Ingeniería de Biorreactores MCBA. Francisco Javier Yépez Ramírez Configuración de biorreactores • El tanque agitado, con o sin agitación es el reactor más utilizado en Bioprocesos. • Pero no es el único, se han desarrollado diferentes arreglos para Bioprocesos específicos. Configuración de biorreactores Biorreactor Tanque Agitado. • Cuentan con un agitador para lograr la homogeneidad del medio. • El diseño del agitador y su velocidad puede afectar las condiciones de mezclado. • La mayor parte, esta equipado con algún medio de agitación, así como elementos para la transferencia de calor. • Esta clase admite tanto la operación intermitente como la continua en amplias gamas de temperatura y presión. • Excepto con líquidos muy viscosos, el reactor tanque con agitación produce un mezclado casi perfecto (retromezclado). Configuración de biorreactores Biorreactor Tanque Agitado. Configuración de biorreactores Biorreactor Columna de Burbujeo (Air flit). Carece de un sistema de transmisión mecánica para el mezclado. Consiste en un contenedor cilíndrico con un eyector de gas en el fondo. Este gas es expulsado en forma de burbujas ya sea hacia una fase liquida o hacia una suspensión solida-liquida. Configuración de biorreactores Configuración de biorreactores Biorreactor Lecho empacado o empaquetado. • Utilizan biocatalizadores inmovilizados o en forma de partículas. • Consiste en un tubo, generalmente vertical, relleno o empacado con partículas de catalizador. • El medio puede alimentarse por la parte inferior o superior y forma una fase liquida continua entre las partículas. • Se presenta menor daño al catalizador. Configuración de biorreactores Configuración de biorreactores Biorreactor Lecho fluidizado. • Se hace fluir hacia arriba un liquido sobre un lecho empaquetado de partículas de biocatalizador. • Durante la operación las partículas presentes en los lechos fluidizados están en continuo movimiento. • No se producen canalizaciones ni atascos en el mismo, el aire puede introducirse directamente a la columna Configuración de biorreactores Configuración de biorreactores Biorreactor Lecho percolador (Trickle-bed reactor). • Se utilizan en reacciones relativamente lentas donde se requiere una • • • • • • • gran cantidad de catalizador. Separación fácil del solido de los productos de reacción Operación continua Permite operar a altas presiones. Pueden alcanzar altas conversiones. Bajos factores de efectividad. Bajos coeficientes de transferencia de masa L-G Biocatalizadores mojados incompletos y cambios en la distribución del gas y liquido, llevan a la dificultad del escalado del reactor. Configuración de biorreactores Configuración de biorreactores • Biorreactor Reactor de flujo de tapón (Plug Flow Reactor PFR) • Consisten en una tubería cilíndrica con aberturas en cada extremo. • A través de la tubería fluyen los reactivos y productos. • Usualmente se operan en estado estable. • Los reactivos se consumen continuamente a medida que fluyen. • El diámetro varía desde centímetros hasta metros. • La elección del diámetro se basa en el costo de construcción, bombeo, tiempo de residencia y necesidades de transferencia de calor. • Los tubos de diámetro pequeño y largo se usan con altas velocidades de reacción y los tubos de diámetro más grande se usan con velocidades de reacción lentas. Configuración de biorreactores Biorreactor Reactor de flujo de tapón (Plug Flow Reactor PFR) • Se emplean en sistemas de fase líquida o de gas. • Los usos son la producción de gasolina, el craqueo de petróleo, la síntesis de amoníaco a partir de sus elementos y oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre. • El Biorreactor tubular se puede utilizar en la producción de algas. • Luego, las algas se comprimen y se secan y se pueden usar como alimento para un reactor de biodiesel. Ventajas • Fácil mantenimiento (No hay partes móviles). • Alta tasa de conversión por volumen de reactor. • Mecánicamente simple. • Calidad de producto invariable. • Bueno para estudiar reacciones rápidas. • Uso eficiente del volumen del reactor. • Bueno para procesos de gran capacidad. • Baja caída de presión. • Los tubos son fáciles de limpiar. Desventajas • Temperatura del reactor difícil de controlar. • Los puntos calientes pueden ocurrir dentro del reactor cuando se usan para reacciones exotérmicas. • Difícil de controlar debido a las variaciones de temperatura y composición. Configuración de biorreactores Configuración de biorreactores Biorreactor Enzimáticos • Existen factores a determinar la elección del reactor. • En general depende del costo de producción. • Además de considerar los asociados a sustratos, downstream, mano de obra, depreciación y desarrollo del proceso, costos de construcción y funcionamiento. • Otros factores como la presentación de la enzima (Libre o inmovilizada), cinética de reacción y propiedades físico-químicas del soporte. • Los sistemas de control y monitoreo de pH y temperatura, suministro y eliminación de gases y estabilidad de enzima, sustrato y producto. a. Reactor de lote de tanque agitado (STR), que contiene toda la enzima y los sustratos). b. Reactor de membrana por lotes (MR); La enzima se mantiene dentro de los tubos de membrana que permiten que el sustrato se difunda y el producto se difunda. Este reactor se puede usar a manera semicontinua, usando la misma solución de enzima para varios lotes. c. Reactor de lecho empacado (PBR), también llamado reactor de flujo de tapón (PFR), que contiene un lecho sedimentado de partículas de enzima inmovilizadas; d. Reactor de tanque agitado de flujo continuo (CSTR), que es una versión de funcionamiento continuo de (a). e. Reactor de membrana de flujo continuo (CMR), que es una versión de funcionamiento continuo de (b). f. Reactor de lecho fluidizado (FBR), donde el flujo de gas y / o sustrato mantiene las partículas de enzima inmovilizadas en un estado fluidificado. Configuración de biorreactores A: batch. B: Recirculation batch. C: Stirred tank-ultrafiltration. D: Continuous stirred tank. E: Continuous packed-bed. F: Continuousfluidized-bed. Configuración de biorreactores Configuración de biorreactores Biorreactores: Cultivo de células Animales Basic scheme of static cell culture bioreactors: (a) Petri dish, (b) T-flask, (c) Multitray cell culture system, (d) Culture bag, (e) Static membrane flask bioreactor (CELLine), (f) Multiwell plate Biorreactores: Cultivo de células Vegetales Biorreactores: Cultivo de células Hongos Biorreactores: Cultivo de células Hongos Biorreactores: Cultivo de Microalgas Biorreactores: Cultivo de Microalgas Biorreactores: Cultivo de Microalgas Biorreactores: Cultivo de Microalgas Biorreactores: Cultivo de Microalgas Producto: Presentación Dinámica Mapa dinámico (Producto entrega) • Elaborar un mapa como el anterior de los tipos de biorreactores. • Diapositiva 1. Portada. • Diapositiva 2. Objetivo del mapa dinámico. • Diapositiva 3. Definición de Biorreactor de al menos 3 artículos científicos. • Diapositiva 4. Mapa anterior en formato de diagrama. • Diapositiva n. Dispositivas de los biorreactores. • Diapositiva n+1. Conclusión de porque es importante conocer los tipos de Biorreactores.. • Diapositiva n+2. Referencias formato APA. • Diapositiva n+3. Captura de artículos consultados o libros. • Diapositiva n+4. Hoja de cotejo. • Documento de entrega en formato Power-Point, fuente Lucida Sans Unicode. • En el apartado de referencias deben de estar redactadas las referencias consultadas en formato APA. • Se evaluará originalidad, profundidad de la investigación, calidad de la redacción, calidad de imágenes, puntualidad, uso de elementos de Power- • • • • Point, como animaciones, transacciones, texto, hipervínculos, se busca que al dar clic en algún tipo de mecanismo de trabajo o Biorreactor en el diagrama el hipervínculo te envíe a la diapositiva donde se encuentra, y sea capaz de regresar al mismo diagrama mediante hipervínculos. Cada Biorreactor debe de tener dos diapositivas (Máximo 3): La primera características del Biorreactor y la segunda imágenes del Biorreactor para ejemplificar. La entrega se realiza hasta el domingo 11:59 PM. El cuadro se realiza en equipos de 4 Personas. Esta actividad fomentara el desarrollo de habilidad de elaborar presentaciones con calidad de presentación, uso de herramientas que por lo general usan como son hipervínculos, animaciones, aprender a reducir información en espacio limitado.
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