Sistemas De Fermentacion

Sistemas de fermentación 1.

Procesos Continuos y Discontinuos 1. Características 2. Ciclo de crecimiento intermitente. Ciclo de fermentación discontinuo 1. 2. 3. 4. 5.

Fase de aclimatación Fase exponencial o logarítmica Fase estacionaria Fase de declinación o desaceleración Cinética de crecimiento en un cultivo intermitente

3. Ventajas y desventajas

2.

Diseño del fermentador (Biorreactor)

Proceso discontinuo (lotes/Batch) Características: 1. Sistema cerrado, excepto aeración 2. Todo el substrato se añade al inicio de la fermentación 3. Contiene una cantidad limitada de medio de cultivo 4. El inoculado pasa por una secuencia de eventos característicos de un ciclo de crecimiento (figura 1) 5. La formación eficiente de producto tiene lugar solamente durante una fracción del ciclo de fermentación (figura 2)

Ciclo de crecimiento intermitente

Ciclo de fermentación discontinuo

Proceso continuo (alimentado a intervalos) Características:

1. Sistema abierto 2. El substrato se va agregando durante el desarrollo del proceso 3. La población microbiana se mantiene en un estado continuo de crecimiento balanceado 8etapa de crecimiento de producto larga) 4. existe control de los posibles efectos de los constituyentes tóxicos 5. Están adaptados a los procesos de fermentación en los que los productos se forman después de la fase de crecimiento exponencial, e.d., a la formación de metabolitos 2rios

Cultivo continuo: Quimiostato

Existen dos tipos de procedimientos para obtener cultivos continuos: de control interno: Turbidostato; Turbidostato o Permite cultivos continuos con un coeficiente  cercano al máx,

trabajando a valores altos de D (ajustando los valores de densidad celular de modo que ningún factor nutricional se haga limitante).

o Se dice que es un sistema de control interno porque es la misma

concentración de bacterias la que regula el flujo de entrada y de salida (por medio de un mecanismo electrónico basado en la medición y control de la densidad óptica del cultivo).

o

es difícil de manejar y ajustar; si las bacterias tienen tendencia a adherirse a superficies (paredes internas del aparato), los resultados de medida de la DO. quedan falseados (infravalorados).

o se

emplea bastante en el estudio de los factores que incrementan o disminuyen la tasa de crecimiento.

Existen dos tipos de procedimientos para obtener cultivos continuos: de control externo: Quimiostato.

Quimiostato  Los microorganismos pueden cultivarse a una amplia variedad de

tasas de crecimiento exponencial, mientras que, como vimos, en el turbidostato se cultivan en un rango estrecho de valores de m cercanos al m máx.  Permite crecimientos balanceados restringidos debido a que existe un nutriente o sustrato presente en una concentración suficientemente baja como para limitar la densidad de población.  La tasa de adición de substrato determina la tasa de crecimiento. Aportan una fuente continua de células en fase exponencial, lo que se aplica a procesos industriales de fermentación (producción de bebidas alcohólicas, de antibióticos, de aminoácidos, etc.).

Ventajas de un sistema continuo sobre un sistema por lotes 1.

La rapidez de crecimiento se puede controlar y mantener

2.

Se puede examinar el efecto de los cambios en los parámetros físicos o químicos, sobre el crecimiento y la formación del

producto a una tasa de crecimiento constante 3.

La concentración de biomasa se puede mantener constante variando la tasa de dilución

4.

Se puede mantener el crecimiento limitado por un substrato y estudiar los cambios en la composición y actividad metabólica celular modificando el nutriente limitante del crecimiento

5.

A menudo se puede mantener la producción de metabolitos 2rios en forma simultanea con el crecimiento

Ventajas de un sistema continuo sobre un sistema por lotes 1.

Los resultados obtenidos en el cultivo continuo con frecuencia son mas confiables y reproducibles

2.

Mayor productividad por unidad de volumen y menor perdida de

tiempo en paradas por limpieza, esterilización, etc. 3.

Mas económico por ser menos laborioso (requiere menos capital)

4.

El cultivo en Quimiostato se puede usar para mantener cultivos mezclados

en

condiciones

de

crecimiento

en

régimen

permanente, en el cultivo por lotes, un organismo crecerá mas que otros.

Desventajas del cultivo en continuo comparado con el cultivo por lotes 1.

No siempre se puede lograr la producción de algunos productos

no relacionados con el crecimiento, los cuales a menudo requieren de técnicas de cultivo de alimentación intermitente 2.

el crecimiento continuo por largos periodos puede ocasionar la

perdida de la cepa original, debido a que es adoptada por una cepa que crece mas rápido 3.

A menudo, el crecimiento de organismos filamentosos es

debido a la viscosidad y naturaleza heterogénea del cultivo que evita el crecimiento en régimen permanente

Desventajas del cultivo en continuo comparado con el cultivo por lotes

4. El crecimiento por periodos largos puede ocasionar problemas de contaminación

5. Para periodos de crecimiento extensos, la planta y el equipo auxiliar deben ser compatibles y de la mejor calidad operativa para evitar interrupción mecánica.

DISEÑO DE BIORREACTORES

 Cuando se pretende diseñar un proceso reactivo que requiere la

formación de un producto alimenticio o farmacéutico, se debe tener cuidado en cumplir con las regulaciones de seguridad y asepsia gubernamentales.  Sujeto a estos requerimientos especiales, el diseño de un

Biorreactor es conceptualmente similar al diseño de un reactor para una reacción ordinaria.

Tipos de Reactores  Homogéneos contenido

 Heterogéneos  Abiertos  Cerrados

salida del catalizador

 Continuos

 Discontinuos

modo de operación

 Tanque  Columna

geometría

 MEZCLA COMPLETA, CSTR

 FLUJO PISTÓN, PFR

Tipo de flujo

TIPOS DE REACTORES o

o

Discontinuo (1) Continuo (2,3,4,5,6) –

reactores de mezcla total (CSTR) (2,6)

–

Reactores de flujo pistón (PFR (3,4,5)

Lecho empaquetado (4,5) Lecho fluidificado (3) De membrana De fibra hueca

TIPOS DE REACTORES Tipo de reactor Reactor Discontinuo

CSTR

Lecho empaquetado (PFR) Lecho fluidificado

Con reciclado Reactor Tubular

Ventajas

Desventajas

El más simple de todos Bueno para enzimas libres e inmovilizadas. Bajo costo.

Difícil control de la productividad. Inestable térmicamente. Tiempo de operación largo.

Fácil de controlar (pH, temperatura, productividad, carga de enzima). Pueda utilizar sustratos insolubles o coloidales. Alta productividad.

Altos requerimientos para sistema de agitación. Velocidad de reacción no muy alta.

Alto grado de conversión. Alta productividad. Aplicable a todas las formas de enzima y sustrato.

Difícil de controlar para reacciones muy exotérmicas. difusión.

Mejores características de transferencia de calor y masa. Bueno para sustratos insolubles. Baja caída de presión.

Necesidad de mucha energía. Difícil escalado.

Bueno para sustratos insolubles. Permite alta velocidad de operación. Baja caída de presión. Buenas velocidades de flujo.

Baja área superficial por volumen de reactor.

DISEÑO DE BIOREACTORES ENZIMÁTICOS Fluidized-Bed Reactor PROCESOS CONTINUOS

Membrane Reactor

Packed-Bed Reactor

ELECCIÓN DEL TIPO DE BIOREACTOR

 Cálculo teórico del rendimiento  Cantidad de enzima necesaria  Efectos de inhibición

 Efectos de la estabilidad enzimática  Otros factores: Viscosidad del flujo de alimentación Presencia material particulado

Pérdidas de presión

PROBLEMAS DE UTILIZACIÓN  Abrasión de las partículas del biocatalizador en los reactores

con agitación

 Comprensión: reactores empaquetados, caída de presión

compactación del lecho

 Obstrucción: debida a la deposición de sólidos o coloides  Sobrecalentamiento: en reacciones exotérmicas  Contaminación microbiana: el sustrato es un nutriente

bacteriano. Tiempo de residencia largo, zonas del reactor muertas

FOTOBIORREACTORES  Aprovechamiento óptimo de la luz  ESTANQUES ABIERTOS  REACTORES TUBULARES

Fermentador a escala de laboratorio

Biorreactor

DISEÑO DE BIORREACTORES. Reactores CSTR  Una de las prioridades en el diseño de un biorreactor es el tanque

donde se llevará a cabo la reacción. Este posee como sistema auxiliar importante, el motor de agitación y para su diseño se debe calcular la geometría. Detalles de la relación geométrica del fermentador de rodete simple

Dimensión

Volumen de Operación Altura de Líquido (L) L/D (Diámetro del tanque) Diámetro del rodete (P)/D Ancho del deflector/D Altura de la paleta (D)

Steel and Maxon (1961)

Wegrichand Shurter (1953)

Blakebrought (1967)

250dm3

12dm3

---

55cm

27cm

---

0,72

1,1

1,0-1,5

0,4

0,5

0,33

0,1

0,08

0,08-0,1

---

---

0,33

DISEÑO DE BIORREACTORES. Reactores CSTR Detalles de la relación geométrica del fermentador de rodetes múltiples

Dimensión Volumen de operación Altura de Líquido (L) L/D (diámetro del tanque) Diámetro del rodete Ancho del deflector/D Altura del rodete/D P/V P/W P/Y P/Z H/D

Jackson (1958) ---

Aiba et al (1973) 100000dm3

Paca et al.(1976) 170dm3

---

---

150cm

---

---

1,7

0,34-0,5

0,4

0,33

0,08-0,1

0,095

0,098

0,5

0,24

0,37

0,5-1,0 0,5-1,0 0,5-1,0 --1,0-1,6

--0,85 0,85 2,1 2,2

0,74 0,77 0,77 0,91 2,95

DISEÑO DE BIORREACTORES. Reactores CSTR

Desde el punto de vista del diseño del tanque, los deflectores tienen de ancho 1/10 parte del diámetro del tanque. Si se necesita controlar la temperatura, como es normal en este proceso, se usan tubos internos. Otros componentes de un biorreactor son el agitador, sellos y válvulas, controles del pH y de

espuma.

DISEÑO DE BIORREACTORES. Reactores CSTR

Se deben tomar en cuenta tres fenómenos que son los Termodinámicos,

los

Microcinéticos

y

los

de

Transporte. Los dos primeros son independientes del tamaño del reactor gobernando principalmente el

desarrollo del biorreactor.

DISEÑO DE BIORREACTORES. Reactores CSTR Muchas de las biorreacciones emplean microorganismos sencillos por lo que es necesario desarrollar al mismo en un medio sin contaminación de otros microbios. Los biorreactores continuos rara vez se usan. Esto se debe a la dificultad de prevenir la contaminación de organismos externos y al reto que presenta el controlar las diferentes etapas de desarrollo del microorganismo

Tipo de Biorreactores