Diseño de Reactores BiológicosTipo de Reactores y Principales Características …Previamente pudimos ver qué eran las células, cómo trabajan y cómo crecen… Por Ejemplo Qué hace una levadura? Cinética de crecimiento microbiano Cuantificación del crecimiento. Modelos cinéticos. . Modelos cinéticos de crecimiento controlados por sustrato . . . Inhibición • Inhibición por sustrato • Inhibición por producto • Inhibición por productos tóxicos •Competitiva •No competitiva •Acompetitiva .Modelos cinéticos . . . . Decisión. luego veremos que tenemos reactores con características intermedias.1ra. clarificarán aspectos importantes en la selección de los reactores . Las consideraciones de estas alternativas extremas. Cómo será el esquema de cultivo BATCH CONTINUO Entre estos extremos . . • La mayoría de los batch operan con una relación Xf/X0 ≈ 10-20. – Sembrado – Recuperación del producto del reactor • t1 debe considerarse dentro del cálculo de tiempo de proceso y depende del diseño del reactor y características del proceso (3-10 hs).Batch o discontinuos • Producción de biomasa o producto. • Tiempo muerto (t1): – Preparación del reactor (esterilización y carga). No estructurado y no segregado . depende del rendimiento y de la cantidad de sustrato limitante Consideraciones: •X0<<Xf •Y se agota el sustrato Modelo de Monod.Batch o discontinuos •Volumen constante (VR = cte) •Cerrado para fase líquida. Xf. •La concentración final de biomasa. Batch o discontinuos 𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴 − 𝑆𝐴𝐿𝐼𝐷𝐴 + 𝐺𝐸𝑁𝐸𝑅𝐴𝐶𝐼𝑂𝑁 − 𝐶𝑂𝑁𝑆𝑈𝑀𝑂 = 𝐴𝐶𝑈𝑀𝑈𝐿𝐴𝐶𝐼𝑂𝑁 Balance de Masa Celular: Balance de Masa para Sustrato: Balance de Masa para el Producto: . Quimiostato .Reactores continuos. Quimiostato Balance de Masa Celular: Medio fresco: alimentación estéril Medio fresco: alimentación estéril y Sustituyendo: Si estamos en la etapa de crecimiento exponencial: kd≈0 Si cumple Monod Si hay gasto por mantenimiento y kd comienza a ser NO despreciable .Reactores continuos. Reactores continuos. Reemplazando por D y reacomodando: (1) Si hay gasto por mantenimiento y kd comienza a ser NO despreciable Si estamos en la etapa de crecimiento exponencial: kd≈0 Entonces de (1) Rendimiento Aparente . Quimiostato Balance de masa para el sustrato: Considerando despreciable la generación de productos. . . . . • No son flexibles. • Calidad de los productos constante Desventajas. Luego de prolongados períodos de producción pueden generarse mutantes no productivos. • No se logra conversión total de sustrato . Acido cítrico. • Inestabilidad genética.Características de los reactores continuos Ventajas • Producción a gran escala de productos baratos (ej. la productividad es elevada. Bajos costos de capital y de producción. • Riesgo a infecciones. acido láctico). • Inversión elevada. • Debido a la naturaleza auto catalítica de las reacciones biológicas. • Equipamiento aguas abajo difícilmente pueda operarse en modo continuo. • Mayor Flexibilidad.Características de los reactores discontinuos o batch Ventajas Desventajas. ya que la velocidad de su producción no está asociada a la del crecimiento de biomasa. • Mayores costos operativos. la cepa. • Se reduce el riesgo de infecciones • Mayores tiempos de y mutaciones debido a que opera producción y por lo tanto. tiempos acotados y no se reutiliza menor productividad. • Util para la obtención de metabolitos secundarios. • Productos caros que se fabrican en pequeñas cantidades . Otros esquemas . Fed-Batch o semicontinuo • Aprovechar las ventajas del sistema continuo disminuyendo el riesgo de mutaciones e infecciones. por ej el rendimiento de la levadura panadera. al incorporar gradualmente el sustrato que podría producir inhibición o generación indeseable de alcohol . • Se logra incrementar. . . Y teniendo en cuenta que D = F/V La velocidad de crecimiento se ve regulada por la alimentación por lo que S ~ 0. . o sea que el sustrato es completamente consumido apenas ingresa en el biorreactor y por lo tanto dX/dt ≈ 0. Recirculación de biomasa. Permite trabajar con mayores D sin riesgo de lavado. Quimiostato con retención celular •Para lograr mayor conversión de sustrato. •Alta densidad celular. . •Ventaja adicional frente al reciclo mediante centrifugación. es que se pueden remover subproductos inhibitorios o enzimas que se liberan de células muertas .Bioreactores de membrana o fibra hueca •También se los denomina de perfusión si se utilizan con células animales. Sistemas de quimiostatos multietapas. Generalmente el crecimiento celular se dará en la 1ra etapa y el producto en la segunda . claramente este arreglo es más eficiente que un solo reactor. Si el producto deseado es un metabolito secundario. FPI .Reactores continuos. . . • La gran diferencia entre los tiempos de retención del gas y del líquido impiden el uso de FPI en simple paso. • Operación en lecho fijo. Se puede utilizar a continuación de otro reactor.Características de FPI Ventajas Desventajas • Se obtienen altas conversiones de sustrato. • Requiere alimentación de células. • Alta conversión de sustratos en estado gaseoso (loop reactors). Enzimas o células inmovilizadas. Biofilms reactors. . . . . Disminuye daño por abrasión de las células. El sistema se torna muy heterogéneo por las limitaciones de transporte y es difícil de controlar. Mejora estabilidad genética. el crecimiento y la evolución de gases ocasiona problemas y puede conducir a ruptura de soporte. Se elimina el problema de “wash out” a altas velocidades de dilución. Reutilización de las células sin necesidad de reciclo. Limitaciones por transferencia de masa. Eliminación de un compuesto tóxico de una corriente. Muy útiles para tratamiento de aguas y bioremediación. Altas productividades . Desventajas • • • • No se pueden usar para productos que no sean excretados por la célula.Características de sistemas inmovilizados Ventajas • • • • • • • • Proveen alta concentración celular. . Si las células están vivas. Escalado .Configuraciones. . . . LOOP –reactor: una combinación útil de tanque agitado y FPI . . Agitación orbital .