Estado del arte bioreactor instrumentado

por definición “Un biorreactor o fermentador se define como aquel dispositivo que proporciona un medio ambiente controlado que permite el crecimiento eficaz de las células y la formación de un sustrato.

Tipos de biorreactores

Existen distintos tipos de biorreactores, básicamente tres:

1. Fermentadores bucle agitado por aire (air-lift)

2. Fermentadores de torre

3. Fermentadores con agitación mecánica

Los fermentadores con agitación básicamente consisten de un tubo cilíndrico con un agitador en el fondo o en la parte superior (Figura 1), estos son los fermentadores más comúnmente usados debido a su fácil operación, confiabilidad y duración. El fermentador que se encuentra en el laboratorio, y que es el motivo de este trabajo de investigación, es un fermentador de este tipo; con agitación mecánica. Estos biorreactores pueden variar en capacidad desde 1 litro hasta 30 litros, el nuestro posee capacidad de un litro. En estos tipos de fermentadores es necesario un motor para poder llevar a cabo la agitación, el motor deberá generar la suficiente potencia para asegurar que el medio de cultivo en el fermentador permanezca como una mezcla homogénea

Existen tres modos de operación de un biorreactor, caracterizados principalmente por la forma en que el sustrato es alimentado al tanque:

1. Modo discontinuo o batch: El crecimiento de microorganismos en batch se refiere a que las células se cultivan en un recipiente con una concentración inicial, sin que esta sea alterada por nutrientes adicionales o el lavado, por lo que el volumen permanece constante y solo las condiciones ambientales del medio (pH, temperatura, velocidad de agitación, etc) son controladas por el operador. El proceso finaliza cuando todo el substrato es consumido por la biomasa, Esta forma de cultivo es simple y se utiliza extensamente tanto en el laboratorio como a escala industrial.

2. Modo semicontinuo o fed batch: En un cultivode este tipo, los nutrientes son alimentados al biorreactor de forma continua o semicontinua, mientras que n o hay mientras que ni hay efluente en el sistema, según sea el objetivo de la operación, la adicion interminiente del sustrato mejora la productividad de la feermentacion manteniendo baja la concentración del sustrato. Un proceso de este tipo esta restringido por la capacidad volumétrica del reactor.

3. un cultivo continuo consiste en alimentar nutrientes y retirar productos continuamente de un biorreactor, Bajo ciertas condiciones el cultivo puede alcanzar un estado estacionario, donde no existe variación con el tiempo del volumen del biorreactor. De esta mnaera se puede utilizar para producion sustancias biológicas a condiciones optimas y para estudios fisiológicos. Los tipos de bioreactores para cultivo continuo  sin los de Tipo Tanque Completamente Agitado )CSTR) que comprenten al quimiostato y al tubidostato y el de tipo tuobo con flujp tapon )PFR).

De acuerdo a las descripciones dadas nuestro biorreactor opera en modo discontinuo.

Diseño e instrumentación de biorreactores

La instrumentación y control de un biorreactor requiere de sensores que midan las variables de un proceso fermentativo, y sistemas que ajusten el equipo a un punto óptimo de operación. Idealmente, los sensores deben de estar en línea, para medir las propiedades físicas del cultivo, Sin embargo, no todas las mediciones pueden ser hechas en línea, algunas medidas fuera de línea, requieren de tomar muestras y analizarlas, lo cual consume tiempo y hace lenta la respuesta de control (biomasa, sustrato, metabolitos, etc.). En la Figura 2, podemos observar los principales instrumentos de medición en un biorreactor.

Los sensores de propiedades físicas pueden ser monitoreados continuamente, y son la temperatura, presión, poder de agitación, velocidad de agitación, viscosidad del medio, flujo y concentración de gases y fluidos, espuma, volumen y masa. Los utilizados en el prototipo son de agitación, temperatura

Es importante medir y regular la temperatura en un proceso fermentativo, por el efecto adverso que tiene su pérdida de control sobre otras variables como, por ejemplo, la velocidad de la reacción, la presión, la velocidad de corrosión, las condiciones de equilibrio, además del estado y solubilidad de las sustancias

Las termorresistencias se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un material con la temperatura. Se diferencian dos tipos, los detectores metálicos (generalmente denominados RTD) y los termistores. Los sensores RTD consisten en un hilo muy fino de un conductor (el más utilizado es el platino), el cual presenta una resistencia que  depende linealmente de la temperatura.

En un termistor la medida se hace basándose en el cambio de la resistencia de un semiconductor de cerámica. En este caso, la relación entre la resistencia y la temperatura es negativa y no lineal. No obstante, este tipo de detector tiene un rango limitado de temperatura, de aproximadamente -195 a 450°C, lo cual reduce su aplicabilidad.

Los termistores tienen una elevada resistencia a bajas temperaturas, pero ésta disminuye exponencialmente al aumentar la temperatura. Dada su estabilidad, pequeño tamaño y su rápida respuesta, son utilizados para medidas a baja temperatura y en márgenes estrechos de temperatura (entre -40 y 150°C). Por ello se emplean principalmente en aplicaciones médicas y de laboratorio.

El termopar consiste en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a distinta temperatura. Se genera así una fuerza electromotriz (f.e.m.) que depende del tipo de termopar y de la diferencia de temperaturas entre las dos uniones: la fría o de referencia, y la caliente o de medida. Con el aumento de la temperatura, también aumenta la f.e.m., aunque no necesariamente de modo lineal. Existen diversos tipos de termopares, según sea la composición de los dos hilos que los forman. Por orden de aplicación de temperaturas, de menor a mayor, se utilizan normalmente los de cobre-constantan (tipo T), los de hierroconstantan (tipo J), los de cromel-alumel (tipo K) y los de platino-rodio (tipo R o S). Las temperaturas de aplicación abarcan desde los -270°C a + 400°C en el tipo T, hasta los 1768°C en el tipo S.

La relación f.e.m. - temperatura del termopar no es lineal, por lo que las escalas de los instrumentos de temperatura cuyo elemento es el termopar dependen de cada tipo de elemento. No obstante, existen instrumentos para linealizar las lecturas con el fin de que en el panel de control puedan utilizarse escalas lineales.

El tiempo de respuesta del termopar con vaina o tubo de protección será de tres a diez veces mayor que el del termopar sin protección. Los métodos generalmente utilizados, para reducir el tiempo de respuesta, consisten en minimizar la cámara de aire entre el sensor y la vaina o en sustituirla por un medio más conductor, con lo cual se facilita la transferencia de calor entre los dos elementos.  Esto se logra por ajuste del diámetro externo del sensor con el interno del tubo de protección o introduciendo una pequeña cantidad de aceite o de polvo de grafito y aceite en el interior de la vaina, de modo que el termopar quede sumergido.

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