Biorreactores

BIOREACTORES

1. GENERALIDADES

El bioreactor es la parte principal de cualquier proceso bioquímico en el que se emplean sistemas microbianos fungales o sistemas celulares mamíferos o plantas para la manufactura económica de una amplia variedad de productos biológicos útiles. La función principal del bioreactor diseñado apropiadamente es la de proveer un medio controlado para alcanzar el crecimiento y formación de productos óptimos, o cualquiera de ambos, es el sistema celular particular empleado. A menudo, el término “fermentado” se usa en las publicaciones para referirse al “bioreactor”. En este repaso se usará el término “bioreactor” debido a su aplicación global.

El funcionamiento de cualquier bioreactor depende de muchas funciones incluyendo:

1. La concentración de biomasa, la cual debe permanecer alta.

2. El mantenimiento de las condiciones estériles.

3. Agitación efectiva para que la distribución de los substratos y microorganismos en el reactor sea uniforme.

4. Eliminación de calor.

5. Creación de las condiciones correctas de corte, las rapideces altas de corte pueden ser dañinas para el organismo pero las rapideces de corte bajas también pueden ser indeseables debido a la floculación o al crecimiento de biomasa inconvenientes sobre la pared del reactor y sobre el agitador.

Hay tres grupos de bioreactores usados actualmente para la producción industrial:

1. No agitados, sin aeración.

2. No agitados, con aeración.

3. Agitados con aeración.

Los recipientes no agitados, sin aeración, se usan para productos tradicionales como el vino, la cerveza y el queso, primariamente como procesos anaerobios en lote. Aunque actualmente la mayoría de nuevos productos requiere el crecimiento de microorganismos en recipientes aireados con agitación.

2. TRANSFERENCIA DE OXÍGENO

El consumo de Oxígeno en bioreactores está dado por el número de microorganismos existentes en el fermentador en un momento determinado y por su consumo unitario. Por lo tanto, está directamente relacionado con la población inicial en cada ciclo y el tiempo durante el cual ésta población se encuentra en condiciones de desarrollarse, para esto es necesario conocer previamente las fases del crecimiento del los microorganismos para, de esta manera, poder identificar la necesidad de oxígeno en cada una de ellas.

El crecimiento implica un aumento ordenado de todos los componentes celulares de un organismo y así aumentar el tamaño del mismo (estado adulto). Existen principalmente cuatro fases en el desarrollo de los microorganismos, la duración de cada fase es específica para cada especie.

Fase de Latencia

Es la fase de adaptación al medio donde los microorganismos deben acostumbrarse a la disponibilidad de los nutrientes presentes en el fermentador, la producción de metabolitos y enzimas es muy baja, y muchas veces, si el medio no tiene las condiciones óptimas, esta etapa requiere de mucho más tiempo ya que la mayoría de bacterias no pueden sobrevivir y sólo algunas mutantes lo logran, es necesario aclarar que en esta fase la biotransformación es mínima. El requerimiento de oxígeno es muy bajo por el limitado número de microorganismos presentes.

Fase Exponencial

Esta fase se caracteriza por tener un crecimiento sostenido, donde se sintetiza nuevo material celular a una tasa constante. La biotransformación está en su máxima velocidad por lo tanto el consumo de oxígeno es muy elevado. Esta fase se extiende hasta que los nutrientes se agoten o se acumulen una cantidad necesaria de metabolitos tóxicos que inhiban el crecimiento. El nutrimento limitante para los organismos aerobios suele ser el oxígeno, cuando la concentración bacteriana es de aproximadamente 1 x 107 bacterias/ ml, es necesario incrementar el ingreso de oxígeno mediante agitación o burbujeo; pero cuando la concentración alcanza 4 o 5 x 109 bacterias por ml, la tasa de difusión de oxígeno no puede satisfacer las demandas aún en un medio aireado, por lo que el crecimiento disminuye progresivamente.

El crecimiento se denomina exponencial porque la biomasa se incrementa exponencialmente con respecto al tiempo. Esta fase puede prolongarse indefinidamente si la células son expuestas a un medio nuevo y la biomasa muerta se elimina constantemente.

Fase Estacionaria

Pese a que los nutrimentos son escasos, existe un número de células que se continúan dividiendo y que reemplazan al número de células muertas, por lo cual en un conteo general el número de microorganismos es constante. Los requerimientos de oxígeno en esta fase son menores a la exponencial pero más elevados que en la fase de latencia.

Fase de Declinación o Muerte

Representa el decrecimiento de células debido al aumento progresivo de la tasa de mortalidad, misma que tarde o temprano alcanza un valor sostenido. Por lo general, una vez que la mayoría de las células han muerto, la tasa de mortalidad disminuye bruscamente, por lo que un número pequeño de sobrevivientes pueden persistir en cultivo por meses o años. Dicha persistencia puede deberse a que las células consiguen crecer gracias a los nutrimentos liberados por las células que mueren y se lisan, observándose recambio celular. En esta fase el requerimiento de oxígeno es mínimo. Es de gran importancia en los bioprocesos que se evite que el cultivo llegue a esta fase para evitar la pérdida total del inóculo celular.

2.1 IMPORTANCIA DE LA TRANSFERENCIA DE OXÍGENO

La transferencia de oxígeno es el fenómeno mediante el cual se transfiere oxígeno de una fase a otra. En muchos procesos biotecnológicos, tales como fermentaciones, tratamientos de efluentes mediante sistemas de lodos activados, lagunas aireadas y digestiones aeróbicas, la transferencia suficiente de oxígeno es esencial para garantizar la respiración aeróbica de los microorganismos presentes en dichos sistemas y con ello el buen desempeño de los mismos. (Durán & Rojas, 2006).

La transferencia de O2 es la etapa controlante (reactivo limitante) en los procesos de fermentación aerobia. Por lo que es necesario disponer de métodos adecuados para la medida de parámetros de transferencia, áreas interfaciales específicas y distribuciones de tamaños de burbuja. Lo que se persigue en un bioreactor es intensificar el fenómeno de transferencia de O2.

2.2 APLICACIONES:

En un sistema industrial de tratamiento de aguas residuales, el oxígeno debe estar disponible a una tasa equivalente a la carga de demanda de oxígeno ejercida por las aguas residuales que entran

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