Biorreactor/Fermentador: Recipiente diseñado para reacciones bioquímicas con biocatalizadores (enzimas, microorganismos, células o estructuras subcelulares). Mantiene condiciones ambientales propicias como el pH, la temperatura y el oxígeno disuelto (O₂).

• Discontinuo (Batch): Sin alimentación (F=0), con carga total inicial y tiempo de retención definido.
• Discontinuo-alimentado (Fed-batch): Con alimentación (F₁), permitiendo un máximo crecimiento exponencial.
• Continuo (Quimiostato): Con flujo de entrada (F₁) igual al de salida (F₂), para producción continua.

Requisitos de Diseño

• Operación aséptica.
• Suspensión y homogeneidad del biocatalizador.
• Suministro de O₂ y eliminación de CO₂.
• Suministro de nutrientes.
• Control de temperatura.
• Evitar lesiones mecánicas al biocatalizador.

Clasificación de Biorreactores

Clasificación Operativa

• Discontinuo, semicontinuo y continuo.
• Define el sistema de cultivo y los parámetros operativos.

Clasificación Biológica

• Según el metabolismo: anaeróbico, facultativo o aeróbico.
• Define los parámetros biológicos de diseño y operación.

Tipos y Características de Biorreactores

Reactores Continuos de Tanque Agitado (RCTA)

• Agitación: Mecánica (eje, turbinas y motor).
• Aireación: Inferior, mediante corona con orificios para burbujas pequeñas.
• Deflectores: 4-6, que cortan el movimiento circular e incrementan la turbulencia.
• Control de Temperatura: Mediante camisa de agua (para volúmenes <1000-2000L) o serpentín (para volúmenes mayores).
• Material: Acero inoxidable pulido.
• Filtro de Aire: De 0.45 micras (para esterilización).
• Uso: Principalmente para células y cultivos aeróbicos.

Reactores Air Lift (Aerolevantados)

• Principio: El aire inyectado promueve la agitación.
• Estructura: Dos cilindros concéntricos.
• Flujo: Ascendente en el cilindro interno y descendente en el externo.
• Uso: Para volúmenes grandes (>1000L) y alta aireación.
• Ventaja: Mayor eficiencia que los RCTA para grandes volúmenes.

Reactores de Lecho Fluidizado

• Aplicación: Con biocatalizadores particulados (enzimas inmovilizadas, células, flóculos).
• Principio: Una corriente ascendente suspende los sólidos.
• Estructura: Zona expandida superior (para sedimentación) y zona estrecha inferior.
• Opcional: Aireación adicional.

Reactores de Lecho Empaquetado

• Biocatalizador: Soportado en una matriz sólida porosa (polimérica).
• Flujo: Ascendente o descendente (el descendente es más común).
• Problemas: Gradientes de concentración y dificultad en el control del pH.
• Solución: Aumentar la velocidad de flujo.
• Uso: Principalmente para enzimas inmovilizadas.

Características Generales de Biorreactores

Elementos Básicos

• Visor de cristal vertical.
• Puertos para instrumentos (pH, O₂, temperatura).
• Conexiones para ácidos, álcalis, antiespumantes e inóculo.
• Aspersor de entrada de aire (inferior).
• Sistema de agitación.
• Tuberías de salida de gases con filtros.
• Resistencia: Soporta 377-412 KPa, vacío y temperaturas de 150-180°C.
• Control de Temperatura: Doble camisa.

Sistema de Aireación

Componentes Mecánicos

1. Fuente de aire: Compresor o soplador.
2. Tubería y filtros de entrada.
3. Boquilla y difusor.
4. Tubería y filtros de salida.

Controles

• Control de flujo de aire.
• Control de presión.
• Control de oxígeno disuelto.

Tipos de Fuentes de Aire

Compresor de Aire: Alta presión, bajo caudal, operación continua, ruido aproximado de 80 dB.

• Diafragma: Operación continua, aproximadamente 60 psi, para volúmenes medianos.
• Pistón: De uso comercial, >80 psi, requiere lubricación con aceite, no recomendable para células sensibles.

Soplador Regenerativo: Bomba centrífuga de aire, con vacío de succión y compresión por desplazamiento, caudal de 1000-1500 L/min.

Sistema de Difusión de O₂

• Difusor: Plato de acero inoxidable perforado o cerámico poroso.
• Medición: Sensor de O₂ disuelto.
• Control: Controlador de O₂ disuelto.

• Parámetros Clave

  • OD (Oxígeno Disuelto): Concentración de O₂ disuelto (medido por reducción química equivalente de sulfito).
  • DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno): Tasa de oxidación biológica.
• Instrumentos: OUR (Oxygen Uptake Rate – razón de consumo de oxígeno), SOUR (Specific Oxygen Uptake Rate – razón específica de consumo de oxígeno).

Sistema de Control de Espuma

Subsistema Antiespuma

• Controlador antiespuma.
• Sensor de espuma.
• Frasco dispensador con filtración y equiparación de presión.

Subsistema de Bombeo Peristáltico

• Mangueras flexibles.
• Bomba peristáltica.
• Frasco dispensador.

Sistema de Control de pH

Dispensador de Ácido

• Dispensador aséptico de HCl.
• Filtro de microporos en línea.
• Manguera resistente al ácido.
• Bomba peristáltica.

Dispensador de Álcali

• Dispensador aséptico de NaOH.
• Filtro de microporos en línea.
• Manguera resistente al álcali.
• Bomba peristáltica.

Control y Medición

• Controlador de pH (regula las bombas).
• Sensor de pH (sonda electroquímica).
• pH Óptimo: Rango específico para el máximo crecimiento.

Sistema de Control de Temperatura

Intercambio Térmico

• Intercambiador de Calor: De carcasa y tubos, con área de transferencia de calor.
• Serpentín: De acero inoxidable delgado.

Control y Medición

• Controlador de temperatura.
• Sensor de temperatura.
• Servocontrolador de temperatura.
• Válvula solenoide (abre/cierra el flujo).
• Tuberías de acero inoxidable.

Efectos de la Temperatura

1. Un aumento de la temperatura (T°) incrementa la velocidad de las reacciones enzimáticas y, por ende, el crecimiento.
2. Temperaturas superiores a la máxima (T°máx) provocan la desnaturalización de proteínas y la muerte celular.

Balance de Transferencia de Masa en Biorreactores

Balance General

Acumulación = Entrada – Salida + Generado – Consumido.

Balance por Componente

Variables

• V: Volumen de cultivo (m³).
• F₁: Caudal de alimentación (m³/s).
• F₂: Caudal de salida (m³/s).
• Cᵢ°: Concentración del componente en la alimentación (kg/m³).
• Cᵢ: Concentración del componente en el lavado (kg/m³).
• rᵢf: Velocidad de formación (kg/m³·s).
• rᵢc: Velocidad de consumo (kg/m³·s).

Operación Continua

• Condición: F₁ = F₂ (Flujo en Estado Estacionario – FEE).
• Quimiostato: Equilibrio en la concentración de biomasa.
• Ecuación: Vₓ(dCᵢ/dt) = Fₓ[Cᵢ° – Cᵢ] + Vₓ[rᵢf – rᵢc].

Problemas sin Estado Estacionario

• F₁ > F₂: Rebalse del biorreactor.
• F₂ > F₁: Lavado de producto o biomasa.

Operación Semicontinua (Fed-batch)

• F₂ = 0, dV/dt = F.
• Tiempo de Residencia (tᵣ): Duración limitada por el volumen útil.

Operación Discontinua (Batch)

• F₁ = F₂ = 0, V constante.
• Tiempo de Cultivo (t_c): Limitado por el agotamiento del sustrato.

Transferencia de Oxígeno en Biorreactores

Ecuación de Fick

r_O₂ = K_La(C – C*)

Factores que Afectan K_La

• Disminuyen K_La: Viscosidad y volumen de líquido.
• Aumentan K_La: Área de transferencia, agitación y dispositivos especiales.

Balance de O₂ en Estado Estacionario

d[VCO₂]/dt = Fₓ[C – C°] – Vr_O₂ + VNᵢO₂.

Recuperación de Productos en Bioprocesos

Etapas del Proceso

1. Ruptura celular (para productos intracelulares).
2. Clarificación (separación de células/residuos).
3. Concentración.
4. Purificación.
5. Formulación.

Ruptura Celular

Métodos No Mecánicos (Pequeña Escala)

• Desecación (liofilización, vacío).
• Choque osmótico.
• Quimiolisis.
• Choque térmico.

Métodos Mecánicos (Gran Escala)

• Ultrasonidos.
• Molinos de bolas.
• Homogeneizadores (el método más usado a nivel productivo).

Ecuación de Concentración: C = C_máx[1-exp(-K×N×ΔP³)]

Clarificación

• Objetivo: Eliminar células y restos celulares.

• Métodos

  • Centrifugación (centrífugas tubulares, de discos).
  • Filtración (filtros de placas, tambor giratorio al vacío).

Concentración

Evaporación

• Temperaturas bajas (40°C), presiones bajas (10 KPa).
• Evaporadores de película descendente.

Precipitación

• De extenso uso en proteínas.
• Depende del punto isoeléctrico.
• El agente precipitante se añade cerca de la agitación.

Ultrafiltración (UF)

• Diferencias de presión a través de la membrana.
• Ecuación de Flujo: Jₓ[C – C_p] = -Dₓ(dC/dx).

Purificación

Purificación a Gran Escala (Pureza No Extrema)

• Extracción líquido-líquido.
• Cristalización.

Extracción

• Productos: Alcoholes, cetonas, ácidos, antibióticos, vitaminas, entre otros.
• Solventes: Butanol, acetato de butilo, aminas de cadena larga.
• Coeficiente de Partición (K): Alto para el producto, bajo para los contaminantes.
• Factor de Separación: S = (Q×V)/(C×L) = K×(V/L).

Cristalización

• Supersaturación que conduce a la cristalización.
• Métodos: Enfriamiento, evaporación.
• Uso: Sales inorgánicas, sacarosa, glucosa.

Ultrapurificación

Para alta pureza (por ejemplo, para uso intravenoso):

• Filtración en gel (por tamaño).
• Adsorción (por polaridad).
• Intercambio iónico (por carga).
• Cromatografía de afinidad (por forma molecular).

Coeficiente de Partición: K = Q/C (donde Q es la concentración en el gel y C es la concentración en el solvente).

Control de Proceso en Biorreactores

Control de Concentración de Biomasa

• Objetivo: Medir la cantidad de biocatalizador.
• Información: Velocidad de crecimiento y formación de productos.

• Métodos

  • Gravimétrico (centrifugación/filtración y secado).
  • Infrarrojo (IR) rápido.
  • Conteo microscópico.
  • Densidad óptica (fotométrico).

Variables Físico-Químicas

Información clave del biorreactor:

• Temperatura.
• Presión.
• Velocidad del agitador.
• Flujo de gas.
• pH.
• Presión parcial de O₂ disuelto.