Tema 5Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación Objetivos Conocer los tipos de biorreactores y sus características. Saber las aplicaciones generales de los diferentes tipos de biorreactores Conocer las formas de operación en los biorreactores con los diferentes biocatalizadores. Determinar, una vez conocido el biocatalizador, las posibles configuraciones de biorreactores para llevar a cabo una transformación determinada. Determinar el tipo de operación más adecuado a emplear en la transformación. Contenidos Clasificación de los Biorreactores Biorreactores con biocatalizadores en suspensión: Agitación Mecánica y Agitación Neumática Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados: Enzimas y Células. Biorreactores especiales Tema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación ARQ BIORREACTOR Recipiente en el que se lleva a cabo una transformación en la que interviene un biocatalizador Características Generales • Condiciones de operación suaves (Poco aporte energético) • Transformación isoterma (Resolución BM y BE no acoplado) • Productividad (actividad y estabilidad biocatalizador, rdto producto) Tema 5.- Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación ARQ métodos Biorreactores especiales: estado sólido...Biorreactores: Tipos. métodos Biorreactores especiales: estado sólido. G-L-S) Biocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células Biocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Clasificación de Biorreactores TIPOS de BIORREACTORES Clasificación Forma Tanques h ≅ Ø Tubos h >> Ø Heterogéneos Otros Fases Homogéneos Tipo de operación Discontinuo Continuo Semicontinuo Estado Biocatalizador (heterogéneos. fotobiorreactores. Tema 5. G-L-S) Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células. Tema 5.Clasificación de Biorreactores TIPOS de BIORREACTORES Clasificación Forma Tanques h ≅ Ø Tubos h >> Ø Heterogéneos Otros Fases Homogéneos Tipo de operación Discontinuo Continuo Semicontinuo Estado Biocatalizador (heterogéneos. G-L-S) Biocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células. fotobiorreactores. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ .Biorreactores: Tipos. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ .. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Distribución homogénea del catalizador: Agitación Tipo de agitación Agitación mecánica: equipo mecánico Agitación mecánica: equipo mecánico Agitación neumática: gas a presión Tema 5.Biorreactores: Tipos..Biorreactores: Tipos.Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Distribución homogénea del catalizador: Agitación Tipo de agitación Agitación mecánica: equipo mecánico Agitación neumática: gas a presión Tema 5. Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Agitación Mecánica Reactor tipo TANQUE AGITADO Características generales • Tipo de Flujo (ideal): Flujo en Mezcla Perfecta • Relación h/Ø: 1 • Versátiles: permite cambios. uso multipropósito • Los más empleados • Agitados mecánicamente (tipos de agitadores): consumo relativamente elevado de potencia • Otros elementos: bafles deflectores.. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ .Biorreactores: Tipos. camisas • Tipo de operación: Discontinua. rompe-espumas • Aireados (células aerobias): Distribuidores de aire • Transferencia de calor: Serpentines.Biorreactores: Tipos. Continua Tema 5. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Distribución homogénea del catalizador: Agitación Tipo de agitación Agitación mecánica: equipo mecánico Agitación neumática: gas a presión Agitación neumática: gas a presión Tema 5.. Semicontinua. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ .. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Columna de burbujeo Régimen de Flujo Flujo Homogéneo Flujo Heterogéneo Tema 5.Biorreactores: Tipos..Biorreactores: Tipos. Continua Accesorios: recirculación (AIR-LIFT) Células susceptibles daño Tema 5. Cambiador externo Tipo de operación: Discontinua. Reactores tubulares (COLUMNAS de BURBUJEO) Agitados neumáticamente (gas a presión) Aireados: Distribuidores de aire Transferencia de calor: Serpentines.Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Agitación Neumática Reactores tipo COLUMNA Características generales Relación h/Ø: > 6/1. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Air-lift Características Fase sólida (microorganismo) “disuelta” en fase líquida Células susceptibles de daño celular (células superiores) Características de diseño: . levadura panadería. SCP.distribuidores o inyectores de gas . aguas residuales Características de diseño: .Biorreactores: Tipos.Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Columna de burbujeo Características Fase sólida (microorganismo) “disuelta” en fase líquida Células susceptibles de daño celular Microorganismos floculantes (Lecho fluidizado trifásico) Procesos: Producción cerveza.Parte superior con mayor diámetro (arrastres): ↓vS Control por velocidad de transporte de oxígeno→Sistemas bifásicos (control película líquida) Diseño: f (flujo en el recipiente): f (mezcla axial)⇒ Modelos de dos zonas Tema 5.distribuidores de gas parte inferior recipiente ..Elementos mecánicos internos (externos)→Movimiento del líquido Control por velocidad de transporte de oxígeno→Sistemas bifásicos (control película líquida) Diseño: f (flujo en el recipiente): f (mezcla axial)⇒ Modelos de tres zonas Tema 5. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . vinagre..Biorreactores: Tipos. .Biorreactores: Tipos. Movimiento líquido ascendente y descendente separados físicamente Gas se introducido en zona ascendente. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Air-lift Salida gas Configuraciones: Recirculación interna Salida gas Tubo o bafle Descendente Ascendente Distribuidos de gas Entrada gas (aire) Entrada gas (aire) Tema 5.. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . CONFIGURACIONES: Recirculación interna Recirculación externa. Tema 5.Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Air-lift Características Procesos: cultivo de células superiores (animales y vegetales) tejidos u órganos de células vegetales tratamiento aguas SCP (a partir de metanol) Dos ZONAS (ASCENDENTE y DESCENDENTE): Diferente densidad: Separación gas zona superior.Biorreactores: Tipos. Biorreactores: Tipos. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Características Comparación Agitación Mecánica y Neumática Viscosidad Volumen reactor Pequeño Potencia Daño celular Elevado Transferencia calor Generación elevada (sistemas no muy exotérmicos) Generación baja (todo tipo de sistemas) Mecánica Baja y Alta Elevada Neumática Baja Elevado Moderada Bajo Tema 5..Biorreactores: Tipos..Biorreactores con biocatalizadores en suspensión Air-lift Salida gas Configuraciones Recirculación externa Descendente Ascendente Distribuidos de gas Entrada gas (aire) Tema 5. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . Aplicaciones y Formas de Operación ARQ ..Biorreactores: Tipos. métodos Biorreactores especiales: estado sólido.Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados TIPOS de BIORREACTORES Clasificación Forma Tanques h ≅ Ø Tubos h >> Ø Heterogéneos Otros Fases Homogéneos Tipo de operación Discontinuo Continuo Semicontinuo Estado Biocatalizador (heterogéneos. Aplicaciones y Formas de Operación Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Tipo de biocatalizador Enzimas Células Tema 5. ARQ Tema 5.Biorreactores: Tipos. fotobiorreactores. métodos Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y enzimas y células.. G-L-S) Biocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células Biocatalizadores inmovilizados:células. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Enzimas Tanque agitado (CSTR) • Equipos cilíndricos h≈D • Agitación mecánica • Mezcla perfecta (líquidos con baja viscosidad) • Homogeneización: Elevada N (P/V)⇒posible abrasión • Bajos costes producción • Gran automatización • Equipos versátiles • Enzimas inmovilizadas: configuraciones • partículas suspendidas (filtro) • Partículas retenidas (agitador.Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Enzimas Reactores Heterogéneos • Elevadas producciones.. calidad constante • Mayor estabilidad E que en suspensión.Biorreactores: Tipos. Inmovilización • Reutilización catalizador (Alto precio) •Tanques agitados • Lechos Tema 5.. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . bafles) • Circulación partículas Tema 5.Biorreactores: Tipos. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Enzimas Lecho fijo Reactores tubulares Lecho fijo •Elevadas [E] •Alto inmovilizado •Bajos costes producción (automatización) •Flujo pistón: f(z). no f(r) •Enzimas inmovilizadas: configuraciones • lecho fijo • lecho de fibra • monolito Lecho de fibra Monolito Tema 5.Biorreactores: Tipos...Biorreactores: Tipos.Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Enzimas Tanque cesta Tanque agitado (CSTR) Tanque (tabiques) Tanque slurry Tema 5. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . No esterilidad: tratamiento residuos Filtro biológico Tema 5. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Células INMOVILIZACIÓN PASIVA Crecimiento células en superficies materiales rugosos Operación en continuo .Gran capacidad de TM .Cambio de escala no complicado .VENTAJAS: .DESVENTAJAS: .Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Células Tipo de inmovilización Pasiva Activa Tema 5.Biorreactores: Tipos..Biorreactores: Tipos.No pre-producción células ..Partículas reutilizables . Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . No gran aporte de O2 .Eliminación CO2 .Complejidad diseño .Robustez biocatalizador: diseños agitador .Introducción catalizador activo .Proceso aerobio: limitaciones INMOVILIZACIÓN ACTIVA Lecho fluidizado Lecho fijo ..Taponamiento lecho: Células no viables o resting cells .MO susceptibles de daño celular .facilidad operación .DESVENTAJAS: . Aplicaciones y Formas de Operación ARQ .VENTAJAS: .↑velocs reacción .Biorreactores: Tipos.Tratamiento L-S . etanol Celulasa Ác γ-linolénico Lipasa Penicilina Tema 5.Biorreactores: Tipos. mínima fluidización con recirculación líquido . cerevisiae Clostridium acetobutilicum Trichoderma viride Mucor ambiguus Rizopus chimensis Penicillium chrisogenum Soporte Espuma de poliuretano Espuma de poliuretano Espuma de silicona Acero o espuma de poliester Esponja natural Acero Espuma de poliuretano Espuma de poliuretano Espuma de poliuretano Producto Tratamiento de residuos Metano Amilasa Etanol Acetona.Fácil Control y medida .Pequeñas partículas con elevada área .No esterilidad Tema 5.Veloc.Mala estabilidad . coli S.Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Células INMOVILIZACIÓN PASIVA Ejemplos Células Cultivo mixto Microorganismos metanogénicos E. butanol. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Células Tanque agitado .MO aerobios y anaerobios .. . estructura. hidrofobicidad. siliconas ⇒Permeabilidad: f(tamaño.Biorreactores: Tipos.. coli S.intercambio iónico ⇒Forma: fibras huecas (hollow fiber Tema 5. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . f(tamaño celular) MEMBRANAS: ⇒Material: acetato y nitrato celulosa .Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Células INMOVILIZACIÓN ACTIVA Ejemplos Reactor Lecho fijo Lecho fluidizado Tanque agitado Células E.1 y 5 µm.ultrafiltración (poliméricas) polipropileno poliacrilonitrilo.Membranas preformadas: separación células del medio -Operación continua ⇒tamaño: 0.cerámicas. cerevisiae Brevibacterium flavum Cultivo mixto Células animales Inmovilización Gel poliacrilamida Alginato cálcico Colágeno ----- Producto fumárico⇒aspártico Etanol Ácido glutámico Tratamiento aguas Anticuerpos monoclonales Tema 5. carga) . Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Células INMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento) Reactores de membrana . etc .Biorreactores: Tipos. Método inmovilización no daña metabolismo: “en suspensión” ..Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Células INMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento) Reactores de membrana VENTAJAS: .Posibilidad de permeabilidad selectiva: ..Entada de nutrientes por membranas diversas .Resting cells: combinación reacción y regeneración .Transporte por difusión.No a inhibidores .Mayor pureza producto: Down-stream .Transferencia de Materia: .Compatibilidad células con membranas sintéticas: metabolismo .Distribución heterogénea de sustratos: empleo resting cells .Empleo para células viables con o sin crecimiento (resting cells) .Empleo de medios no acuosos sin emulsión (y separación de fases) .Monitorización y control Reactores de membrana Ejemplos Células E.No wash-out .Biorreactores: Tipos. . Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados Células INMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento) DESVENTAJAS: .Componentes de fases L y G por membranas diferentes (no oxigenación L) . coli Lactobacillus delbrenkri Producto β-lactamasa Ácido láctico Tema 5. mo móviles .Protección contra stress hidrodinámico Tema 5.Distribución heterogénea de células.Biorreactores: Tipos. . G-L-S) Biocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células.Biorreactores especiales TIPOS de BIORREACTORES Clasificación Forma Tanques h ≅ Ø Tubos h >> Ø Heterogéneos Otros Fases Homogéneos Tipo de operación Discontinuo Continuo Semicontinuo Estado Biocatalizador (heterogéneos. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores especiales Tipo de transformación Fermentación en estado sólido Fotobiorreactores Tema 5. intensificación de procesos fotobiorreactores Tema 5. fotobiorreactores.Biorreactores: Tipos.Biorreactores: Tipos. Biocatalizadores especiales: estado sólido.. métodos Biorreactores especiales: estado sólido. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . Biorreactores: Tipos.↓Posibilidad de contaminación (%H2O) . Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores especiales BIORREACTORES ESPECIALES Estado Sólido Reactores rotatorios .Desarrollo de estructuras microbianas morfológicas diferenciadas DESVENTAJAS: . levaduras .Ambiente selectivo (actividad agua)⇒Mohos.Volumen pequeño (economía) . gas. bacterias.Dificultad de control .Procesos: Vino.Separación producto sencilla (líquido. sólido) .Biorreactores especiales BIORREACTORES ESPECIALES Estado Sólido Agitación Mecánica: Tanques agitados Fermentadores rotatorios Biorreactores pulsantes Operación continua o discontinua Tema 5. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ .Procesos anaerobios y microaerófilos .Bajos niveles de humedad (40%. Tratamiento residuos (Discontinuo) VENTAJAS: .. Salsa de soja.Medio heterogéneo: mala mezcla . <80%) ..Volúmenes mayores⇒gradientes (rotura micelios) Tema 5.Sustratos sólidos .Excreción de enzimas extracelulares .Biorreactores: Tipos. .Biorreactores: Tipos. elevada viscosidad Aerobio.(H2O) .Elevada viscosidad . Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . émbolo) .Agitación pos pulsos: movimiento elementos equipo (platos. antioxidantes.CO2→Metabolitos (autótrofo) . FOTOBIORREACTORES ⇒Complemento alimentario (biomasa) ⇒Espacio: O2 y alimento ⇒Producción metabolitos de valor añadido ⇒Pigmentos.Procesos aerobios .Biorreactores especiales BIORREACTORES ESPECIALES BIORREACTORES PULSANTES . fijación CO2) ⇒Inóculos suelos contaminados ⇒Regeneración atmósfera sistemas cerrados Tema 5. elevada viscosidad ---Aerobio.Aplicaciones: Operación continua Producción Metabolitos Tratamiento de residuos Células Cyathus striatus Aspergillus niger Zymomonas mobilis Acetobacter aceti Levadura Cultivo mixto Producto Antibióticos Ácido cítrico Etanol Ácido acético SCP Tratamiento de residuos Características proceso Aerobio.Biorreactores: Tipos.Energía luminosa (fotótrofo) . anaerobio Tema 5. inmovilización aerobio Aerobio.Compuesto dador de e.Organismos fotosintéticos: bacterias fotosintéticas. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Biorreactores especiales BIORREACTORES ESPECIALES . prods farmacéuticos ⇒Medioambiente ⇒Eliminación sustancias tóxicas (metales pesados. cianobacterias. microalgas.. McGraw-Hill. Marcel Dekker.Eficacia sistema iluminación: µ .C. . J.S. 1998. B. Basic Concepts.↑I luz incidente Tema 5. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ . 15-45. Prentice Hall. (eds. 292300 Doran. 131-144. 1986.↑Superficie de T. J. Aplicaciones y Formas de Operación ARQ Tema 5 Biorreactores: Tipos. 2ª Ed. Ingeniería Bioquímica.W. 2nd Ed. Marcel Dekker.Luz natural FOTOBIORREACTORES . 1995. y López Santín. F.F. 608-624 Bailey. Bioreactor System Design. 2ª Ed. Síntesis.E. 1994. D. y Merchuck. F. y Mavituna. Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook. P. Atkinson. Stockton Press. Reverté. Bioprocess Engineering Principles.Biorreactores: Tipos. 1986. Biochemical Engineering Fundamentals. B. 336-353.. Biochemical Engineering. Volumétrica absorción luz: . 139-206.Luz artificial Poco gasto energético Difícil control Pureza Fases luz-oscuridad Menor productividad Continuos Buen control condiciones Calidad cte producto Permiten esterilización Elevado gasto energético Dificultad cambio de escala . Academia Press.E. F.Biorreactores especiales BIORREACTORES ESPECIALES ACTIVIDAD BIOSINTÉTICA: . 1996. 2002.L. 299-230 Shuler.A. 276-277. 535-539 Blanch H. M. M. Bioprocess Engineering.. 245-290 Tema 5. Godiá. Reactores Bioquímicos. y Ollis.Veloc. Atkinson. D. J. y Clark..). Casasblancas. y Kargi. Aplicaciones y Formas de Operación Bibliografía recomendada Asenjo.Biorreactores: Tipos. 1991. J.