
6. Posteriormente se realiz el monitoreo del desarrollo del
microorganismo en el biorreactor durante 6 das.
7. Durante los 6 das se determin el crecimiento microbiano
mediante la Absorbancia, utilizando como equipo el Espectrofotmetro
a una longitud de onda de 570 nm.
RESULTADOS
Da 1Da 2Da 3Da 4Da 5Da 6
Absorbancia0.1940.2080.8640.9042.5932.769
CONCLUSIONES
Se dise y manej el biorreactor anaerbico. Se inocul el
microorganismo Bacillus Sptillus correctamente al biorreator. Se
encontr el medio de cultivo contaminado con diferentes
microorganismos.
DISCUSIONES
Los resultados del monitoreo del crecimiento del Bacillus
Suptillus se debi por los siguiente factores.
Factores Que Afectan Al Funcionamiento Concentracin de los
compuestos necesarios para el crecimiento y actividad bacterianas
(nutrientes y sustratos). Mantener los parmetros fsico-qumicos
(temperatura, pH) del medio en rangos relativamente limitados para
que la actividad de los microorganismos sea ptima. Diseo del
sistema para que sea capaz de resistir variaciones de las
condiciones normales de operacin. Agitacin
Factores Que Afectan Al Resultado Del Proceso Las caractersticas
del efluente que se alimenta (porcentaje de slidos, presencia de
cloro, etc.). La cintica de crecimiento bacteriano y de
transformacin de los lodos. La composicin de la poblacin bacteriana
en el biorreactor. La calidad de la materia orgnica que se aade al
proceso. El funcionamiento estable del reactor depender de los
siguientes factores: Concentracin de los compuestos necesarios para
el crecimiento y actividad bacterianas (nutrientes y sustratos).
Mantener los de parmetros fsico-qumicos (temperatura, pH) del medio
en rangos relativamente limitados para que la actividad de los
microorganismos sea ptima.SOLUCIONES El tanque debe disearse para
que funcione aspticamente durante numerosos das, para evitar la
aparicin de contaminantes en las operaciones de bioprocesos de
larga duracin. Mantener el cultivo puro. Mantener un ambiente
asptico. La temperatura de losbiorreactores de laboratoriopuede ser
controladade las siguientes maneras: Colocando un calentador
situado en el interior del biorreactor,mediante tuberas conparedes
delgadas que estn conectados con una vlvula electromagntica con el
agua de refrigeracin. Controlando la calefaccin y refrigeracinconun
termostato, elagua termostatizada con la ayuda de una bomba circula
a travs de la camisa de biorreactor. El control depH se basa en la
comparacin delpunto fino deajuste y los valores de pH reales, para
esto se utilizan nicamente electrodos estriles Mettler-Tolede.El
control de los valores de pH se asegura con la ayuda de las bombas
peristlticasquedosifiquen cido y lcali. Las mediciones de pH
deberan ser precisas, con valores de 0,02unidades de pH, ya quela
dinmica de los cambios de los valores de pH proporcionan cambios
valiosos sobre la cintica del proceso. La eliminacin de la espuma
es posible mediante un agente antiespumanteteniendo en cuenta que
unasobredosis podra disminuir dramticamente los parmetros de
cinticos microbianos. Es conveniente el uso de dispositivos de
medicinmecnica de espuma, este es un dispositivo especial instalado
en la cubierta superior del biorreactorque empieza a funcionar
sihay formacin de espuma.
Una solucin ptimaes la combinacin de ambos mtodos.La aplicacin
de la variante uno se usa ms en biorreactores de laboratorio.
LINKOGRAFIA
https://procesosbio.wikispaces.com/Dise%C3%B1o+B%C3%A1sico
http://es.wikipedia.org/wiki/Biorreactor
http://www.myminstrumentostecnicos.com/wenv/file_data.php?id=397
Novoa, D. 2010. Introduccin a las bioseparaciones. Consultado el 4
de Enero del 2012. Disponible
en:http://soebi.wordpress.com/bioprocesos-e-industrias-de-alimentos/
Cunill, Fidel. Reactores
Quimicos.http://diposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/12703/1/APUNTS%20DE%20REACTORS%20QU%C3%8DMICS.pdf
AO DE LA PROMOCIN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y COMPROMISO
CLIMTICO
UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURAFACULTAD DE INGENIERIA
INDUSTRIALESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL
CURSO : BIOTECNOLOGIA
TEMA : DISEO Y MANEJO DE UN BIORREACTOR ANAERBICO.
DOCENTE : Mcbl. JORGE BERMEJO
INTEGRANTES: CHIMBO CASTILLO LUIS DOMINGUEZ CHOZO JUNIOR SMITH
IPANAQU MAZA EDGAR JOEL TAVARA SAAVEDRA KEVIN GERMAN VELSQUEZ
CARRASCO CARLOS ALBERTO
JULIO 2014PIURA- PERU
