Biorreactores de lecho fluidizado Características Aplicación Ventajas Desventajas Materiales Costos Los microorganismos se desarrollan sobre la superficie de un sólido o soporte de tamaño pequeño. Cuando el fluido se hace pasar a una velocidad suficiente elevada a través de las partículas sólidas (flujo ascendente), estas son suspendidas, es decir, se provoca la fluidización del lecho. Por lo que, en el arranque del reactor se dispone de un sistema bifásico (sólido-líquido), sin embargo, con el desarrollo de la actividad microbiana, se produce gas, de tal forma, que existe un cambio a trifásico (sólido-líquido-gas). Gasolinas, polimeros y pigmentos. Cracking Mezcla de elementos quimicos y separación. a) Se favorece la mezcla hidráulica dentro del sistema, debido a la recirculación. b) Se mejora la actividad de la biomasa, ya que se favorece el contacto entre los microorganismos y el sustrato. c) Se requieren bajos costos de inversión en equipamiento y operación. Expansión del lecho. Una expansión del lecho muy alta, aumenta la dimensión del reactor incrementando los costos de capital. Estudio del comportamiento hidrodinámico. Puede resultar complicado el modelamiento del reactor generando ciertas incertidumbres sobre su desempeño al momento de escalar el proceso. Condiciones mecánicas. La abrasión causa erosión de tuberías y accesorios. Entre los materiales que se emplean como soporte se encuentran: arena, biolita, espuma de vidrio, resinas sintéticas, vermiculita, antracita, polietileno, entre otros. Estos materiales de caracterizan por tener bajas densidades, diámetro de partícula entre 0.1 y 0.5 mm, su forma tiende a ser esférica, son resistentes a la abrasión, tienen una superficie rugosa y son porosos. El cuerpo del biorreactor se puede construir en acrílico, vidrio o acero inoxidable, en este último caso, se suele recubrir de un material refractario, por ejemplo la gunita. Huiheng Mechanical & Electrical Eqpt Co., Ltd US $ 600-35000 Biorreactores pulsantes. El fluido que se hace pasar por el lecho, es impulsado aplicando oleadas intermitentes de presión, a través de bombeo, es decir, el flujo no es constante. De manera general, los biorreactores pulsantes responden a dos diferentes esquemas de operación: 1. Involucra el movimiento alternado de algunos elementos pertenecientes a la columna, es decir, la pulsación es generada por medio del movimiento ascendente y descendente de las placas, o a través de un dispositivo o conector acoplado a la columna. Este tipo de operación, se observa en biorreactores pulsantes de placas, biorreactores pulsantes de pistón y biorreactores pulsantes neumáticos 2. La pulsación se genera por medio de la transmisión hidráulica de una perturbación, al fluido contenido en la columna. En esta categoría se encuentran los biorreactores que utilizan la misma bomba de desplazamiento positivo para incorporar el sustrato y el sistema de pulsación neumático. La pulsación se genera por medio de la incorporación de gas a presión que impulsa el líquido ubicado en un brazo paralelo a la columna, es decir, se presenta en biorreactores pulsantes neumáticos Producción de Biodisel, Tratamiento de residuos, Operacion continua, Producción metabolitos. El uso de biorreactores pulsantes permite una mejor distribución de calor, al mismo tiempo, que reduce la dispersión axial, lo que favorece el desarrollo de un gran número de procesos bioquímicos Una ventaja de este tipo de biorreactor, es que se aprovechan los beneficios de la pulsación para permitir la agitación del sistema. Nada. Los biorreactores pulsantes experimentales, suelen construirse en vidrio, acrílico o acero inoxidable; con dispositivos anexos fabricados en diversos polímeros, por ejemplo, pulsadores elásticos de membrana, cuya apertura se controla mediante electroválvulas Estos sistemas disponen de elementos de agitación por pulsos (platos o émbolos), por lo que favorecen bioprocesos aerobios continuos, en donde el medio es de alta viscosidad. Se suelen utilizar para la producción de metabolitos y para el tratamiento de residuos. Poliol con camisa de vidrio reactor 10l de biorreactor US $ 500-3000 Biorreactores agitados por fluidos. Dentro de estos dispositivos se pueden encontrar los biorreactores: airlift, agitados y de columna de burbujeo. Dispositivos cilíndricos, en los que el mezclado se realiza a través de medios mecánicos. El aire estéril (libre de microorganismos y esporas), que se inyecta por la parte inferior del tanque, pasa por un plato o anillo de aspersión, que posee pequeños orificios y choca con las paletas de la turbina inferior, dando lugar a burbujas que permiten la difusión de oxígeno hacia el seno del líquido. La temperatura necesaria para el proceso se suministra a través de camisas o serpentines externos con recirculación de agua. Este tipo de fermentadores se usa habitualmente para procesos con enzimas libres e inmovilizadas, así como para el cultivo de células en suspensión o inmovilizadas. Es empleado en todas las escalas de producción, en laboratorios de investigación o en la industria de fermentaciones, puede utilizarse incluso para fermentaciones de reología completa y en procesos en los que se exigen altas velocidades de transferencia de masa y calor. El mezclado es más eficiente. - Existen elevados coeficientes de difusión del gas. - Homogeneidad en el medio. - Pequeños esfuerzos cortantes. - Soporte con alta concentraciòn de biomasa. - Elevada superficie de contacto. Debido a que los sistemas biológicos son susceptibles al daño celular por las elevadas velocidades de agitación, se recomienda que la velocidad del rotor se reduzca como mínimo a 600 rpm. La desventaja que presenta este biorreactor esta relacionada con el incremento del volumen de cultivo., debido a que aparecen problemas en el escalado, tales como el incremento del estrés mecánico por la agitación del impulsor, incremento en la producción de espumas y transporte de las células al interior del biorreactor. Por otra parte, es necesario tener una cuidado especial cuando se utilizan determinados biocatalizadores, ya que estos pueden ser dañados o destruidos por la acción de las palas impulsoras. A pesar de su versatibildad, sus costos de construcción, operación y mantenimiento son muy onerosos. Por limitaciones tecnicas referentes a la transmisión de potencia y a los problemas de sostenimiento del conjunto "flecha de transmisión -impulsores" no es posible construir unidades mayores a 300m3. Alto esfuerzo de corte necesita bajas velocidades. Generan grandes gradientes de esfuerzo de corte y causan tension en las celulas en areas de alta turbulencia. Estos pueden provocar fuerzas de cizalla elevadas, de modo que no son adecuados para. Los biorreactores agitados por fluidos, son dispositivos cilíndricos, generalmente de acero inoxidable, vidrio o acrílico, en los que el mezclado se realiza a través de medios mecánicos El cuerpo de estos sistemas, en algunas ocasiones está recubierto con un aislamiento.Cuentan con: a) Unachaqueta de alta eficiencia para el control de temperatura b) Unidades de control de operación (pH, espuma, oxígeno disuelto, temperatura) c) Flujómetro d) Medidores de oxígeno e) Bombas peristálticas f) Sistema de muestreo. El costo de del sistema, dependerá del bioproceso a realizar en él, del material para su construcción, de los sistemas de control y monitoreo y de su capacidad (volumen de operación). Biorreactores de columna de burbujeo. Disponen de un eyector de gas en el fondo del dispositivo, que lo suministra en forma de pequeñas burbujas, permitiendo su difusión en el líquido y el mezclado del medio de cultivo. Operan bajo régimen continuo y semicontinuo. Son especialmente usados en reacciones que involucran reacciones tales como oxidación, cloración, alquilación, polimerización e idrogenación, en la producción de combustibles sintéticos a través de un proceso de conversión de gas y en reacciones bioquímicas tales como fermentación y tratamiento de aguas residuales Se utilizan a menudo para cultivos de células animales y vegetales, así como para biocatalizadores inmovilizados, debido a que presentan menores niveles de cizalla que los tanques agitados. Se emplean en la producción de proteínas de origen unicelular, tratamiento de aguas residuales, así como para el crecimiento de microorganismos sensibles al estrés producido por la agitación mecánica. Ideales para cultivos aerobios desde el punto de vista del coeficiente de transferencia de masa de oxígeno. Los sistemas de control que constituyen estos dispositivos son: a) Control de flujo de gas. b) Control de temperatura. c) Sensores de flujo de calor. d) Control de presión. El mezclado es más eficiente. - Existen elevados coeficientes de difusión del gas. - Homogeneidad en el medio. - Pequeños esfuerzos cortantes. - Soporte con alta concentraciones de biomasa. - Elevada superficie de contacto. Nada Nada nada. BIORREACTORES AIRLIFT. Es un dispositivo cilíndrico formado por una zona ascendente, en la que se inyecta el gas, y una zona descendente. La incorporación del gas en el sistema origina una disminución de la presión lo que ayuda a la recirculación del fluido y en consecuencia la fluidización de la biomasa.La circulación del flujo en el interior del dispositivo puede ser externa o interna. Se utilizan a menudo para cultivos de células animales y vegetales, así como para biocatalizadores inmovilizados, debido a que presentan menores niveles de cizalla que los tanques agitados. Se emplean en la producción de proteínas de origen unicelular, tratamiento de aguas residuales, así como para el crecimiento de microorganismos sensibles al estrés producido por la agitación mecánica. Ideales para cultivos aerobios desde el punto de vista del coeficiente de transferencia de masa de oxigeno. El mezclado es más eficiente. - Existen elevados coeficientes de difusión del gas. - Homogeneidad en el medio. - Pequeños esfuerzos cortantes. - Soporte con alta concentraciones de biomasa. - Elevada superficie de contacto. El soporte donde se desarrollará la película microbiana debe ser resistente a la abrasión, con capacidad tampón y gran superficie de contacto. 2. La temperatura deberá ser controlada en función de la naturaleza del microorganismo, es decir, si se encuentra dentro del rango de los psicrófilos, mesófilos o termófilos. El aumento en la temperatura disminuye la actividad microbiana y produce una pérdida en la eficiencia del proceso. 3. El pH del sistema dependerá de los requerimientos del microorganismo. Generalmente este parámetro tiene relación directa con el crecimiento de la biomasa en suspensión, de tal manera que para favorecer su adecuado desarrollo y transformación del sustrato en el producto deseado, será indispensable su control, a través de dispositivos adecuados para dicho fin. 4. A mayor tiempo de residencia del gas dentro del biorreactor, mayor será el tiempo de contacto entre el sustrato y los microorganismos, por lo tanto, la eficiencia del sistema será mejor. 5. Al aumentar la velocidad de flujo se disminuye el tiempo de contacto entre el sustrato y la biomasa microbiana, disminuyendo la eficiencia del sistema. 6. Generalmente, los microorganismos que se desarrollan en estos biorreactores requieren de fósforo, nitrógeno y azufre, que deben ser suministrados de acuerdo a sus necesidades. Nnnn == Fermentadores de membrana. a) Biorreactores de membrana (Membrane Bioreactor MBR). b) Reactores biocatalíticos de membrana (Biocatalytic Membrane Reactor, BMR) Los MBR se caracterizan porque la membrana únicamente contribuye al control del transporte de masa, es decir, no contribuye con la reacción y sólo representa un medio filtrante. El principio de funcionamiento de estos biorreactores se basa en la separación de la materia sólida en suspensión y de la biomasa microbiana contenida en el medio de cultivo al aplicar presión diferencial entre ambos lados de la membrana, al tiempo que la fase líquida, que contiene al producto de la biotransformación, atraviesa la membrana. La diferencia de presión a aplicar depende del tamaño del poro y de la calidad de la membrana. Tratamiento de aguas residuales Fermentadores de membrana a) Biorreactores de membrana (Membrane Bioreactor MBR). b) Reactores biocatalíticos de membrana (Biocatalytic Membrane Reactor, BMR) Los MBR se caracterizan porque la membrana únicamente contribuye al control del transporte de masa, es decir, no contribuye con la reacción y sólo representa un medio filtrante. El principio de funcionamiento de estos biorreactores se basa en la separación de la materia sólida en suspensión y de la biomasa microbiana contenida en el medio de cultivo. al aplicar presión diferencial entre ambos lados de la membrana, al tiempo que la fase líquida, que contiene al producto de la biotransformación, atraviesa la membrana. La diferencia de presión a aplicar depende del tamaño del poro y de la calidad de la membrana Tratamiento de aguas residuales concentración de sólidos suspendidos en el licor mezcla. Necesidad de menor volumen de reactor debido a la mayor – Desarrollo de biomasa especializada. Debido a las elevadas edades de fango a las que trabajan estos sistemas es posible el desarrollo de biomasa especializada en degradar compuestos específicos con los que están en contacto. Esta capacidad es muy interesante para el tratamiento de efluentes que presentan sustancias difíciles de degradar, como ocurre en determinados sectores industriales. – Mayor estabilidad ante sobrecargas. Debido a la elevada concentración de sólidos con la trabajan estos sistemas y a la elevada edad del fango que se establece, los sistemas MBR presentan mayor estabilidad que los sistemas convencionales en episodios de picos de caudal, carga o ante cambios bruscos en el efluente a la planta. Esta cualidad convierte a estos sistemas en tecnología especialmente adecuada para los vertidos industriales que presentan un comportamiento estacional, como son en el sector conservero, bodeguero, etc. – Aumento de la calidad del efluente. Se consiguen rendimientos muy superiores en eliminación de compuestos orgánicos, nutrientes y microorganismos. En función de la calidad conseguida y del uso posterior, el efluente puede ser reutilizado directamente o puede servir como alimentación de tratamientos posteriores La toxicidad del medio de soporte puede causar fases de crecimiento lento, muerte de las celulas en su estado inicial de desarrollo y rendimientos limitados de la celula Tal como se mencionó en el subtema anterior, los biorreactores de membrana, generalmente, se componen de dos partes: el reactor biológico y el módulo de membrana que sirve como sistema de filtración. Dichas membranas pueden ser planas, tubulares, de disco rotatorio o de fibra hueca. Se fabrican en: a) Materiales orgánicos a base de polímeros o copolímeros como: polisulfona, polietersulfona, polietileno, entre otros. b) Materiales inorgánicos, como las cerámicas Depende de la cantidad que se va a manejar La toxicidad del medio de soporte puede causar fases de crecimiento lento, muerte de las celulas en su estado inicial de desarrollo y rendimientos limitados de la celula. Tal como se mencionó en el subtema anterior, los biorreactores de membrana, generalmente, se componen de dos partes: el reactor biológico y el módulo de membrana que sirve como sistema de filtración. Dichas membranas pueden ser planas, tubulares, de disco rotatorio o de fibra hueca. Se fabrican en: a) Materiales orgánicos a base de polímeros o copolímeros como: polisulfona, polietersulfona, polietileno, entre otros. b) Materiales inorgánicos, como las cerámicas. Depende de la cantidad que se va a manejar. Elaboración de la bebida. Se realizaron 5 corridas de 30 litros cada una a nivel de Planta Piloto Se utilizó la tecnología de leche fermentada de coágulo, con inoculación a temperaturas de 43 – 45°C, y la adición ulterior de aromatizante y color. Las materias primas necesarias se introdujeron en el proceso tecnológico en el orden y proporciones prescritas en el procedimiento Cada corrida se dispensó en potes plásticos de 500 mililitros de capacidad. Los potes se taparon y sellaron herméticamente, se incubaron durante 24 horas a la misma temperatura de inoculación Terminado el período de incubación, los potes contentivos del producto fermentado se conservaron a 4 – 6ºC, en cámaras de temperatura controlada, otras 24 horas, antes de la realización de los ensayos. Análisis físicos y químicos. Al final del proceso productivo, se seleccionaron muestras de cada corrida para determinar: acidez, pH, sólidos totales, contenido de lactosa, contenido de grasa, contenido de proteínas, y cenizas. Titulación del contenido de ácido láctico: Se determinó el contenido de ácido láctico en el producto inoculado a las 0, 2, 4, 6, 12, 18 y 24 horas. Se construyó la correspondiente curva de Acidez titulable (Y) vs. Tiempo de inoculación (X). Análisis microbiológicos. El conteo de microorganismos viables se realizó mediante los métodos de diluciones sucesivas del producto elaborado y siembra en placas de Petri. Se empleó el método MRS de cultivo. Se contaron los coliformes totales,9 los hongos filamentosos,10 y las levaduras. Análisis sensoriales. La evaluación sensorial de la bebida elaborada se realizó mediante pruebas de aceptación – rechazo. Para ello, se emplearon 5 jueces entrenados en la degustación de productos lácteos fermentados. Cada uno de los jueces evaluó 3 muestras de 500 mililitros en cada muestreo programado. El juez determinó sobre el olor, sabor, aspecto, y textura del producto, según una metodología de 20 puntos descrita previamente.11 Finalmente, se realizó una prueba de aceptación masiva con la participación de 655 personas adultas, quienes dieron sus criterios acerca del producto según una escala efectiva de 7 puntos que recorre desde 1 (“Me gusta extremadamente”) hasta 7 (“Me disgusta extremadamente”). Estabilidad del producto terminado. Se realizaron evaluaciones de las características físico-químicas y sensoriales del producto terminado diariamente, a partir de las 24 horas de concluido el proceso de elaboración Conclusión. los resultados encontrados después de evaluación de las características de la bebida fermentada presentada en este trabajo avalan un producto de buena calidad e inocuo, aceptado por los consumidores potenciales. Se obtuvo una acidez en el proceso de incubación y almacenamiento hasta las 24 horas de 0.70% (de ácido láctico). La duración de la bebida fermentada, envasada en potes de 500mililitros, y almacenada a temperaturas de entre 4 y 6°C , fue de 7 días. FIN Referencias bibliograficas. Miranda, O. F. (2007). ELABORACIÓN DE UNA BEBIDA FERMENTADA A PARTIR DEL SUERO DE QUESO. CARACTERÍSTICAS DISTINTIVAS Y CONTROL DE CALIDAD. Rev Cubana Aliment Nutr , 103-108. Rodríguez, V. C. (2008). Proceso de elaboración de yogur deslactosado de leche de cabra. Ciência e Tecnologia de Alimentos , 109-115. UnADM. (2017). Ingeniería de biorreactores I. Obtenido de Unidad 3. Clasificación y aplicación de biorreactores no convencionales : https://unadmexico.blackboard.com/bbcswebdav/institution/DCSBA/Bloque%201/BT/05/BI B1/U3/Unidad3.Clasificacionyaplicaciondebiorreactoresnoconvencionales.pdf
