Los fermentadores o biorreactoresLOS FERMENTADORES O BIORREACTORES El fermentador o biorreactor es el corazón del proceso de fermentación o conversión enzimática. El diseño de biorreactores es una tarea complicada, basada en principios científicos y de ingeniería y en muchas reglas empíricas. Los aspectos específicos del biorreactor y su operación incluyen varias decisiones críticas. i. Configuración del reactor: Por ejemplo, ¿debería ser el reactor un tanque agitado por medios mecánicos o por aire? ii. Tamaño del reactor: ¿Qué tamaño de reactor se necesita para alcanzar la velocidad de producción deseada? iii. Condiciones del proceso dentro del reactor: ¿Qué condiciones de reacción, tales como temperatura, pH y tensión de oxígeno disuelto deberían mantenerse en el recipiente y cómo se controlarían dichos parámetros?. ¿Cómo se controlaría la contaminación?. iv. Modo de operación: ¿Operaría el reactor en discontinuo o mediante un proceso de flujo continuo?. ¿Debería alimentarse el substrato en forma intermitente?. ¿Debería operar un reactor solo o en serie con otros? Las decisiones tomadas en el diseño del reactor tienen un efecto considerable sobre el rendimiento global del proceso. Todavía no existen procedimientos sencillos o estándar para el diseño de reactores que cubran todos los aspectos del recipiente y su operación. El conocimiento de cinética de las reacciones es esencial para comprender como funcionan los reactores biológicos, aunque también son necesarias otras áreas de la ingeniería química como los balances de masa y energía, el mezclado, la transferencia de materia y la transmisión de calor Ingeniería de los biorreactores. Antes de empezar el diseño de un reactor deben definirse claramente ciertos objetivos. Propósitos sencillos como “producir 1 g de anticuerpos monoclonales por día” o “producir 1000 toneladas de aminoácidos por año”, son el punto de partida. Otros objetivos también son importantes. En los procesos industriales, el producto debe fabricarse al menor costo posible con el fin de maximizar los beneficios comerciales de la empresa. En algunos casos, los objetivos económicos se ven superados por asuntos de seguridad, por la necesidad de obtener productos de elevada pureza o por consideraciones reguladoras. El diseño final del reactor será un reflejo de todos estos requisitos y, en la mayoría de los casos, representa una solución de compromiso a los intereses en conflicto. En este apartado se considerarán algunas contribuciones a los costos de bioprocesamiento para diferentes tipos de producto y la importancia de la ingeniería de reactores en la mejora del rendimiento global del proceso. Como se muestra en la figura 1, el valor de los productos de bioprocesado cubre un amplio intervalo de posibilidades. Precio por Tonelada (U$S) 100.000.000 1.000.000 10.000 Producto Proteínas de cultivo de células de mamíferos Vitamina B12 Levadura de panadería 100 1 Proteína de origen unicelular Agua residual Figura 1 1 Los fermentadores o biorreactores Para reducir el costo de cualquier bioproceso es necesario en primer lugar identificar qué aspectos son los que determinan el costo final. La reducción de los costos de producción varía de un proceso a otro. En la figura 2 se muestra un esquema de tipo general. COSTO TOTAL DE PRODUCCIÓN Investigación y Desarrollo Materiales de partida Fermentación Recuperación del producto Administración y Marketing Operación del Biorreactor --Salarios --Servicios (agua, vapor, aire) --Seguros Figura 2 Los componentes más importantes son: i. Investigación y desarrollo. ii. La etapa de fermentación o de reacción iii. El procesado y recuperación posterior iv. La administración y comercialización En muchos de los productos bioprocesados, el costo de administración y comercialización es relativamente pequeño. Entre los productos en los que domina el costo de la reacción pueden citarse la biomasa, como la levadura de panadería y las proteínas de origen unicelular, los metabolitos catabólicos como el etanol y el ácido láctico, y productos de bioconversión como el jarabe de maíz rico en fructosa y el ácido 6-aminopenicilanico. Los productos intracelulares como las proteínas, antibióticos, vitaminas y aminoácidos presentan elevados costos de tratamiento posterior en comparación con los costos de reacción. Para productos de biotecnología nuevos y de alto valor como los anticuerpos y proteínas recombinantes, los costos reales del proceso representan únicamente una pequeña parte del total debido a las enormes inversiones necesarias en investigación y desarrollo y en aprobación regularizadora. La introducción rápida de los productos en el mercado es la medida de ahorro más importante en estos casos, siendo despreciable cualquier ahorro debido a las mejoras en la eficiencia del rector. Sin embargo, para la mayoría de los productos de fermentación fuera de esta categoría de "productos de alto valor" los costos de bioprocesado representan una contribución apreciable al precio final del producto. Si en la estructura de costos predomina la etapa de reacción, esto puede deberse a los elevados costos de las materias primas o al elevado costo de operación del reactor. Las contribuciones relativas de todos estos factores dependen del proceso específico en cuestión. Por ejemplo, para producir antibióticos de alto valor, el costo de 1000 m 3 de medio 2 Por el contrario. 3 . Para metabolitos sencillos como el etanol. La productividad específica máxima se obtiene cuando el catalizador es capaz de alcanzar elevados niveles de producción y en aquellas condiciones en el reactor que permitan el óptimo funcionamiento catalítico. ayuda a definir los objetivos para el diseño del reactor. Como se muestra en la figura 3. el costo de la materia prima varía entre el 40% de los costos de fermentación para el ácido cítrico y el 70% para el etanol producido a partir de melaza. el rendimiento máximo teórico está limitado por los principios termodinámicos y estequiométricos. Para productos de alto valor y bajo rendimiento. si los niveles de efecto de corte (cizalla) del reactor son elevados las células se disgregarán y las enzimas se desactivarán. el reactor se diseña y opera a fin de maximizar la concentración del producto obtenido en el reactor. es más rentable. las pautas de regulación requieren la validación del esquema de producción completo y la garantía de que el control de proceso cumpla ciertas normas de calidad y seguridad. el reactor debe permitir alcanzar la máxima actividad del catalizador a la mayor concentración posible del mismo.Los fermentadores o biorreactores de cultivo varía entre 25. Para productos biotecnológicos nuevos destinados a usos terapéuticos. Por tanto. el costo de la energía para la operación de un fermentador de tanque de 1000 m3 con agitación. biomasa y ácido láctico. Incluso aunque la reacción en si misma no sea determinante del costo final. el reactor debe ser tan pequeño como sea posible con el fin de reducir tanto los costos de operación como los de capital. aire comprimido y agua de refrigeración es de alrededor de 8. depende del funcionamiento del reactor. Si el tratamiento posterior del producto es caro. la reducción de los costos de producción y los beneficios comerciales se basan principalmente en mejoras sobre la operación del reactor. la productividad volumétrica del reactor deberá ser suficientemente elevada. Si el costo de investigación y desarrollo es el dominante. como antibióticos. si la mezcla o la transferencia de materia es inadecuada se producirá falta de oxígeno o de nutriente y la densidad máxima de células será menor. pueden todavía ser importantes.000 y 100. Por el contrario. La extensión en la que pueden alcanzarse estas concentraciones límites. butanol o ácido acético. Cuando el costo de las materias primas es insignificante tiene prioridad maximizar la conversión del substrato y el rendimiento de producto. vitaminas. Cuando los costos de la reacción son importantes. siendo esto más importante que maximizar la conversión o minimizar los costos de operación. Como se indica en la figura 3. lo cual evita el costo que representa la recuperación del producto a partir de soluciones diluidas. relacionados con el metabolismo energético de la célula. lo cual permite que el sistema se aproxime al rendimiento máximo teórico. diferentes aspectos del diseño del reactor. el costo del medio de cultivo representa entre el 60 y 90% de los costos de fermentación. Para alcanzar la velocidad total de producción deseada un recipiente de pequeño tamaño. Por ejemplo. que las posibles mejoras en el diseño del reactor y en la operación del mismo. Para alcanzar elevadas velocidades volumétricas. la identificación de las cepas de elevada producción y las condiciones ambientales óptimas. la productividad volumétrica depende de la concentración del catalizador y de su velocidad específica de producción. El resto de los costos de operación de los biorreactores son principalmente costos laborales y servicios. el diseño del reactor va dirigido hacia la necesidad de un rápido cambio de escala.000 U$S. Para metabolitos de bajo costo y alto rendimiento como etanol. en un principio. por lo que disminuye la concentración efectiva de catalizador. enzimas y pigmentos. Para la producción de antibióticos y enzimas.000 U$S. la identificación de la estructura de costos de los bioprocesos. para mejorar la mezcla. lo que permite que exista un espacio en la parte superior para retirar las gotas que arrastra el gas de salida y dar cabida a cualquier espuma que se forme.Los fermentadores o biorreactores FACTOR DETERMINANTE DEL COSTO Investigación y Desarrollo Materiales de partida Maximizar la conversión del sustrato Operación del biorreactor Maximizar el rendimiento del producto Maximizar la Productividad Minimizar el volumen del reactor Recuperación del producto Maximizar la concentración del producto Maximizar velocidad de cambio de escala. Continuamente se desarrollan biorreactores para aplicaciones específicas. es el reactor más utilizado en bioprocesado. Existe una amplia variedad de formas y tamaños de rodetes que producen diferentes tipos de flujo dentro del recipiente. El tanque cilíndrico. sobre un mismo eje. Los reactores utilizados en fermentaciones anaerobias sin inyección de aire ni agitación son de construcción más sencilla. Sin embargo. La mezcla y dispersión de las burbujas se alcanza mediante agitación mecánica. lo cual requiere una relativa gran cantidad de energía por unidad de volumen. Los deflectores se utilizan para disminuir la formación de vórtices. con o sin agitación. Si la formación de espuma es un problema.80% del volumen de los reactores agitados se llena con líquido. aunque estos 4 . Tanques agitados. En los fermentadores altos se instalan varios rodetes. Generalmente sólo el 70 . En la siguiente discusión sobre configuración de biorreactores. Otra posibilidad consiste en añadir agentes antiespumantes al medio de cultivo. se supondrá que son para operación aerobia. Minimizar riesgo de contaminación Figura 3 Configuraciones del biorreactor. En la figura 4 se muestra un típico biorreactor aireado y agitado. se puede instalar otro rodete llamado separador de espumas. existe una gran cantidad de configuraciones de fermentadores en diferentes industrias de bioprocesos. así como para el cultivo de células en suspensión e inmovilizadas. lo cual proporciona tiempo de contacto mayor entre las burbujas que ascienden y el liquido así como una mayor presión hidrostática en el fondo del reactor. cerveza y vinagre. consisten generalmente en un recipiente cilíndrico con alturas superiores al doble del diámetro. Columna de burbujas Otra alternativa al reactor agitado la constituyen aquellos reactores sin agitación mecánica. es necesario tener un cuidado especial. por tanto. Las columnas de burbujas se utilizan industrialmente para la producción de levaduras para panadería. la relación entre la altura y el diámetro. Cuando se utilizan determinados catalizadores que pueden ser dañados o destruidos por el rodete cuando gira a gran velocidad. por lo que se suele preferir la opción de la dispersión mecánica de la espuma. la aireación y la mezcla se alcanzan mediante la inyección de gas. Como lo muestra la figura 5. Las columnas de burbujas son de estructura muy sencilla. Sin embargo. En la producción de levaduras para panadería es normal utilizar una relación altura diámetro de 3:1. proceso que requiere menos energía que la agitación mecánica. es decir. Figura 4 El factor de forma de los reactores agitados. Y en el tratamiento de aguas residuales. puede variar considerablemente. Los tanques agitados se utilizan para reacciones con enzimas libres e inmovilizadas. necesita la mínima cantidad de material para un determinado volumen. En los reactores de columna de burbujas. Elevados niveles de efecto cortante pueden también dañar células sensibles. ya que esta forma presenta la menor superficie y. cuando se necesita aireación la relación de forma aumenta. La forma más barata de la construcción tiene una relación aproximada de 1. 5 . mientras que en otras aplicaciones pueden utilizarse torres con relaciones de 6:1.Los fermentadores o biorreactores pueden reducir la transferencia de oxígeno. en los reactores muy altos se instalan placas horizontales perforadas para evitar la coalescencia de las burbujas y lograr una mejor redistribución del aire. la formación de espuma puede ser un problema que necesite una dispersión mecánica o la adición de un agente antiespumante. del diseño del difusor. Al igual que en los tanques agitados. La mezcla del líquido en este tipo de régimen de flujo es bastante limitada y se reduce únicamente a su arrastre en la estela de las burbujas. del diámetro de la columna y de las propiedades del medio como puede ser la viscosidad. donde se desarrolla un flujo caótico de circulación y se produce el denominado flujo heterogéneo que se muestra en la figura 6. La hidrodinámica de la columna de burbujas y las características de la transmisión de calor depende por completo del comportamiento de las burbujas formadas en el difusor. En el flujo homogéneo.Los fermentadores o biorreactores Aparte del difusor para la inyección del aire. Un flujo homogéneo se produce solamente con caudales bajos de gas y cuando las burbujas que abandonan el difusor se distribuyen a lo largo de toda al sección de la columna. Figura 6 6 . Normalmente se opera a mayores velocidades de gas. la ausencia de partes móviles y un adecuado rendimiento en la transferencia de calor y masa. Figura 5 Algunas veces. los reactores de columnas de burbujas no presentan estructuras internas. Existen diferentes regímenes de flujo dependiendo del caudal de gas. Las ventajas de este tipo de reactores incluyen los bajos costo de capital. todas las burbujas ascienden con la misma velocidad y no existe retromezcla de la fase gas. en estos reactores la mezcla se produce sin agitación mecánica. el gas es inyectado únicamente en la parte de la sección del reactor denominado "riser" El gas existente en el reactor y la disminución de la densidad producen un movimiento de líquido ascendente en el "riser". En los reactores de bucle interno de las figuras 7(a) y 7(b) el "riser" y el "downcomer" están separados por un deflector interno o tubo de tiro. mientras que en las proximidades de las paredes existe un flujo descendiente de líquido. El aire puede inyectarse bien en el tubo de tiro o en el anillo.Los fermentadores o biorreactores En este régimen. Como se muestra en la figura 7. Figura 7 En este dispositivo. El rasgo característico que los diferencia de la columna de burbujas es que las corrientes de flujo de líquido están más definidas debido a la separación física de las corrientes ascendentes y descendentes. Existen varios tipos diferentes de reactores de tiro de aire. Asimismo. En estos reactores el líquido circula como resultado de la diferencia de densidades entre el "riser" y el "downcomer". en el "downcomer" se arrastran muy pocas burbujas. la separación del gas es más efectiva que en los reactores de bucle interno ya que el "riser" y el "downcomer" se encuentran separados. El tiempo de mezcla del líquido en las columnas de burbujas depende del tipo de flujo. Al igual que en las columnas de burbujas. las burbujas y el líquido tienden a ascender por el centro de la columna. En los reactores de tiro de aire de bucle externo de la figura 7(c). Reactores de tiro o corriente de aire (air lift). lo que provoca que la diferencia de densidades entre los fluidos del "riser" y del "downcomer" aumente y la circulación del 7 . se conectan dos tubos verticales separados mediante pequeñas secciones horizontales en la parte superior e inferior. La circulación del líquido arrastra a las burbujas y se produce una cierta retromezcla del gas. El gas se retira del líquido en la parte superior del reactor dejando el líquido más pesado libre de las burbujas y se recircula a través del "downcomer". condensación). La configuración de tiro de aire le confiere mayor estabilidad al flujo de líquido que en la columna de burbujas. Los reactores tanque agitado mecánicamente y los agitados por aire representan la gran parte de las configuraciones de biorreactores utilizadas para cultivos aerobios. Cuando el calor de reacción es elevado. la transferencia de materia es deficiente. los reactores agitados mecánicamente son más apropiados ya que mediante ese sistema se pueden suministrar mayores potencias. La determinación de los requerimientos de transferencia de calor surge de una consideración del balance global de energía. por tanto. A pesar de todo. tanto desde el punto de vista de instalación como de operación. Transferencia de calor En los reactores biológicos. excepto cuando se opera a velocidades bajas de líquido. Comparación de las características de operación Tanto los tanques agitados como los reactores de columnas de burbujas y los de tiro de aire pueden conseguir una mezcla y transferencia de materia adecuadas con fluidos de baja viscosidad. el calor debe ser agregado o removido. Los reactores de tiro de aire proporcionan generalmente mejores mezclas que las columnas de burbujas. el balance de energía puede conducirse en términos de cambios de entalpía. Reactores agitados mecánicamente y por aire. Los reactores agitados mecánicamente no son prácticos para volúmenes superiores a los 5000 m3 ya que la potencia necesaria para conseguir una mezcla adecuada llega a ser extremadamente alta. pudiendo utilizarse mayores caudales de gas sin producir problemas de operación como puede ser el flujo pistón o nebulizaciones. En un sistema con presión constante y con cambios despreciables en la energía cinética y potencial. la eliminación del calor producido por el rozamiento mecánico puede ser un problema. Cuando se necesita un fermentador de gran tamaño (50-500 m3) para un cultivo de viscosidad baja. flujo de calor sensible en las corrientes másicas y transferencias a los fluidos de intercambio. las velocidades de transferencia de materia disminuyen rápidamente en los reactores agitados mecánicamente cuando la viscosidad supera los 50-100 cP. En ese caso. como es el caso de producción de proteínas de origen unicelular a partir de metanol.Los fermentadores o biorreactores líquido sea más rápida. por lo que es preferible utilizar un reactor agitado por aire. los reactores agitados por aire no proporcionan una mezcla suficiente y. Un punto importante a la hora de elegir un reactor agitado por aire y mecánicamente es el referido a la transmisión de calor. Sin embargo. Consideremos: Qmet= velocidad de generación de calor por crecimiento celular y mantenimiento Qag= velocidad de generación de calor por agitación mecánica Qgas= velocidad de generación de calor por aireación Qacc= velocidad de acumulación de calor Qexch= velocidad de transferencia de calor por intercambio Qevap= velocidad de pérdidas de calor por evaporación Qsens= velocidad de ganancia de entalpía sensible de la corriente ( salida – entrada) 8 . el reactor de columna de burbujas representa una elección muy atractiva debido a que es simple y barato. pueden utilizares otras configuraciones diferentes para determinados procesos de carácter específico. Por consiguiente la mezcla es mejor en los reactores de bucle externo que en los de bucle interno. si el calor generado durante la conversión del sustrato es inadecuado para mantener el sistema en un nivel aceptable de temperatura. Si el cultivo tiene una alta viscosidad. La agitación mecánica genera mucho más calor que la inyección de gas comprimido. es decir calor de las transformaciones químicas o transformaciones de fases (evaporación. cel. algo de la energía que hay en los sustratos. y el calor Qag y el Qgas se determinan de correlaciones.cel.T Cálculo del coeficiente de generación de calor (Y) La célula usa la energía química muy eficientemente pero como en todo proceso real. es producto del metabolismo energético y de crecimiento celular.cel. / g. La producción de calor celular. determina los requerimientos de intercambio en el biorreactor. kcal/g. / kcal Ys g.sust.cel.Los fermentadores o biorreactores Luego. restando sólo averiguar el Qmet para calcular el calor de intercambio necesario: Qecch= Qmet + Qag + Qgas Donde Qmet= Vreactor X/Y Y= coeficiente de generación de calor (g. Qevap y Qsens son despreciables. Si Y s son los gramos de masa celular producida por gramo de sustrato consumido y Hs y Hc son los calores de combustión en kilocalorías por gramos de sustrato y material celular respectivamente. En condiciones de diseño de un reactor se asume que Qacc= 0. kcal/g. se puede escribir: Y g.comb. La generación del calor metabólico.sustrato Hs Ys Hc kcal / g. II: Respiración celular III: Combustión Material celular H2O + CO2 + células 9 .sustrato Esto se deduce de un balance de energía sobre dos caminos como se muestra en el siguiente esquema para un crecimiento aeróbico: O2 + sustrato I: Combustión total Hs. el balance Qmet + Qag + Qgas = Qacc + Qexch + Qevap + Qsens En condiciones experimentales./kcal) Luego Qecch= UA.oxidado CO2 + H2O Hc. Se define el Y ( gramos de masa celular por kilocaloría de calor evolucionado). es liberada como calor. 66N0.661 0. agua y CO2.sust. hay necesidad de mayor remoción de calor en el biorreactor.41 12 1.Los fermentadores o biorreactores De este esquema puede deducirse que de la diferencia entre el calor generado por gramo de sustrato completamente oxidado (Hs. da como resultado una liberación de calor de combustión de las bacterias de 1.20 O0.2014 0. kcal/g. tal como se muestra en la figura 8. relleno empaquetado con partículas de catalizador.28molO 2 104kcal / molO 2 kcal 6.41)= 5. Por ejemplo en la siguiente estequiometría el cálculo sería: CH1. Con datos experimentales de entalpía puede determinarse Y y en caso de no disponer de los mismos se pueden calcular mediante balance de grado de reductancia. En los lechos empaquetados.28 O2 CO2 + 0. En general los hidrocarburos producen más calor que las especies parcialmente oxigenadas (Y(CH4) Y(CH3OH)) y Y(n-alcanos) Y(glucosa).27 16 g g Sin embargo.81 kcal/grs. Como aproximación puede considerarse un valor promedio de 104 a 124 kcal/mol de O2. Para evitar que el catalizador se arrastre fuera de la columna se colocan pantallas a la salida del líquido. 10 . El reactor consiste en un tubo.27 (biomasa) + 1. Por lo tanto. Los reactores de lecho empaquetado han sido utilizados a escala comercial con células y enzimas inmovilizadas para la producción de aspartato y fumarato.90)(6. Las partículas deben ser relativamente incompresibles y capaces de soportar su propio peso en la columna sin deformarse y obstruir el flujo de líquido.83 H2O Con la consideración antes mencionada. La transferencia de materia entre el medio líquido y el catalizador sólido se facilita trabajando a caudales elevados de líquido a través del lecho para lo cual normalmente de recircula el líquido. El medio de cultivo puede alimentarse por la parte superior o inferior de la columna y forma una fase líquida continua entre las partículas. el peso celular medido experimentalmente incluye cenizas (10 %). con lo que Hc(0. será una aproximación razonable al calor generado por gramo de sustrato consumido en la fermentación que produce células. el calor de combustión de 104 kcal/ mol de O2. Cel seca Los valores de Y dependen del microorganismo y del sustrato metabolizado. con sustratos más reducidos.10 N2 + 0. la conversión de penicilina a ácido 6-aminopenicilánico y en la resolución de isómeros de aminoácidos. generalmente vertical.oxidado) menos el calor de la combustión celular (YsHc). Lechos empaquetados Los reactores de lecho empaquetado se utilizan con biocatalizadores inmovilizados o en forma de partículas. el daño debido al desgaste de las partículas es mínimo en comparación con los reactores agitados. Lechos fluidizados Cuando se hace fluir hacia arriba un líquido sobre un lecho empaquetado de partículas de catalizador de tamaño y densidad apropiados. También pueden utilizarse con organismos floculantes en los procesos de fabricación de la cerveza o en la producción de vinagre. La aireación se realiza generalmente en un recipiente separado. el aire puede introducirse directamente en la columna. Los reactores de lecho fluidizado se usan en el tratamiento de residuos con arena o un material similar que soporta las mezclas de poblaciones microbiana. este se expande debido al movimiento ascendente de las partículas. 11 . ya que si se inyectara el aire directamente en el lecho. la coalescencia de las burbujas produciría bolsas de gas y canalizaciones o una distribución deficiente del flujo. Los lechos empaquetados no pueden utilizarse en procesos que produzcan grandes cantidades de dióxido de carbono u otros gases que puedan quedar atrapados en el relleno.Los fermentadores o biorreactores Figura 8 El medio recirculado debe estar también limpio y libre de desechos para evitar el taponamiento del lecho. Figura 9 Aprovechando que las partículas presentes en el lecho fluidizado están en continuo movimiento y no se producen canalizaciones ni atascos en el mismo. Este es el fundamento de operación de los reactores de lecho fluidizado. tal como se lo muestra en la figura 9. Estas reglas están dirigidas especialmente al trabajo aséptico. Figura 10 Consideraciones prácticas para la construcción de biorreactores Los biorreactores industriales para operaciones asépticas se diseñan generalmente como recipientes de acero capaces de resistir desde vacío completo hasta presiones de 3 atm a 150-180 °C. En los fermentadores a escala de laboratorio se utilizan habitualmente las tapas planas. El reactor debe poder drenarse completamente mediante válvulas ubicadas en el punto más bajo del reactor. y puesto que la fase líquida no es continua a través de la columna. antiespumantes y ácidos o álcalis. manómetros de presión y válvulas de seguridad para el caso de emergencias. mientras que los reactores pequeños se diseñan con una tapa desmontable. así como disponer de una salida.Los fermentadores o biorreactores Lecho de goteo El reactor de lecho de goteo (en inglés. Cuando se trata con organismos patógenos aparecen problemas adicionales. Como se muestra en la figura 10. el aire o cualquier gas se mueve con relativa facilidad alrededor del empaquetamiento. El aire puede introducirse por la base. mucha de las cuales resultan extrañas al cuerpo humano. Si el reactor se agita por medios mecánicos debe instalarse un agitador en la parte superior o inferior del mismo. Los fermentadores de gran tamaño están equipados con mirillas para inspeccionar el contenido del reactor. como así también tuberías de salida de gases. porque el diseño debe contemplar la necesidad de contener esos organismos. Este tipo de reactores se utiliza ampliamente para el tratamiento aerobio de aguas residuales. esterilizable con vapor. En los reactores de gran tamaño se colocan "bocas de hombre" para permitir la entrada de trabajadores a su interior y así realizar la limpieza y el mantenimiento del mismo. Es normal también la colocación en la tapa superior la colocación de boquillas para el ingreso de medio de cultivo. También es normal la colocación de sensores de pH. es decir a mantener el proceso de fermentación libre de contaminación. Los microorganismos son una fuente rica en proteína. trickle bed) es otra variante de lecho empaquetado. de temperatura y de concentración de oxígeno disuelto. 12 . Reglas fundamentales La práctica de un buen diseño incorpora varias reglas fundamentales. para la toma de muestras. mientras que en los reactores de gran tamaño se utilizan extremos torisféricos o elípticos. el líquido es rociado en forma de "spray" sobre la parte superior del empaquetamiento y las gotas descienden a través del lecho en forma de pequeñas corrientes. Dentro de lo posible. mantener y esterilizar. Las bacterias tienen posibilidades de desarrollar dentro de válvulas cerradas.. El transporte.La importancia del riesgo de pérdidas costosas cuando se contamina un fermentador muy grande. no obstante después de un crecimiento sustancial. b.Asegurarse que varias partes del equipo puedan esterilizarse en forma independiente.. c. producción de metabolitos) confieren a las suspensiones en fermentación.La capacidad de fabricación del constructor. e. la biomasa y la transformación que ella hace sufrir al medio ( degradación de compuestos. b. Por ejemplo válvulas esféricas... c. de modo que no se acumulen sólidos del medio que puedan resistir la esterilización. Requerimientos de Potencia en Fermentadores Agitados Sistemas no aereados: Fluídos newtonianos La mayoría de los medios de fermentación exhiben características newtonianas antes de ser inoculados. En consecuencia se deberán extremar los cuidados a fin de evitar cualquier procedimiento o diseño que permita un escape de suspensión o aerosol de microorganismos fuera del fermentador.. a diafragma y globo con vástago no elevable. g.Minimizar las conexiones bridadas. f. Los sólidos pueden acumularse en ellos y convertirse en un ambiente aislado donde los contaminantes escapen a la esterilización. Las reglas a tener en cuenta son: a. Las modificaciones son más pronunciadas cuando se tratan de organismos filamentosos que liberan polisacáridos durante el crecimiento.No hacer conexiones directas entre partes estériles y no estériles del sistema.Capacidad total diseñada para la fermentación. En la actualidad se construyen recipientes de 200 m3 o más. (Esto no es aplicable con los patógenos). se debe usar construcciones soldadas y asegurarse de pulir bien todas las soldaduras. h.. Las variables que caracterizan el comportamiento dinámico del fermentador son las siguientes: 1.Variables que caracterizan la geometría: D: Diámetro del biorreactor [L] Di: Diámetro del agitador [L] HL: Altura del líquido [L] 13 . en lo referente al montaje in situ vs.Usar válvulas que sean fáciles de limpiar..... cavidades y similares. Debido a posibles vibraciones y a expansión térmica de los equipos. las conexiones bridadas se mueven y pueden dar lugar a entrada de los contaminantes..Todas las conexiones del recipiente deberán estar provistas de sellos de vapor.Los fermentadores o biorreactores La inhalación de grandes dosis de microorganismos.Evitar los espacios muertos. El tamaño del recipiente depende de las siguientes consideraciones: a.Mantener una presión positiva en el fermentador de forma tal que siempre pierda hacia fuera. d. propiedades reológicas muy diferentes de las del medio inicial. normalmente producirá una reacción en la mayoría de los humanos. Variables cinemáticas y dinámicas: P: Potencia absorbida por el agitador.T-2] 3.Los fermentadores o biorreactores l: Ancho de los bafles [L] Li: Altura de las paletas de las turbinas [L] Hi: Ancho de las paletas de las turbinas [L] 2.Variables que caracterizan el fluído que se agita: : densidad [M.25 l/D = 0. P. Di.L-1. . L-3] : viscosidad [M. . que se desa evaluar [M. Hi.L2.T-3] N: velocidad de agitación [T-1] g: aceleración de la gravedad l HL Hi Li Di H2 D En el esquema se pueden observar las dimensiones características de un Biorreactor de Tanque agitado con agitador tipo Rushton. . l.1 La agitación queda definida por: f(D. g)= 0 Se tiene además los siguientes números adimensionales: 14 . N. Las dimensiones características se dan a continuación: D/Di = 3 H2/Di = 1 HL/D = 1 Li/Di = 0. Li.T-1] : tensión superficial [M. HL.25 Hi/Di = 0. Fukuda y otros (1968). Los datos que se muestran el la Figura 11 representan la conducta de un biorreactor agitado con un solo impulsor. está dado por la siguiente relación: Di Hi 2 Di Siendo Hi. N3 ) número de potencia (fuerzas externas/fuerzas inerciales) La curva que expresa las variaciones de Np en función de Re. frecuentemente es necesario multiplicar el número de impulsores a los efectos de proveer potencia suficiente para lograr la absorción deseada de oxígeno De acuerdo al tamaño del fermentador serán necesarios más de un agitador. el espaciado existente entre los impulsores. Usando un diseño de fermentador estándar. Figura 11 En los procesos a gran escala. Di2/ número de Reynolds (fuerzas inerciales/fuerzas viscosas) Np= P/ ( . 15 . Este número está dado por (HL . La potencia que se consume es proporcional al número de agitadores. N . El espaciado apropiado en general. encontraron una relación entre el número de potencia con un agitador y el número de potencia para N i impulsores. (Figura 12).Di) / Di Ni (HL . En la Figura 11 se dan curvas características.2 Di) / Di En la que Ni es el número de agitadores a instalar. Di5 .Los fermentadores o biorreactores Re= . para un determinado tipo de agitador se denomina curva de potencia. Operación aséptica La mayoría de las fermentaciones aparte de las de la industria de la alimentación y bebidas se realizan utilizando cultivos puros y condiciones asépticas. de manera que menos del 2% de los 16 . involucra una disminución de la potencia necesaria para la agitación. Na= Qa / (N. Sin embargo. El mantenimiento del reactor libre de organismos no deseados es especialmente importante en cultivos de crecimiento lento. algunas veces. la naturaleza del producto en las fermentaciones de antibióticos proporciona cierta protección contra los contaminantes. Existe una relación para cada tipo de agitador dada por: Pg / P = f (Na) en la cual Pg representa la potencia que se consume por el agitador en las condiciones de aereación y agitación definidas por Na. Generalmente. Los fermentadores deben ser capaces de operar asépticamente durante varios días. los cuales pueden verse invadidos rápidamente por contaminantes. Di3) Donde Qa es el caudal de aire [m3/seg]. incluso meses. entre 3-5% de las fermentaciones realizadas en plantas industriales se pierden debido a fallos en el proceso de esterilización. Por ejemplo.Los fermentadores o biorreactores Figura 12 Sistemas aireados: Fluídos newtonianos La aireación. la frecuencia y causas de la contaminación difiere considerablemente de un proceso a otro. Se define el número de aireación: Na. Puesto que las válvulas son un potencial foco de contaminantes. En reactores agitados. todo el aire del recipiente y de las tuberías de conexión debe ser desplazado por vapor. en la producción a escala industrial de -interferón de fibroblastos humanos cultivados en biorreactores de 50 litros se ha encontrado una contaminación del 17%. El espacio existente entre el eje del agitador y el espacio del reactor debe estar sellado. En estos dispositivos. otro potencial punto de entrada de contaminantes es la unión entre el eje del agitador y el reactor (prensa estopa). El flujo de líquidos y gases desde y hacia el fermentador se controla por medio de válvulas. Estos diseños utilizan mangas flexibles o diafragmas de manera que el mecanismo de cierre está aislado del contenido de la tubería y no existen espacios muertos en la estructura de la válvula. Los cierres del agitador son especialmente un punto crítico del reactor. Para que la esterilización sea efectiva. una parte del ensamblaje permanece estacionaria mientras que la otra gira sobre el eje. por lo que normalmente se utilizan soldaduras pulidas como métodos de unión. su construcción debe ser apta para la operación aséptica. de manera que el eje no perfore el recipiente. tienden a presentar fugas alrededor del vástago de la válvula y acumulan sólidos del cultivo en el mecanismo de cierre.Los fermentadores o biorreactores mismos se pierden debido a contaminaciones por microorganismos. se introduce aire estéril con el fin de mantener una ligera presión positiva en el reactor y evitar la entrada de los contaminantes existentes en el medioambiente. Tan pronto cuando se para el flujo de vapor. que aseguren que el vapor alcance a todas partes del equipo. Para ello se recomiendan las válvulas de estrangulamiento y de diafragma. Las superficies de ambos componentes. el desgaste de las juntas facilita la entrada de contaminantes. capaces de aguantar repetidos ciclos de esterilización. Si se desea minimizar costos en la construcción de fermentadores. Tras la esterilización. En este caso debería instalarse un cierre mecánico doble para evitar fugas. todo el medio nutriente y el aire que entra al fermentador debe ser estéril. En los fermentadores de gran tamaño se utiliza normalmente cierres mecánicos. Los fermentadores industriales están diseñados para la esterilización "in situ" con vapor a presión. Sin embargo. es ventajosa la utilización de válvulas tipo esférico. Aunque estas válvulas se utilizan en la industria de la fermentación. realizadas con máquinas de precisión. Esto permite mantener el cultivo dentro del fermentador y previene de la contaminación que se produciría en caso de un descenso de la presión de operación. Los diseños comunes de válvulas exclusa y globo. la utilidad de los agitadores magnéticos es bastante limitada para cultivos viscosos. boquillas y otros accesorios. El mayor inconveniente que presenta este tipo de válvulas es la necesidad de revisar regularmente estos componentes. no son aconsejables si se necesita un elevado nivel de asepsia. Para prevenir este tipo de contaminación se han diseñado varios tipos de cierre del agitador. A su vez se colocan filtros que previenen el paso de microorganismos en las líneas de salida de gases. 17 . En los recipientes pequeños pueden utilizarse mecanismos de transmisión magnéticos para acoplar el eje del agitador y el motor. especialmente cuando se necesitan elevadas velocidades de transferencia de oxígeno. especialmente si este tiene su entrada por la parte inferior. El reactor debe estar libre de grietas y zonas estancas donde puedan acumularse líquidos o sólidos. Los cierres mecánicos construidos con carburo de silicio y carburo de tungsteno. Por el contrario. puertas. Con este dispositivo puede transmitirse potencia suficiente para agitar recipientes de hasta 800 litros. se presionan mediante muelles o fuelles de expansión y son enfriadas y lubricadas con agua. son especialmente indicados para su utilización en los fermentadores. Como cierre de la válvula se utiliza goma o neopreno. Si el fermentador opera durante largos períodos de tiempo. El reactor debe disponer de un número mínimo de estructuras internas. I y C cerradas. 18 . por lo que la ruta desde el tanque del inoculo hasta el fermentador se encuentra esterilizada. ambos recipientes se mantienen a presión positiva de aire. Entonces se cierra la válvula F y se abren las válvulas H e I y se usa aire estéril para forzar el contenido existente en el tanque del inoculo a entrar al fermentador. El fermentador y sus tuberías. mientras que las válvulas B y C están abiertas con el fin de mantener una barrera de vapor entre el reactor y el ambiente exterior. Dado que estas conexiones están abiertas antes de ser unidas. Posteriormente se cierran las válvulas D. El inoculo de reactores de gran tamaño procede de reactores mas pequeños. Entonces se cierra la válvula C. Para recoger caldo para análisis se colocan en los fermentadores lugares de muestreo. Con las válvulas H e I cerradas. Figura 13 En la figura 13 se muestra un ejemplo del sistema de tuberías y conexiones de válvulas que se necesitan para el traspaso. y con las válvulas A y B ligeramente abiertas. F y G.Los fermentadores o biorreactores Inoculación y muestreo del fermentador En el diseño del fermentador debe tenerse en cuenta la necesidad de inoculación y recogida de muestra de manera aséptica. La línea que conecta los recipientes se vacía de la mayoría del líquido residual soplando con aire estéril. el recipiente pequeño se une al fermentador mediante las conexiones A y B. se esterilizan por separado antes de añadir el cultivo al tanque del inoculo. con el fin de aislar el fermentador y vaciar el tanque del inoculo que ahora puede desconectarse en los puntos A y B. Inicialmente la válvula A está cerrada. Se abren las válvulas D y C para que fluya aire estéril al fermentador y mantener así la línea bajo presión positiva. En la figura 14 se presenta una posición típica de muestreo que mantiene el carácter aséptico del proceso. el vapor fluye a través de E. Con las válvulas D. El método de transferencia aséptica más sencillo consiste en presurizar el recipiente que contiene el inoculo con aire estéril. Para el muestreo se abre durante un breve instante la válvula A para enfriar la tubería y extraer cualquier condensado que pudiera diluir la muestra y posteriormente se descarga el caldo. H. estas deben esterilizarse antes de abrir el tanque de inoculo. H e I. de manera que el cultivo es arrastrado hacia el fermentador grande. Con el fin de evitar la contaminación durante dicha operación. saliendo lentamente por A y B. C. Tras 20 minutos de esterilización con vapor se cierran las válvulas E y G y los conectores A y B. se cierra parcialmente la válvula B para permitir que el vapor y el condensado fluyan a través de la puerta de muestreo. y el tanque que contiene el inoculo y sus tuberías incluyendo las válvulas H e I. En los biorreactores se utilizan normalmente tres tipos de difusores: porosos. de orificio y de boquilla. los rodetes y los deflectores determinan la eficacia de la mezcla y de la transferencia de oxígeno en los biorreactores agitados. el aire y para los diferentes instrumentos de medición como los sensores de pH y de temperatura. La mayoría de los fermentadores a escala piloto y a gran escala se construyen en acero inoxidable resistente a la corrosión (AISI 316). ya que el gas que puede atravesarlos es limitado debido a la gran resistencia al flujo que ofrece este tipo de difusores. Para construir fermentadores de hasta 30 litros de capacidad se utiliza el vidrio. Los difusores porosos de vidrio. aunque también se han utilizado acero dulce revestido de acero inoxidable. 19 . cerámica o metal sinterizado se utilizan en aplicaciones a pequeña escala. Diseño del difusor El difusor. En todas las partes del fermentador que entran en contacto con el cultivo debe evitarse el cobre y materiales que lo contengan debido a su efecto tóxico sobre las células. resistente a la corrosión y transparente.Los fermentadores o biorreactores Figura 14 Materiales de construcción Los fermentadores se construyen con materiales que puedan soportar repetidos ciclos de limpieza y esterilización con vapor. también conocidos como tuberías perforadas.(AISI 304). Puesto que se necesitan vías de entrada para el medio. Estos difusores consisten en una única tubería abierta o semiabierta que proporciona una corriente de burbujas de aire. Los difusores de orificio. En este difusor. Las ventajas del vidrio son varias: es liso. lo que permite una rápida inspección del contenido del recipiente. Para la camisa y otras superficies aisladas del caldo puede utilizarse acero inoxidable de menor calidad. Las ventajas que representa este difusor. la cual se coloca dentro de un anillo o atravesada en la base del reactor. están constituidos por pequeños agujeros realizados en la tubería. los agujeros deben ser lo suficientemente grandes como para minimizar los taponamientos. Los difusores de boquilla se utilizan en muchos biorreactores agitados tanto a escala de laboratorio como a escala de producción. Un problema añadido puede ser el crecimiento de células en los pequeños orificios que puede llegar a bloquear el difusor. los fermentadores de vidrio se equipan generalmente con tapas de acero inoxidable que permiten la colocación de juntas y uniones de manera segura y sencilla. no tóxico. Las superficies interiores de acero estarán pulidas “a espejo” para facilitar la limpieza y esterilización del reactor y las soldaduras se nivelan antes de ser pulidas. Los difusores de orificio se han utilizado en producción de levaduras y proteínas de seres unicelulares así como en el tratamiento de residuos. el inoculo. En todos los casos se preferirá el “electropulido” al pulido mecánico. Los materiales que se encuentran en contacto con el caldo y los medios de fermentación deben ser no reactivos y no absorbentes. tal como se muestra en la figura 15(a). La mezcla se puede alcanzar de diferentes maneras. También se han desarrollado otros diseños diferentes de difusores. generalmente es suficiente colocar cuatro deflectores regularmente espaciados. 20 . temperatura y otras propiedades. la profundidad del líquido en el tanque no debe ser superior a 1. los deflectores se colocan perpendiculares a la pared del tanque. siendo la más común en el bioprocesado la agitación mecánica mediante el rodete. el gas y el líquido se bombean simultáneamente a través de una boquilla para producir pequeñas burbujas. Para que exista una mezcla eficaz con un solo rodete. Estas disposiciones evitan la sedimentación y la formación de zonas estancadas al lado de los deflectores durante la mezcla de suspensiones viscosas de células. cuando atraviesa el líquido en pequeñas burbujas iii. como el aire. Para líquidos de baja viscosidad.25 veces el diámetro del mismo. En los diseños combinados difusor-agitador construidos para los fermentadores de menor tamaño. Para crear las condiciones ambientales óptimas para la fermentación.0-1. Combinación de los componentes solubles del medio. que son láminas metálicas unidas a la pared del tanque por medio de soportes. Este problema aumenta si la mezcla no mantiene en suspensión uniforme la biomasa. como los azúcares ii. la dispersión de los líquidos inmiscibles para formar una emulsión o suspensión de gotas finas v. Independientemente del diseño del difusor. se utiliza un eje de agitador hueco para la salida del aire. tal como se muestra en la figura 15(b y c). como las células iv. pero es del orden de 1/10 a 1/12 el diámetro del tanque. circula a través del reactor y periódicamente regresa a la región del rodete. El líquido es empujado fuera del rodete. El efecto rotatorio del rodete consiste en bombear el líquido y crear un flujo regular. reducen los vórtices del líquido. Los deflectores también pueden montarse separados de la pared a una distancia de 1/50 el diámetro del tanque o formando un ángulo. Donde es necesario. Mezclado El mezclado es una operación física que hace al fluido más uniforme. Para prevenir la formación de vórtices. ya que a menos que el cultivo se encuentre bien mezclado se formarán zonas sin nutrientes en aquellos puntos de mayor consumo por parte de las células. los biorreactores deben proporcionar a las células acceso a todos los substratos. El mezclado incluye: i.Los fermentadores o biorreactores son la baja resistencia al flujo de gas y el mínimo riesgo de taponamiento. La mezcla se alcanza utilizando un rodete instalado sobre el fondo del tanque. No es suficiente con llenar el fermentador con el medio rico en nutrientes. La anchura óptima de los deflectores depende del diseño del rodete y de la viscosidad del fluido. incluyendo el oxígeno en los cultivos aerobios. eliminando gradientes de concentración. En los difusores eyector-inyector de dos fases. éste debe tener en cuenta la posibilidad de realizar la limpieza del interior de la tubería “in situ”. La dispersión de gases. La mejora de la transmisión del calor hacia o desde el líquido El mezclado es una de las operaciones más importantes en el bioprocesado. Los deflectores. Equipo de mezcla Los tanques agitados se construyen generalmente de forma cilíndrica con la base conformada de tal manera de eliminar esquinas y cavidades donde las corrientes del fluido no puedan penetrar y propiciar la formación de regiones estancadas. El mantenimiento de la suspensión de partículas sólidas. entre los que se destacan la viscosidad del fluido que se va a mezclar y la sensibilidad del sistema al esfuerzo de corte (cizalla mecánica). como las hélices y los tornillos helicoidales. en otros.Los fermentadores o biorreactores Figura 15 En la figura 16 se muestran algunos diseños de rodetes aunque existen muchos más. la pendiente de las palas varía en forma continua. Algunos rodetes presentan también palas planas. La elección del rodete depende de varios factores. Figura 16 El rodete más usado en la industria de la fermentación es la turbina de disco con 6 palas planas. Este se conoce también como turbina Rushton. 21 . De esta manera el aire húmedo que entra al fermentador tiene menos capacidad de evaporación que el aire seco. CAMBIO DE ESCALA En general. Parámetros como la temperatura. En la industria fermentativa. Para evitar problemas de evaporación. los reactores con los mayores volúmenes se encuentran en la producción de antibióticos. Por ejemplo. Sin embargo. Para proporcionar un ambiente adecuado. se han utilizado factores mayores. Este problema es más significativo en los reactores agitados por aire. La evaporación puede ser importante cuando se trabaja con productos o substratos más volátiles que el agua. En la industria química. ya que los caudales de gas para una mezcla y transferencia de materia adecuadas es generalmente mayor que en los reactores agitados mecánicamente. los procesos comerciales se realizan en base a datos experimentales. No obstante en la actualidad. Los caminos que uno puede escoger para aumentar la productividad son: 22 . El objetivo es obtener similares rendimientos con la misma calidad de producto. Monitorización y control de los biorreactores El ambiente existente en el interior de los reactores debe permitir una óptima actividad catalítica.0 v v m (volúmenes de aire por volumen de medio y por minuto) se ha encontrado que partiendo de una concentración inicial de alcohol del 5% se pierde el 30-50% del substrato en 48 horas debido a la evaporación. el pH la concentración de oxígeno disuelto. las propiedades del sistema deben estar monitorizadas y así poder controlar cualquier desviación de los valores deseados. En la industria de la fermentación existen varios niveles del control de proceso. la velocidad del agitador y la velocidad de difusión de aire tienen un importante efecto sobre el rendimiento de la fermentación y sobre las reacciones enzimáticas.51. el agua del medio está continuamente siendo extraída del mismo y abandona el sistema como vapor. Los fermentadores pueden equiparse también con condensadores de agua fría para retornar al caldo cualquier vapor arrastrado en el gas de salida. El propósito del cambio de escala es la selección de las condiciones de diseño y de operación para asegurar que el efecto de las diferentes variables sobre el proceso es el mismo en unidades de diferentes tamaños. las especies Acetobacter se utilizan para producir ácido acético a partir de etanol en un proceso altamente aerobio que requiere grandes cantidades de aire. El más simple es el control manual. la mayoría de los componentes del aire son inertes y salen directamente a través de la línea de salida de gases. en la década del 1930 los cambios se realizaban en un incremento individual que no debía pasar un factor de 10. scale-up (cambio de escala) está asociado con la transferencia o mejoramiento de los procesos obtenidos en el laboratorio a escala industrial. el aire inyectado en los fermentadores puede humectarse previamente haciéndolo burbujear a través de columnas de agua situadas fuera del fermentador. La pérdida de agua por evaporación durante un período de varios días puede ser importante. Si el aire que entra al fermentador se encuentra seco. fermentación alcohólica y planta de tratamiento de efluentes. que requiere un operador humano para manipular dispositivos como bombas.Los fermentadores o biorreactores Control de la evaporación A los cultivos aerobios se les inyecta aire de manera ininterrumpida. Debido al aumento del uso de computadoras en la industria de la fermentación es posible utilizar estrategias avanzadas de control y optimización basadas en modelos matemáticos de fermentación. El control automático se utiliza para mantener los parámetros en sus valores prefijados. motores y válvulas. Es conocido que en la industria química y farmacéutica. Para reactores agitados operando con caudales de aire de 0. t o expresado en forma logarítmica ln b/bo= t (1) Por otra parte sabemos que el tiempo en fase exponencial t puede expresarse en términos de tg (tiempo de generación) y el Ng (número de generaciones): t = Ng tg (2) Por otro lado tg= ln 2/ Reemplazando en la ecuación (2) y despejando Ng Ng= t / ln2 y de la ec (1) Ng= (ln b/bo ) / ln 2 = (ln b . Cambiar el modo de operación de un proceso. pero debemos evitar un cambio en la cinética. 23 .X ) . Durante el cambio de escala todas las variables cambian.Los fermentadores o biorreactores Aumentar la escala.ln bo ) / ln 2 De la ecuación anterior podemos ver que el aumento de volúmen asociado al cambio de escala trae aparejado un incremento en el número de generaciones.ln bo ) / ln 2 Pero b = X. Cambiar el medio de cultivo. veremos como se afectan las siguientes propiedades: Volumen final Número de generaciones Esterilización Dinámica del fluido Influencia sobre el Número de generaciones Si definimos como bo= biomasa inicial (cfu) y b= biomasa final (cfu) 1 db b dt Integrando la ecuación anterior entre bo y b nos queda la expresión de la biomasa en función del tiempo: b= bo e. donde X= conc. V . Como una de las formas consistía en aumentar el volumen. celular en cfu/ml y V= volúmen en ml Ng=( ( ln V. Cambiar la cepa. El cambio de escala está asociado con la transferencia de los datos obtenidos en el laboratorio a escala piloto a la escala industrial. a F.HL1 1 kl.v.H db 3/ 2 .a 2 (F / V )L 2 . Puesto que las propiedades físicas del caldo en el fermentador grande son las mismas que en el de laboratorio. de donde (kLa)1 = (kLa)2 siendo 1= escala de laboratorio 2= escala industrial Considerando db1 = db2 y 1 =2 kl.V donde F= velocidad de flujo de gas H= altura de líquido db= diámetro de la burbuja = velocidad terminal ascendente de la burbuja V= volúmen de líquido Un criterio muy utilizado en el cambio de escala de procesos aeróbicos es utilizar el mismo coeficiente de transferencia de masa de la escala de laboratorio.HL 2 Por lo tanto HL 2 (F / V )1 HL1 (F / V ) 2 Por ejemplo si nuestro equipo industrial es 5 veces más alto que el de laboratorio: HL2 = 5 HL1 Reemplazando esta equivalencia en la ecuación anterior HL 2 (F / V )1 =5 HL1 (F / V ) 2 y si (F/V)1 = 1 v.a1 (F / V )1 .1 / 2 . se puede asumir: (kLa)1 = (kLa)2 Los coeficientes volumétricos de transferencia pueden escribirse en función de las siguientes propiedades: kl. el problema se concentra en estimar la velocidad de aireación en el gran recipiente y se asume por simplicidad agitación no mecánica.Los fermentadores o biorreactores Dinámica del fluído Suponiendo que las condiciones de aireación que dan la máxima productividad en una fermentación específica han sido establecidas en un fermentador piloto y luego transferidas al fermentador de escala proceso tiene la misma configuración geométrica.m 24 . NDi.Los fermentadores o biorreactores En el fermentador industrial debemos aplicar una relación (F/V)2 = 0. N23 Di22 = N13 Di12.8 El factor de esterilización aumenta con el cambio de escala.Igual coeficiente de transferencia de masa . especialmente en la transferencia del oxígeno desde las burbujas de gas. y se parte con un medio que posee la misma carga inicial de esporas. determina el máximo esfuerzo de corte en el tanque como el tamaño de las burbujas. Potencia por unidad de volumen constante La potencia suministrada al sistema por la agitación y aireación tiene diferentes efectos sobre la conducta hidrodinámica del sistema y las características de transferencia de masa.Máximo esfuerzo de corte . Calculemos el factor = ln( No / N)= 34. . La relación P/V determina el valor del número de Reynolds el que influye en el grado de turbulencia y en el coeficiente de transferencia de masa. Por un lado. luego = 36. de donde 25 . Métodos de Cambio de Escala más frecuentemente empleados El cambio de escala de biorreactores geométricamente semejantes.m. Los más comúnmente empleados son los criterios basados en igual potencia de agitación por unidad de volumen e igual coeficiente de transferencia de masa. se lleva a cabo generalmente por alguno de los siguientes métodos: . Cuando el fluido en el tanque es completamente turbulento. luego P/V N3Di2 Con la imposición de igual potencia por unidad de volumen.2 v. la velocidad de agitación lineal.5 Si se requiere la misma probabilidad de contaminación en el reactor de 10000 dm 3. Esterilización Una esterilización fue corrida a escala piloto en un recipiente de 1000 lts.Igual tiempo de mezclado Todos los factores antes mencionados están relacionados con las variables del sistema pero de diferentes formas.v.Igual potencia de agitación por unidad de volumen. el número de potencia es P N3Di5 Como el volumen varía proporcionalmente al Di3. con un medio que contenía 106 esporas/cm3. lo que hace necesario conocer el factor de degradación de los nutrientes para escoger un correcto valor de temperaturas y tiempos. requiriéndose una probabilidad de 1 batch en 1000 esterilizaciones. Es posible que los agitadores colocados en la parte superior. consuman más potencia que los inferiores.67 Puede observarse que los valores de KLa son prácticamente proporcionales a la P g/V. x.Los fermentadores o biorreactores D N1 N 2 i2 Di1 2/3 Este método fue empleado en el escalado de la producción de penicilina. 26 .67 0. los fermentadores tenían una potencia de 2 kW/m3. con una velocidad de agitación calculada de acuerdo a la expresión antes citada. Un gran número de correlaciones que relacionan el KLa con la Potencia por unidad de volumen y la velocidad superficial. Coeficiente Volumétrico de transferencia de masa constante A menudo es un criterio muy utilizado. Sin embargo. En general. y son factores empíricos específicos del sistema bajo investigación. aunque no hay garantía de un buen mezclado. ya que en los procesos aerobios es importante garantizar esta transferencia. demostró que la relación dependía del tamaño del recipiente obteniendo la siguiente tabla: Escala Laboratorio Planta piloto Planta de producción Exponente de Pg/V 0.5 Los recipientes empleados por Bartholomew contenían más de un agitador en tanto que el recipiente empleado por Cooper poseía sólo uno. Bartholomew (1960). han sido relacionadas y presentan la siguiente forma: k L a k(Pg / V ) x v s y donde Pg= potencia en el sistema aireado V= volumen de líquido en el recipiente vs= velocidad superficial del aire k. Cooper y otros (1944) determinaron kLa en varios recipientes agitados y aireados (volúmenes superiores a 66 dm3) con un solo impulsor usando la técnica del sulfito y derivaron en la siguiente expresión: k L a k(Pg / V ) 0.95 v s 0.95 0.