Biorreactor

En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etc.) para el organismo o sustancia química que se cultiva.Los microorganismos o células son capaces de realizar su función deseada con gran eficiencia bajo condiciones óptimas.La misma propagación celular (fenómeno conocido en inglés como Fouling) puede afectar la esterilidad y eficiencia del biorreactor, especialmente en los intercambiadores de calor.Para evitar esto, el biorreactor debe poderse limpiar fácilmente y tener acabados lo más sanitarios posible (de ahí sus formas redondeadas).Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la fuerza de agitación.Esta es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor, sea químico o biológico (biorreactor).Los sistemas biológicos deben interactuar con el ambiente externo para poder crecer y desarrollarse; es por eso que los biorreactores se clasifican biológicamente de acuerdo al metabolismo procesal del sistema de cultivo: anaeróbico, facultativo, aeróbico.para la historia Los sistemas biológicos que determinan el metabolismo celular de cultivo y el modo procesal-biológico del sistema son: Bacterias en su gran mayoría, son microorganismos de metabolismo degradativo (catabólico); generalmente unicelulares, estos microorganismos son autónomos y nutricionalmente independientes (autótrofos); sus células (cuerpos) no respiran (no utilizan la glucólisis para la respiración celular), en cambio, utilizan vías alternas, donde una molécula orgánica, producida durante el proceso metabólico (catabolismo), es utilizada como aceptor de electrones, en un proceso bioquímico conocido como respiración oxidativa; esta molécula es reducida a producto orgánico en un proceso comúnmente denominado fermentación.Pertenecen en su mayoría al Reino Eucariota – pero también los hay procariota – son microorganismos y células que respiran (utilizan la glucólisis como forma de respiración celular); por lo que su metabolismo es constructivo (anabólico) y deben obtener sus nutrientes de diferentes fuentes.La inmovilización es un método mucho más eficiente y logra rendimientos muy superiores a los del lecho fluidizado.Los reactores de fibra hueca son los dispositivos más utilizados para inmovilizar y concentrar cultivos celulares animales.Los sustratos enzimáticos deben estar anclados a un lecho semisólido o a uno semifluido - según sea el caso - dependiendo de la naturaleza enzimática del sustrato; que por la naturaleza de la enzima se conocen como lechos catalíticos.Los principales balances por componente en su forma individual son: Nomenclatura Subíndices Un quimiostato es un sistema de cultivo en continuo; su operación esquemática es como la que muestra la figura.No obstante esto ocasionaría que la duración del cultivo (tiempo de fermentación) se prolongarse excesivamente.Para buscar el equilibrio se diseñó empíricamente una solución de compromiso: µ = 1 / VX.La ecuación es válida tanto si existe o no variación de caudal (flujo) del sistema.Integrando obtenemos: t = Nio ∫ dXi/-rxiV la ecuación general de diseño para un biorreactor discontinuo ideal.Un CSTR con línea de aireación es utilizado, por lo general, como dispositivo fermentador para células y cultivos aeróbicos; su esquema se representa en la figura.Finalmente, el tanque debe poseer un intercambiador de calor formado por una camisa por la que circule agua, para poder controlar la temperatura del cultivo y evitar que este muera o sufra un estrés térmico.b) Demanda bioquímica oxígeno (DBO): es la taza de oxidación biológica o demanda bioquímica de oxígeno disuelto requerida por el microorganismo o célula en cultivo para oxidar la materia orgánica presente en el medio líquido.Una probeta o electrodo OD es un sensor que mide la concentración de oxígeno disuelto en el medio líquido.En estas células y microorganismos, la respiración celular se sustituye por una ruta oxidativa alterna llamada fermentación en la que, el piruvato no produce CO2 como producto final de desecho; por el contrario, se consume CO2 y esta es incorporado, junto al piruvato, en la fermentación, cuyo producto final de desecho, le da nombre; por ejemplo: en la fermentación alcohólica el piruvato se oxida a acetaldehído y al final de la cadena oxidativa se produce etanol como producto final de desecho.Mantiene estable y dentro de un rango óptimo requerido por el cultivo para su máximo crecimiento, la temperatura interna del sistema.El sello mecánico también debe permitir la esterilización in situ del biorreactor, mediante una línea de vapor sobrecalentado.Flujo radial: generan mayor potencia de mezclado (turbulencia) y pueden causar daño celular; sus hojas o aspas son del tipo hélice.Como se observa en la figura: (a) – Hélices de superficie curva en el Plano XY están determinadas por los ángulos α, β; (b) – Hélices de superficie curva en el Plano ZX están determinadas por los ángulos α, γ; (c) – Hélices de superficie curva en el Plano ZY están determinadas por los ángulos γ, β.Por su gran potencia y la turbulencia que generan, las hélices no se recomiendan para cultivos de células sensibles; solo deben utilizarse para cultivos bacteriales o micóticos y a bajas velocidades de rotación.El impulso axial ha demostrado ser la forma más eficiente de diseño para reducir esfuerzos cortantes e hidrodinámicos y disminuir la turbulencia y la potencia requerida para homogeneizar el mezclado; objetivo que se persigue en una mezcla perfecta.Estas velocidades son muy altas para los sistemas biológicos causando la destrucción de las células y microorganismos en cultivo.La mejor forma de combinar positivamente estos efectos hidrodinámicos que se contraponen; es decir: bajar Pm y aumentar Pf es optimizar Dd.