Analisis de Tecnologia y diseño de biorreactores

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Biorreactores: 
tecnología y 
análisis de diseño
Presentan:
• Aguilar Cruz Patricia 
• Gutiérrez Pérez Juan José 
• Guillen Mauricio Antonio 
• Martínez Gómez Carolina Martinez 
• Méndez Domínguez Jairo Antonio
Un biorreactor proporciona un entorno controlable que permite cumplir los 
requisitos biológicos, bioquímicos y biomecánicos para fabricar productos de 
ingeniería. 
El biorreactor tiene como objetivo crear un producto biológico deseado, es 
importante monitorear de cerca los parámetros de reacción, como la transferencia 
de masa interna y externa, la transferencia de calor, la velocidad del fluido, la 
tensión de corte, etc. 
Puntos 
importantes:
• Los biorreactores difieren de los reactores químicos 
convencionales en la medida en que apoyan y controlan 
entidades biológicas 
• Como los organismos son más sensibles y menos estables que 
los productos químicos, los sistemas de biorreactores deben 
ser lo suficientemente robustos para proporcionar un mayor 
grado de control sobre las alteraciones y contaminaciones del 
proceso 
• Las condiciones del biorreactor deben ser favorables para que 
los microorganismos vivos exhiban sus actividad bajo 
condiciones definidas. Esto requiere una serie de 
características especiales en la ingeniería de reacción de los 
procesos biocatalíticos.
• Mantener la actividad biológica deseada y minimizar las 
actividades no deseadas son ciertos desafíos ya que los 
organismos biológicos, por su naturaleza, mutarían y, por lo 
tanto, alterarían la bioquímica de la reacción o las 
propiedades físicas del organismo
BIORREACTORES DISEÑO Y OPERACIONES
El diseño y modo de operación de un biorreactor depende de la 
producción de organismo, las condiciones óptimas requeridas para la 
formación del producto deseado, el valor del producto y su escala de 
producción.
Sería necesario mantener en un 
biorreactor una transferencia de masa 
adecuada (oxígeno), una transferencia 
de calor, unas condiciones de flujo 
claramente definidas y una 
alimentación adecuada del sustrato que 
evite la sobredosificación o la 
sobredosificación.
Biorreactores: una 
idea de la 
transferencia de 
masa
• La transferencia de masa, referida 
como el movimiento de moléculas 
entre fases, controla o influye en la 
tasa de conversión de las reacciones.
• En un biorreactor, los componentes 
para la transferencia de masa suelen 
incluir oxígeno, aceptor de 
electrones, carbono orgánico total 
(TOC), demanda química de oxígeno 
(DQO), biomasa, amonio y nitrato y 
macronutrientes (Agomuoh PK, 
2011).
Reactores de tanque agitado por lotes 
Después de la esterilización se inocula el medio de cultivo estéril se
inocula con microorganismos. Durante ese periodo las células y
sustratos además de las concentraciones de los productos, varían con
el tiempo
Fase de latencia: el crecimiento de la
población microbiana cuando se
inocula con un medio fresco
comienza después de un cierto
periodo de tiempo
Fase logarítmica: el numero de
células microbianas se duplica por
unidad de tiempo
Fase estacionaria: no hay aumento o
reducción de células, las funciones
celulares continúan
Reactores de tanque agitado por lotes 
❖ Se componen por un solo tanque
❖ El tanque esta equipado con un agitador para mezclar
reactivos
❖ Un sistema integral de calefacción y refrigeración
❖ La solución tampón o controlador de pH
❖ Se carga y descarga en la parte superior del reactor
❖ Los líquidos se eliminan en el fondo
Son los reactores perfectos pata productos de bajo volumen 
y alto valor, también se utilizan cuando se producen 
múltiples productos en el mismo equipo como líquidos 
cargados de solidos pegajosos o altamente viscosos 
Balance de masa
En teoría existe una concentración uniforma, por lo 
tanto;
𝑑 ൗ𝑉𝐶 𝑑𝑡 = 𝑄𝑖𝑛 ∗ 𝐶𝑖𝑛 − 𝑄𝑜𝑢𝑡 ∗ 𝐶𝑜𝑢𝑡 + 𝑅𝑉
Entonces las tasa de flujo de entrada y salida son 0 
𝑄 𝑖𝑛 − 𝑄 𝑜𝑢𝑡 = 0
Por lo tanto 
𝑉𝐶
𝑑𝑡
= 𝑅𝑉 si el volumen cambia significativamente
𝑑 𝐶
𝑑𝑡
= 𝑅 el volumen de reactivo permanece 
constante 
R= k*C
Donde:
𝑑
(𝑉𝐶)
𝑑𝑡
= Tasa de acumulación de masa en
el volumen de control
𝑄 = Tasa de flujo en el sistema
𝐶 = Concentración de corriente/ sustrato
R= Velocidad de reacción
V= volumen de sustrato
Donde;
K= constante de velocidad
C= concentración
Proceso continuo
Se usa para la producción de alto
volumen; para reacciones que utilizan
sustratos gaseosos, líquidos o sólidos
solubles.
El biorreactor continuo es un proceso
de alimentación perpetua. La corriente
de líquido o suspensión se introduce
continuamente y los contenidos
líquidos se eliminan continuamente del
reactor.
Diseño de biorreactores continuos.
Balance de masa para CSTR.
d(VC)/dt = Qin.Cin - Qout.Cout + R.V
El balance de materia de este reactor es:
Si el volumen del reactor es constante y las
tasas de flujo de entrada y salida las
corrientes son las mismas, entonces:
d(C)/dt = 1/τ( Cin - Cout + R)
Este parámetro τ= V/Q en él se denomina
tiempo medio de residencia del CSTR.
Proceso de alimentación por lotes
El proceso utiliza una combinación de
reacciones discontinuas y continuas
Se agregan nutrientes adicionales al reactor
progresivamente a medida que se desarrollan
las biorreacciones para obtener mejores
rendimientos
Biorreactores 
de propósito 
especial 
• Reactor de flujo pistón 
El fluido fluye como pistones en 
un reactor con un tipo de 
reacción idéntico en la sección 
transversal del reactor. 
Balance de masa 
para reactor de 
flujo pistón 
• Donde d(VC)/dt = Tasa de acumulación de masa 
en el volumen de control 
• Q entrada = Q salida = Q 
• C entrada = Concentración de flujo en la 
entrada del disco (z); C salida = Conc. de flujo en
la salida del disco (z + ∆z) 
• R = Velocidad de reacción
• V = Volumen del reactor 
• d(VC)/dt = Q salida z. C entrada - Qsalida z+∆ z. 
C salida + R. ∆V
• Reactor de columna de burbujas
Se compone de un recipiente cilíndrico provisto 
de un rociador de gas, que empuja las burbujas 
de gas a una fase líquida o a una suspensión 
líquido – sólido.
• Biorreactor de transporte aéreo 
Utiliza la expansión de gas comprimido para 
mezclar. El volumen del fluido se divide 
proporcionando un tubo de tiro interior para 
mejorar la circulación y la transferencia de 
oxigeno e igualar las fuerzas de corte en el 
reactor.
• Biorreactor de lecho empacado
Constituye necesariamente un lecho de
empaques, disponible de una variedad
de formas y tamaños que permiten que
los fluidos fluyan de un extremo al otro.
• Reactor de leche fluidizado
Constituyen un lecho empacado con
partículas de menor tamaño. Estos
reactores operan en un estado continuo
con mezcla de partículas y gradientes
de temperatura uniformes.
Conclusión
• La selección y el diseño adecuados del biorreactor que aborde las altas eficiencias del 
proceso determinarán la viabilidad económica del bioproceso y su correspondiente 
inversión de capital.
• Se han desarrollado métodos de cálculo de ingeniería de procesos adecuados para dar 
una comprensión cuantitativa de la transferencia de masa.
• Las metodologías innovadoras para la transferencia de gas, el mantenimiento del pH, 
los sensores y actuadores que detectan la temperatura, la alimentación óptima y la 
cuantificación celular, etc. son herramientas importantes para la ingeniería de procesos.
• El tipo de biorreactor dependería de la morfología de las células, la tolerancia al 
cizallamiento, el comportamiento de crecimiento y producción del cultivo. El tipo de 
biorreactor dependería de la morfología de las células, la tolerancia al cizallamiento, el 
comportamiento de crecimiento y producción del cultivo. 
Ingeniería de biorreactores