BIB2_U3_EA_JEMP

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Universidad Abierta y a Distancia 
de México 
División de Ciencias de la Salud, 
Biológicas y Ambientales 
Ingeniería en Biotecnología 
 
 
Ingeniería de biorreactores II 
 
 
Unidad 3 
Evidencia de Aprendizaje 
Diseño de Biorreactores 
 
Jessica Verónica Mendoza Prado 
ES202104539 
 Grupo BI-BIB2-2202-B1-001 
 
24 de agosto de 2022 
 
Resumen 
Introducción al tema 
El cultivo de microalgas representa una misma respuesta para diversas problemáticas y 
necesidades humanas, en constante exploración y desarrollo, con nuevas propuestas 
conforme se desarrolla el conocimiento de la técnica. Surge como propuesta para el 
desarrollo de alimentos para la creciente población mundial, siendo una alternativa 
teóricamente de bajo costo y con alto contenido proteico. Lamentablemente, en un 
principio el bajo rendimiento de los cultivos reales contra el rendimiento teórico esperado 
desalentó un poco el desarrollo de esta biotecnología, siendo hasta la última década que 
se lograron los resultados esperados e incluso se descubrieron posibles y diversas 
aplicaciones de estos biocultivos, desde la producción de biocombustibles hasta la de 
agentes terapéuticos médicos. 
El diseño inicial de estos biorreactores era el denominado en carrusel, siendo un circuito 
cerrado removido periódicamente por espátulas y expuesto a las condiciones del 
ambiente al encontrarse descubierto. Dada la posible variabilidad en las condiciones del 
cultivo, resultaba en biomasas de bajo peso vs lo esperado, con un amplio lugar para el 
error, desde contaminaciones hasta muerte del cultivo. La investigación y el surgimiento 
de nuevos materiales han dado pie a que actualmente los diseños de estos biorreactores 
sean distintos a los de sus predecesores, siendo transparentes gracias a su composición 
de vidrio o policarbonato permitiendo una adecuada exposición lumínica y previniendo la 
variabilidad en la composición del medio del reactor, permitiendo una mayor producción 
en un espacio menor. 
Dosis respuesta de la energía luminosa 
La célula fotoautótrofa se vale de la energía luminosa y los fotones que esta contiene 
para poder realizar los procesos biosintéticos necesarios para su supervivencia. Se 
denomina curva de respuesta a la energía luminosa al resultado de graficar la actividad 
fotosintética a través del tiempo y con el incremento de la cantidad incidente de luz, 
aumentando considerablemente en un principio de forma casi exponencial para 
establecerse en una meseta en un punto determinado llamado EK, a partir del cual la 
velocidad de fotorreacción no incrementa, sino que los complejos sintéticos se ven 
saturados y no pueden acelerar, siendo incluso perjudicial pudiendo causar supresión de 
la fotosíntesis. Se denomina también a la eficiencia, que es la capacidad con que la luz 
incidente es usada. Por ejemplo, en los cultivos al aire libre se alcanzaba a medio día 
aproximadamente el punto EK. 
Aunque elegante, este modelo exacto no aplica de forma completa en la vida real, pues 
solo ocurre en un modelo teórico se considera que el cultivo es bidireccional. Describe 
entonces lo que ocurre solamente cuando la densidad es baja. En los casos de alta 
densidad celular, >3g /l, los cultivos aprovechan la luz con mayor incidencia incluso, con 
retraso en la aparición de la fotoinhibición con una intensidad de luz normal. 
Diseño de fotobiorreactores basados en conceptos de distribución de la luz 
En medios de cultivos en que la población celular cuenta con todos los sustratos 
necesarios para el desarrollo, suele ser la luz el factor limitante y de control sobre la 
velocidad de desarrollo de las células. Como se mencionaba anteriormente, dado a la 
densidad y a las características propias de la tridimensionalidad, la intensidad con que 
penetra la luz en los medios de densidad cada vez mayor es variable. Las células sobre 
las que incide en primer lugar la luz, es decir las más cercanas a la superficie, realizan 
un efecto similar a una sombrilla sobre las células que se encuentran a mayor 
profundidad. Con cada “capa” que se avanza en profundidad, mayor es el efecto de 
sombrilla de las células, incrementando el nivel de oscuridad con la profundidad. De 
hecho, se ha comprobado en cultivos de lata densidad, que la luz ingresa solo 1 a 2 mm 
más allá de la superficie, disminuyendo considerablemente el volumen total del cultivo 
expuesto a la luz. 
Se consideran dos los parámetros considerados básicos en la descripción de la 
disponibilidad de la energía: la relación de los periodos de luz oscuridad y la frecuencia 
de los ciclos de luz oscuridad. El principal indicador de luz para una célula individual es 
el régimen de iluminación, determinado por los periodos luz oscuridad, la frecuencia de 
los ciclos, la intensidad de la luz y la trayectoria de esta, siendo variables modificables 
que permiten que el régimen de luz sea el óptimo para el cultivo. 
Trayectoria de la luz 
Es la distancia transversal que atraviesa un fotón para pasar a través del fotobiorreactor, 
siendo muy variable dependiendo del diseño del reactor. A mayor trayectoria de la luz, 
menor es el volumen iluminado en el reactor, por el fenómeno ya descrito de auto 
sombreado. Por otro lado, una trayectoria pequeña de luz aumenta la relación de 
volumen iluminado oscuro, siendo las células expuestas a cantidades mayores de luz 
obteniendo mejores rendimientos. 
Ejercicio 
Actualmente la sociedad humana es dependiente de los hidrocarburos como fuentes de 
energía, los cuales presentan inconvenientes debido a su cada vez más difícil extracción 
y la gran cantidad de residuos contaminantes que se producen por su utilización y 
refinamiento. Por lo que se ha vuelto uno de los retos más importantes para los 
Biotecnólogos hacer propuestas factibles para la sustitución de estos por combustibles 
más amigables con el ambiente, por lo que la utilización de biodiesel es una de las 
opciones de estas energías limpias. 
Un punto crítico del bioproceso de producción de biodiesel a partir de organismos 
fotosintéticos es el diseño de dispositivos adecuados para su cultivo, que sean 
económicos y de fácil mantenimiento; requerimientos solicitados por una empresa que 
desea implementar un sistema de cultivo de microalgas oleaginosas. Para ello, el 
ingeniero en biotecnología encargado del área de desarrollo tecnológico propone el 
diseño, construcción y puesta en marcha de un sistema abierto o raceway. Como parte 
de la metodología, el especialista realiza pruebas de laboratorio, que le permiten obtener 
los siguientes datos. 
Datos 
a) Radiación solar media que llega al reactor (I0): 780 µE/m2. s 
 b) Constante de extinción de la biomasa (Ka): 0.17 m2 /g 
 c) Velocidad máxima de crecimiento (µMax): 0.64 día-1 
d) Radiación en que la velocidad de crecimiento es la mitad de la velocidad máxima (Ik): 
100 µE/m2. s 
e) Distancia que recorre la luz dentro del reactor (profundidad, p): 18 cm 
f) Concentración de la biomasa (Cb): 0.88 g/l 
Para la construcción del raceway, se dispone de 8,000 m2; y se ha supuesto que 
el sistema está formado por 2 canales. Con base en la información presentada en 
el caso de estudio, calcula las dimensiones del sistema abierto. 
Primera etapa 
𝐼𝑎𝑣 = (
780
𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝐸
𝑚2
. 𝑠
(0.17𝑚2𝑔)(0.18 𝑚) (
0.8𝑔
𝑙 )
)(1 − 𝑒^(−0.17m^2 /g) (0.18 m) (0.8 g/l)) = 33 983 
Segunda etapa: calculo de la altura del canal 
18 cm (ya proporcionada en el caso) 
 Etapa tres: cálculo de la longitud del canal 
𝐿 = √
(𝐴)(𝐿´
𝐷
))
𝑁
= 𝐿√
(8000 𝑚2)(20)
2
= 282 𝑚 
Etapa cuatro: cálculo de la anchura 
𝐷 =
𝐴
𝐿 ∗ 𝑁
=
8000 𝑚2
280 𝑚 ∗ 2
= 14.285 𝑚 
Etapa cinco: cálculo del ancho total 
𝐴𝑇 = (𝐷)(𝑁) = 14.285𝑀 ∗ 2 = 28.571 𝑀 
Etapa seis: estimación del volumen 
𝑉 = (𝐴)(𝑝) = (8000 𝑚2)(0.18 𝑚) = 1440𝑚3 
Conclusión 
Este tipo de biorreactores son una herramienta de gran importanciapara la sociedad 
actual que se enfrenta a la escasez creciente de recursos energéticos no renovables y 
que además se descomponen en elementos nocivos para el planeta, por lo que deben 
ser adoptados en escalas mayores industriales, no solo en pruebas piloto o 
laboratoriales, asegurando el acceso a energías limpias y renovables. 
Referencias 
Contreras-Flores, C., J. Peña-Castro & L. Flores. 2003. Avances en el diseño conceptual 
de fotobiorreactores para el cultivo de microalgas. INTERCIENCIA, 28(8): 450-456. 
Disponible en; https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=33908304