Biorreactor continuo, Diapositivas de Biotecnología

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Diseño de Bio-reactores

Introducción

Fermentación e Ingeniería Metabólica

Cultivo Continuo Perfectamente

Agitado

Cultivo Continuo

Existen diferentes modos de operar fermentadores continuo:

• (^) Quimostato (Perfectamente agitado, CSTR, RPA)
  • (^) Si el biorreactor está bien mezclado, la corriente de producto que sale del bio-reactor posee la misma composición que el líquido presente en el interior del reactor.
• (^) Flujo Pistón
  • (^) Hay un frente de reacción que avanza a lo largo del reactor.

Características del Quimostato Se le llamó Quimostato dado que la composición química y biológica del medio se mantiene constante, para ello se debe controlar:

• (^) El volumen del líquido en el reactor se mantiene constante, ajustando los flujos de entrada y salida al mismo valor.
• (^) El pH del medio mediante la adición de ácido o base. Generalmente se adiciona ácido.
• (^) El suministro continuo de O 2 ( o aire), en el caso de sistemas aeróbicos.
• (^) Un nivel de agitación adecuado que garantice la homogeneidad del sistema.

Los principales componentes de un

cultivo continuo son:

• (^) Reactor de volumen constante
• (^) Sistema de alimentación de medio y salida de producto.
• (^) Tanque estéril de medio (entrada y salida)
• (^) Control de pH, T, OD (Oxígeno disuelto)
• (^) Sistema de aireación y agitación.

Ventajas del cultivo continuo Se pueden producir grandes cantidades de producto. Incremento de la productividad Dependiendo del producto se pueden llegar a cientos de metros cúbicos, sobretodo si el proceso es anaeróbico. Hay una constante salida de productos que se pueden recuperar desde el sistema. Se puede minimizar lo que es represión catabólica por medio de crecimiento bajo condiciones de carbono limitantes.

Desventajas del cultivo continuo Hay peligro de contaminación Hay peligro de pérdida de estabilidad de la cepa, sobretodo en recombinantes.

Cuando se utiliza (cont..): 3.- Metabolitos secundarios En cultivos batch hay productos tales como antibióticos y toxinas, que no se encuentran relacionadas con el crecimiento, y que frecuentemente no se producen hasta después que el crecimiento ha cesado o ha sido restringido. En cultivo continuo muchos metabolitos secundarios son producidos en forma paralela con el crecimiento y con velocidades mayores o iguales a las observadas en cultivo batch. Cuando el crecimiento ha sido restringido las células son capaces de iniciar las síntesis de producción de este tipo de metabolitos. A su vez, el estudio de estos metabolitos sirve para evaluar que sucede bajo condiciones de medioambiente controlado.

Dimensionamiento del bio-reactor

El dimensionamiento de un biorreactor no sólo implica el volumen del bioreactor, sino que la potencia que se le debe entregar a los agitadores y sopladores.

• (^) Para determinar el volumen del bioreactor es necesario plantear los balances de masa: 1. Balance de masa total o global 2. Balance de Biomasa, x 3. Balance de sustrato, s 4. Balance de producto de interés, p

Balance de Biomasa Células entran – Células salen + Crecimiento celular – Muerte celular = Acumulación (3) Velocidad de Crecimiento de los m.o [hr-1] : Velocidad de muerte de los m.o [hr-1] Supuestos:

• Alimentación estéril, xo =
• Volumen constante, V = cte, entonces
• Estado estacionario, no hay acumulación.
• Con esto dt d x V F x F x x V x V o (  )              dt dx V dt dV x dt d x V     (  )  0 dt dx          0  F x  x V  x V

Supuestos adicionales  Tasa de muerte inferior a la de crecimiento,  Se define: Velocidad de Dilución, D = F/V : Volúmenes de reactor que pasan por hora [t

• ]

D = 



F x  x V  x V



F x  x V

Supuestos: Requerimientos para mantención es relativamente menor que los requerimientos en crecimiento, m x <<  x/ Y x/s La formación de productos es bastante baja y se puede despreciar q P /Y p/s x <<  x/ Y x/s Estado estacionario,  Con esto: Despejando 0 ( )   dt d s V 0 /        x s s o s Y x V F s F s  x s s o s Y x D s s /

• ( )     ( ) / x Y s s x s o   

Modelo de crecimiento Modelo de Monod Donde Ks es la constate de saturación. max: Velocidad Máxima de crecimiento de los m.o [hr-1] Análogamente se puede plantear para sistemas continuos, si D, entonces Dc : Velocidad de dilución crítica. Es la velocidad máxima a la cual se puede operar, siempre se debe trabajar bajo este valor. DC = max En cultivo continuo la concentración de sustrato a la salida del fermentador es: Ks s s   max   Ks s Dc s D  

D D D K s C s    Cinético Tipo Monod 0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 Concentración de Sustrato, S [g/l] velocidad de Crecimiento, u [hr-1]