Biorreactor

Archiu:CAPS 1 CAPS 2 Plant.jpg

Biorreactor industrial per a la producció de vacunes.

Un biorreactor és un recipient o sistema que manté un ambient biològicament actiu. Es pot definir com un sistema dissenyat, desplegat per a facilitar el creiximent de la massa biològica a través de la transformació o degradació del material alimentat al reactor. En alguns casos, un biorreactor és un recipient en el que es porta a terme un procés químic que involucra organismes o substàncies bioquímicament actives derivades de dits organismes. Este procés pot ser aerobio o anaerobio. Estos biorreactores són comunament cilíndrics i varien en tamany des d'alguns milílitros fins a metros cúbics i usualment es fabriquen en acer inoxidable.

Els biorreactores no estan associats únicament a la biotecnología, són equips essencials en les indústries, laboratoris i diversos sectors.

Un biorreactor pot ser també un dispositiu o sistema que s'ampra per a fer créixer cèlulas o teixits en operacions de cultiu celular. Estos dispositius es troben en desenroll per al seu us en ingenieria de teixits. En térmens generals, un biorreactor busca mantindre certes condicions ambientals propícies (pH, temperatura, concentració d'oxigen, etc.) per al organisme o substància química que es cultiva. En funció dels fluix d'entrada i eixida, l'operació d'un biorreactor pot ser de tres modos distints: discontinu (batch), semicontinuo (fed-batch) o continu (quimiostato).

Archiu:Bench-scale Bioreactor. CAPS 5

Bioreactor a escala de laboratori contenint cèlules animals

Archiu:CAPS 6 Bioreactor.jpg

Biorreactor de laboratori en recipient encamisado, durant un procés de fermentació.

Disseny de biorreactores

El disseny dels biorreactores és una tasca d'ingenieria relativament complexa i difícil. Els microorganismes o cèlules són capaces de realisar la seua funció desijada en gran eficiència baix condicions òptimes. Les condicions ambientals d'un biorreactor tals com a fluix de gasos (per eixemple, oxigen, nitrogen, diòxit de carbono, etc.), temperatura, pH, oxigen dissolt i velocitat d'agitació o circulació, deuen ser cuidadosadament monitoreadas i controlades.

La majoria dels fabricants industrials de biorreactores usen recipients, sensorés, controladors i un sistema de control interconectados para el seu funcionament en el sistema de biorreacción (vore PLC).

La mateixa propagació celular (fenomen conegut en anglés com Fouling) pot afectar la esterilidad i eficiència del biorreactor, especialment en els bescanviadors de calor. Per a evitar açò, el biorreactor deu poder-se netejar fàcilment i tindre acabaments lo més sanitaris possible (d'ahí les seues formes redonejades).

Es requerix d'un bescanviador de calor per a mantindre el bioproceso a temperatura constant. La fermentació biològica és una font important de calor, per lo que en la major part dels casos, els biorreactores requerixen d'aigua de refredat. Poden ser refrigerats en una jaqueta externa o, per a recipients sumament grans, en serpentines interns.

Archiu:LabBioreactor.jpg

Laboratori de bioprocesos.

En un procés aeròbic, la transferència òptima d'oxigen és tal volta la tasca més difícil de conseguir. L'oxigen es dissol poc en aigua (i encara menys en caldos fermentats) i és relativament escàs en l'aire (20,8 %). La transferència d'oxigen usualment es facilita per l'agitació que es requerix també per a mesclar els nutrients i mantindre la fermentació homogénea. No obstant, existixen llímits per a la velocitat d'agitació deguts tant a l'alt consum d'energia (que és proporcional a la gaveta de la velocitat del motor) com al dany ocasionat als organismes per un esforç de tall excessiu.

Els biorreactores industrials usualment ampren bactèrias o atres organismes simples que poden resistir la força d'agitació. També són fàcils de mantindre ya que requerixen solament solucions simples de nutrients i poden créixer a grans velocitats.

En els biorreactores que s'utilisen per a fer créixer cèlules o teixits, el disseny és significativament distint al dels biorreactores industrials. Moltes cèlules i teixits, especialment de mamífer, requerixen una superfície o un atre soport estructural per a poder créixer i els ambients agitats són comunament amoladors per a estos tipos de cèlules i teixits. Els organismes superiors també requerixen mijos de cultiu més complexos.

Introducció

El disseny en bioingeniería no és solament l'aplicació de conceptes bàsics i teòrics que comporten a conseguir un prototip; per a la realisació íntegra d'un model, una atra gran part, tracta de l'adaptació creativa i de l'utilisació de l'ingeni propi per a conseguir l'objectiu de conjuntar l'ambient biològic d'un cultiu viu en l'ambient artificial d'un dispositiu controlat; est és el resultat denominat biorreactor o reactor biològic. Un biorreactor és per tant un dispositiu biotecnológico que deu proveir internament un ambient controlat que garantise i maximizar la producció i el creiximent d'un cultiu viu; eixa és la part biològica. Externament el biorreactor és la frontera que protegix eixe cultiu de l'ambient extern: contaminat i no controlat. El biorreactor deu per tant suministrar els controls necessaris per a que l'operació o procés (bioproceso) es porte a terme en economia, alt rendiment (productivitat) i en el menor temps possible; eixa és la part tecnològica.

Cultius i fermentació

Lo primer que cal entendre en el disseny de reactors biològics és que, contrari als químics, el seu cinètica no està determinada exclusivament per la velocitat de reacció i les variables que la determinen. Encara que es pot descriure de manera similar a la química, la cinètica biològica també depén de característiques intrínseques de l'organisme o cultiu tals com el creiximent i la taxa de divisió celular, aixina com del tipo d'operació que es porte a terme. Per això, lo primer que es definix en el disseny d'un biorreactor és el propòsit d'utilisació; és dir, quin tipo de cultiu es va a utilisar, el modo d'operar i/o el procés de cultiu. El conjunt biorreactor-sistema de cultiu deu complir en els següents objectius:

1. Mantindre les cèlules distribuïdes uniformemente en tot el volum de cultiu.
2. Mantindre la temperatura constant i homogénea.
3. Minimisar els gradient de concentració de nutrients.
4. Previndre la sedimentación i la floculació.
5. Permetre la difusió de gasos nutrients a la velocitat requerida pel cultiu.
6. Mantindre el cultiu pur.
7. Mantindre un ambient aséptico.
8. Maximizar el rendiment i la producció.
9. Minimisar la despesa i els costs de producció.
10. Reduir al màxim el temps.

Una fermentació és un procés biològic o bioproceso que consistix en la descomposició de la matèria orgànica per microorganismes fermentadores (bactèrias i fongos). Biorreactor i fermentador són térmens similars, pero en una clara diferència. El terme biorreactor a sovint es relaciona en el cultiu de cèlules mare, vegetals i de mamífers. Si l'aplicació és el cultiu de bactèries, rent o fongos, llavors s'utilisa el terme fermentador. No serà un error usar el terme biorreactor també en tals casos, pero en el cas del cultiu de cèlules solament s'usa el terme biorreactor. El nom fermentador està associat a reactors en els que es realisen fermentació, és dir, processos metabòlics que produïxen transformacions químiques en substrats orgànics per mig de l'acció d'enzimes.

Un cultiu també és un bioproceso; pero generalment s'associa a organismes o microorganismes superiors (en orde jeràrquic) a les bactèries; els cultius són casi tots del Regne Eucariota.

Classificació dels biorreactores

• Classificació operativa

Tant biorreactores com fermentadores es classifiquen primerament d'acort al modo d'operació: discontinu, semicontinuo, continu.

Esta és una classificació operativa i s'aplica a qualsevol reactor, siga químic o biològic (biorreactor). En els reactors biològics el modo d'operació definix el sistema de cultiu que és el mateix i delimita la classificació processal-productiva del bioproceso (cultiu). En operar un biorreactor en una determinada categoria (discontinu, semicontinuo, continu), automàticament queda determinat el modo de cultiu del sistema i es definixen els paràmetros i les característiques operatives i de disseny que intervenen en el procés productiu del sistema.

• Classificació biològica

Els sistemes biològics deuen interactuar en l'ambient extern per a poder créixer i desenrollar-se; és per açò que els biorreactores es classifiquen biològicament d'acort al metabolisme processal del sistema de cultiu: anaeròbic, facultatiu, aeròbic.

Els bioprocesos de cultiu i les fermentació es basen en el metabolisme celular del cultiu. Els bioprocesos s'utilisen per a convertir matèria orgànica per mig d'un biocatalizador, en síntesis química, i per a convertir materials de rebuig en productes útils (reciclat) o en efluents no contaminants (tractament de residus). Deixant de costat la classificació dels biorreactores, la característica més important dels bioprocesos és el seu alt potencial sintètic per a realisar reaccions químiques complicades en un sol pas. El metabolisme definix els paràmetros i característiques operatives-biològiques de disseny i d'operació del biorreactor. Estes característiques són les que intervenen en la part biològica del sistema i tenen que vore en el creiximent, productivitat i rendiment del cultiu; per lo que, definixen la classificació biològica-processal del sistema de cultiu.

• Classificació biològica-operativa

Abdós classificacions; la biològica i l'operativa, són procesalmente interdependents i en el seu conjunt afecten el disseny final del biorreactor.

Al conjuntarse abdós classificacions, es conjuntan també la funció operativa i la biològica per a establir entre abdós un propòsit d'utilisació, el modo de cultiu i el bioproceso. Sent el propòsit d'utilisació, el destí del cultiu del biorreactor; para quin tipo de cultiu va a ser utilisat el biorreactor; el modo de cultiu és sinònim de sistema de cultiu i el bioproceso és en sí, tot el procés. per a l'història

Biorreactores i tipos de cultiu

Els sistemes biològics que determinen el metabolisme celular de cultiu i el modo processal-biològic del sistema són:

• Cèlules i microorganismes anaerobio

Bactèries en la seua gran majoria, són microorganismes de metabolisme degradativo (catabólico); generalment unicelularés, estos microorganismes són autònoms i nutricionalmente independents (autótrofos); les seues cèlules (cossos) no respiren (no utilisen la glucólisis per a la respiració celular), en canvi, utilisen vies alternes, a on una molècula orgànica, produïda durant el procés metabòlic (catabolisme), és utilisada com a acceptor d'electrons, en un procés bioquímic conegut com a respiració oxidativa; esta molècula és reduïda a producte orgànic en un procés comunament denominat fermentació.

• Cèlules i microorganismes facultatius

Són ambivalents, tenen la capacitat de viure o sobreviure entre ambients: aeròbic (presència d'oxigen) i anaeròbic (absència d'oxigen); són microorganismes de metabolisme mixt per lo que, poden tant degradar (catabolisme) com construir (anabolismo) matèria orgànica, a partir de diferents substrats (matèria primera), tant orgànics com a inorgànics. Pese a la seua versatilitat, els seus majors representants són microorganismes que presenten relacions paràsites o simbiontes tals com: fongos i rents, per lo que no són molt extensos.

• Cèlules i microorganismes aerobios

Pertanyen en la seua majoria al Regne Eucariota – pero també els hi ha procariota – són microorganismes i cèlules que respiren (utilisen la glucólisis com a forma de respiració celular); per lo que el seu metabolisme és constructiu (anabólico) i deuen obtindre els seus nutrients de diferents fonts. Els seus principals grups estan representats per: bactèries i microorganismes aeròbics, plantas i animalés; les cèlules del qual es puguen cultivar en suspensions celulars o be, en diferents apanys artificials o modificades.

A continuació alguns dels possibles sistemes de cultiu que es poden realisar i el tipo de biorreactor associat a cada u:

• Cultius microbianos anaeròbics - fermentador bacterià (CO₂)

Els microorganismes de metabolisme anaeròbic són els més simples de tots, tan solament necessiten d'un mig de cultiu adequat, agitació vigorosa i certa cantitat de CO₂ (diòxit de carbono) dissolt (COD) per a créixer i multiplicar-se.

• Cultius microbianos facultatius – fermentador bacterià

Els microorganismes facultatius toleren la presència d'oxigen en baixes concentracions i ademés d'un substrat adequat, solament requerixen agitació moderada i un mig de cultiu per a créixer i desenrollar-se.

• Cultius microbianos aeròbics – fermentador bacterià (O₂)

Els microorganismes aeròbics necessàriament requerixen la presència d'oxigen (aire) dissolt (OD) per a sobreviure; ademés, agitació moderada i un mig de cultiu ric en nutrients per a poder créixer i desenrollar-se.

• Cultius celulars aeròbics i facultatius – fermentador micótico (CO₂)

Els cultius celulars es diferencien dels bacterians (microbis) en que no són microorganismes procariota, són eucariota. Són microorganismes aeròbics o facultatius pertanyents al Regne Fungi (fongos i rent), generalment cridats micóticos, requerixen de la presència de CO₂ dissolt en el mig com a substrat limitante de la velocitat de reacció i generen estructures reproductives molt particulars.

• Cultius celulars aeròbics estrictes – fermentador en aireación (O₂)

El cultiu de microorganismes celulars (no bacterians) aeròbics estrictes requerix la presència d'oxigen dissolt en el mig de cultiu per al metabolisme celular; aixina com una adequada agitació.

• Cèlules vegetals en suspensió – biorreactor d'alçament per aire (O₂) en règim turbulento (Re ≥ 3000)

Les cèlules vegetals poden ser cultivades en suspensions celulars: menuts agregats celulars que se suspenen en el mig de cultiu per mig d'agitació. Ya que les cèlules vegetals respiren, el disseny del biorreactor deu incorporar una llínea de aireación (aire) per a suministrar oxigen dissolt (OD) al mig de cultiu. El disseny deu contar en agitació vigorosa, puix els agregats celulars vegetals tendixen a agrupar-se (clusters) i d'alcançar gran tamany i pes, precipitarien. Per això, l'operació d'este tipo de biorreactores deu ser en règim turbulento (Re≥3000). Els biorreactores per a cèlules vegetals en suspensió generalment són dissenyats en un mecanisme d'alçament per aire “air lift” que combina una agitació vigorosa (turbulenta) en una adequada aireación (oxigen dissolt) del mig de cultiu.

• Protoplastos vegetals - biorreactor d'alçament per aire (O₂) en règim laminar (Re ≤ 2300)

Els protoplastos són cèlules vegetals desprovistas de la seua paret celular, açò es conseguix utilisant enzimas proteolíticas (proteasas i lipasas) que degraden la paret celular. Actualment, el cultiu de protoplastos no és molt comú, pero de realisar-se, requerix d'un llit d'aire (bombetes molt fines) que opere en règim laminar (Re≤2300), per a evitar que els esforços tallants (esquileo) i hidrodinàmics (agitació) generats en el mig de cultiu danyen (lisis celular) les cèlules en suspensió (tamany de Kolmogorov dels Eddies). També és indispensable que el mig de cultiu continga les proteasas i lipasa necessàries per a evitar la regeneració de la paret celular.

• Cèlules animals – biorreactor de llit fluidizado (O₂)

Els cultius de cèlules animals requerixen de proximitat mútua i d'un soport sòlit (anclaje) per a interactuar (comunicació cèlula-cèlula) i poder metabolizar (produir); açò por cuanto, les cèlules animals, per lo general, no són independents i deuen estar unides a un sistema (p.ej; hepàtic) per a funcionar adequadament. Per a suministrar eixa proximitat i el soport necessari, els dissenys de biorreactores per a cèlules animals deuen aumentar la densitat celular (concentrar) de les cèlules en cultiu. Una forma de fer-ho és incorporar un llit fluidizado format per cantitat de microesferas acarreadoras fetes de material ceràmic poroso inerte que, pel seu tamany (micrométrico) formen una interfase en el mig de cultiu (decorregut) que permet la transferència de massa (nutrients i OD), energia (calor) i momentun (agitació) entre el mig de cultiu i les cèlules en cultiu; lo que és cridat llit fluidizado. Els cultius celulars animals, per la delicada naturalea de les membranes plasmáticas requerixen ademés d'oxigen dissolt (OD) en el mig de cultiu (tamany de Kolmogorov dels Eddies) i d'un règim d'agitació laminar (Re≤2300).

• Cèlules Immovilisades – biorreactor de fibra hueca (O₂)

L'immovilisació celular és una atra forma de conseguir proximitat celular i aumentar la densitat celular i la concentració de metabòlits dins de les cèlules. L'immovilisació és un método molt més eficient i conseguix rendiments molt superiors als del llit fluidizado. Pero, els fenomens de transferència (massa, momentun i energia) es veuen molt llimitats per l'immovilitat. Açò és especialment crític en cultius de cèlules de mamífer por cuanto ya cèlula no rep la nutrició adequada.

Els reactors de fibra hueca són els dispositius més utilisats per a immovilisar i concentrar cultius celulars animals. El seu disseny consistix en una bateria de fibres hueca i porosa en el seu interior, colocades en paralel. Les cèlules es concentren i aumenta la densitat celular, en els intersticios de les fibres huecas. El mig de cultiu fluïx en contrasentit des de l'exterior del reactor o a través d'una carcassa com si fora un bescanviador de calor de doble tubo. Per a solucionar el problema de l'escassa transferència de massa (nutrients i OD) dins de la fibra hueca, un disseny nou és el tambor rotatiu en el qual, el tambor extern trencada sobre la bateria de fibres huecas, generant una circulació constant de massa i de momentun, aumentant les tasses de transferència.

• Cèlules empaquetades - biorreactor de llit empacado (O₂)

El empaquetamiento celular és una forma menys dràstica d'immovilisació; puix esta és parcial. També té l'objectiu d'aumentar la concentració i la densitat celular; pero al no estar enclaustradas les cèlules, la transferència de massa és major, encara que sempre llimitada. Un llit empacado és una matriu de soport sòlit que reté les cèlules, be per geometria (dins dels intersticios o espais buits de la matriu), be per afinitat (pas o adherencia selectiva). Un biorreactor en este propòsit deu contindre un llit de soport sòlit, sumergit en el mig de cultiu. La oxigenación generalment es realisa en l'exterior del llit, a través del mig de cultiu.

• Cultius enzimàtics – Reactors de llit catalític

Els cultius enzimàtics es comporten en alguns aspectes com a cultius celulars i en uns atres com a reactius químics. Degut a que un substrat enzimàtic és un catalític d'una reacció biològica, la cinètica d'estos reactors pot simular-se com la química, pero sense oblidar que el compost és biològic. Els substrats enzimàtics deuen estar ancorats a un llit semisólido o a un semifluido - segons siga el cas - depenent de la naturalea enzimàtica del substrat; que per la naturalea de l'enzima es coneixen com a llits catalítics. Moltes voltes el mig de cultiu, ademés de l'enzima, requerix, per a un substrat determinat, el seu respectiu precursor metabòlic cridat cofactor, més algun component especial que agilite el procés metabòlic.

Modo d'operació i sistemes de cultiu

El modo d'operació d'un sistema de cultiu, és sinònim del modo d'operar del biorreactor o fermentador. Este no solament influïx en el disseny propi del reactor, també, en el model cinètic de creiximent del cultiu i en el procés de producció. Existixen tres modos de cultiu aünats a tres modos bàsics d'operació:

• Discontinu (batch): per lots o tandes, sense alimentació (F); es coloca dins del biorreactor la càrrega total de cada procés (tanda o lot) de cultiu o fermentació i es deixa que es porte a terme el procés productiu o la fermentació pel temps que siga necessari; el qual es denomina temps de retenció.
• Semicontinuo (fed-batch): per lots alimentats, en alimentació d'entrada (F1); s'alimenta una llínea d'entrada o alimentació (F1) per a que el sistema de cultiu tinga un producte (biomassa) en màxim de creiximent (exponencial) i aumente la productivitat.
• Continu: per quimiostato, s'alimenta una llínea d'entrada F1 o alimentació i es drena una llínea d'eixida F2 o llavat; de manera que els fluix o cabals d'abdós llínees siguen iguals i la producció siga contínua.

Balanços i equacions

La part teòrica del disseny consistix en modelar; és dir, “posar” en equacions el procés biològic (bioproceso) que es porta a terme, per a que, a partir d'eixes equacions, dimensionar (donar dimensions) i simular el comportament teòric d'un model prototip. Si la teoria correspon a la pràctica, el comportament del model s'acostarà a la realitat; està en l'habilitat del dissenyador, que açò siga lo més propenc possible. Abans de modelar en equacions un disseny és necessari “saber” que “tamany” va a tindre el model, de “quant” es dispon i quant anem a “requerir” per a realisar un proyecte d'eixe tamany. Això és, fer un balanç per a “igualar” totes les variables o paràmetros de les equacions i “dur” la contabilitat del nostre proyecte.

• Balanç general

El primer balanç que deu realisar-se en qualsevol sistema és el Balanç General o Global; en ell es pren en consideració únicament – el sistema – com una caixa negra – l'ambient extern i – els fluix – que entren (F1) i ixen (F2) i interaccionen en l'ambient extern. D'esta forma el primer balanç és:

• Balanç general biomassa

Velocitat d'Acumulació = Velocitat d'Entrada – Velocitat d'Eixida + Velocitat de Formació – Velocitat de Consum

• Balanç general per component

Una volta donat el balanç general de biomassa, deu prendre's en conte que, en un sistema de cultiu, existixen molts components: substrats, productes, composts metabòlics que conformen el caldo de cultiu (mig intern); inclús la biomassa, es considera un component en sí mateixa. A partir del balanç general, deu establir-se un balanç general per a cada component $i$ del cultiu o la biomassa.

D'acort a l'enunciat del balanç general: la velocitat d'acumulació del component $i$ és el fluix d'entrada $(F_1)$ per la concentració inicial del component $i$ $(C_i^o)$ [velocitat d'entrada] menys el fluix d'eixida $(F_2)$ per la concentració del component i $(C_i)$ [velocitat d'eixida]; més la velocitat de formació del component $i$ [formació] menys la velocitat de consum del component $i$ [consum]:

$d(V{C}_i)=F_1{C}_i^o-F_2{C}_i+V{r}_i^f-V{r}_i^c$ Ec.1

Respecte a les velocitats de formació i consum:

Si es tracta d'un component metabòlic, responen a l'acumulació (formació) del component dins de la cèlula i al consum del metabòlit per part de la cèlula (consum).

Si es tracta de biomassa, formació correspon a la generació de biomassa i el consum al consum de biomassa durant el bioproceso; açò és, a la producció metabòlica en el primer cas i a la producció o productivitat en el segon.

Nomenclatura:

• $V$ = volum del cultiu (m³)
• $F_1$ = cabal d'alimentació (m³/s)
• $F_2$ = cabal d'eixida (m³/s)
• $C_i^o$ = concentració del component $i$ en l'alimentació (kg/m³)
• $C_i$ = concentració del component $i$ en el llavat (kg/m³)
• $r_i^f$ = velocitat de formació del component $i$ (kg/m³s)
• $r_i^c$ = velocitat de consum del component $i$ (kg/m³s).

• Balanç General per component per a cada modo d'operació

L'equació de balanç general per component Ec. 1, per ser general, es definix per a una operació contínua. La condició fonamental de tota operació contínua és:

En una operació contínua el fluix d'entrada (F1) deu ser igual al fluix d'eixida (F2): F1 = F2

Esta condició es coneix com a fluix en estat estacionario (FEE). Per a modelar el comportament de la biomassa del cultiu en l'estat estacionario (EE) ademés de la condició de fluix (FEE) deu haver equilibri en la densitat o concentració d'esta. Açò es coneix com quimioestásis o equilibri quimioestático i és per açò que als sistemes de cultiu continu se'ls crida quimioestatos. Està condició està donada per l'equació: dV/dt = F1 – F2 Ec. 2. Baixe la condició de FEE i suponent que la densitat del cultiu i de l'alimentació són iguals (Ec.2, quimioestásis) la Ec.1 es reduïx a: dCi/dt = F (Ci1 – Ci) + V (rfi – rci) Ec. 3. La ec.3 que es coneix com a equació de balanç per a una operació contínua en estat estacionario.

De no existir l'estat estacionario (EE) es produirien dins del biorreactor dos condicions de fluix indesijables:

Si F1 > F2 es produïx el rebalse o desborde del biorreactor, condició que es dona quan el fluix d'entrada sobrepassa la capacitat del reactor.

Si F2 > F1 es produïx el llavat o drenado de producte o biomassa, condició que es dona quan el fluix d'eixida sobrepassa la capacitat del reactor.

Quan el modo d'operació és semicontinuo (fed-batch) el cabal d'eixida F2 és nul (F2 = 0) per lo que, el volum V aumentarà en el temps en funció del cabal d'entrada: dV/dt = F Ec.4. I en el balanç de matèria s'anula el terme F2Ci resultant: d(VCi/dt) = FCio + V (rfi - rci) Ec.5.

Observe que el volum que permaneix dins de l'operador diferencial és perque varia en el temps (Ec.4), mentres que l'atre no ho fa (Ec.3). Eixa és la raó per la que una operació semicontinua té duració llimitada en el temps (el volum no pot incrementar-se més allà del volum de treball o volum útil del biorreactor). El temps que dura una operació semicontinua es coneix com a temps de residència (tr) i és el temps que dura el cultiu o bioproceso en un sistema semicontinuo.

Quan el modo d'operació és discontinu (batch) abdós cabals són nuls (F1 = F2 = 0) per lo que, el volum és constant i s'anulen els térmens F1 Cio, F2 Ci en la Ec.1.Això dona com a resultat: dCi/dt = rfi – rci Ec.6.

La duració d'un cultiu discontinu (batch) és també, llimitada en el temps, pero es diferencia de la del cultiu semicontinuo (fed-batch) en que depén únicament de les condicions inicials del cultiu; açò por cuanto, no existix alimentació (F1). Una volta carregat el biorreactor i inoculado el mig de cultiu, la concentració de la biomassa aumenta gràcies als nutrients, pero una volta que el substrat que llimita el creiximent s'haja agotat, el creiximent ya no és possible i finalisa el cultiu. Per este motiu, el temps que dura el cultiu dins d'un biorreactor en un modo d'operació discontinu es diu temps de cultiu (tc).

• Balanços individuals

Els principals balanços per component en la seua forma individual són:

• Balanç de biomassa: d (VX) / dt = FiXi + VrgX – FoXo – VrcX
• rgX = µX (velocitat de creiximent celular)
• rcX = kdX (velocitat de mort celular)
• Balanç de Substrat: d (VS) / dt = FiSi – Fosar – VrcS
• rcS = qSX / YX/S = µX / YG + m X + qPX / YP
• Balanç de producte: d (VP) / dt = FiPi – FoPo – VrgP
• rgP = qP X
• Balanç d'Oxigen: d (VCL) / dt = FiCLi – FoCLo – VrcO₂ + VNiO₂
• Balanç d'Anhídrit Carbónico: d(VCCO₂) / dt = FiCCO₂i – FoCCO₂o + VrgCO₂ – VNoCO₂

Nomenclatura

• V: Volum del líquit en el biorreactor, L
• t: Temps, h
• i: Concentració del component i en el líquit dins del biorreactor, g/L
• X: Concentració de biomassa en el líquit dins del biorreactor, g/L
• S: Concentració de substrat en el líquit dins del biorreactor, g/L
• P: Concentració de producte en el líquit dins del biorreactor, g/L
• CL: Concentració d'oxigen en el líquit dins del biorreactor, g/L
• C*: Concentració d'oxigen en el líquit en equilibri en el gas, g/L
• CCO₂: Concentració de CO₂ en el líquit dins del biorreactor, g/L
• F: Velocitat de fluix de líquit, L/h
• Ni: Velocitat de transferència d'un component del gas al líquit, g/Lh
• No: Velocitat de transferència d'un component del líquit al gas, g/Lh
• rg: Velocitat de generació, formació o producció, g/Lh
• rc: Velocitat de consum o utilisació, g/Lh
• µ: Velocitat específica de creiximent celular, h-1
• qS: Velocitat específica de consum de substrat, g/gh
• qP: Velocitat específica de formació de producte, g/gh
• m: Velocitat específica de consum de substrat per a manteniment celular, g/gh
• Kd: Velocitat específica de mort o declinació celular, h-1
• YP: Coeficient (estequiomètric) de rendiment de producte basat en el consum de substrat consumit per a formació de producte, g/g
• YP/S:Coeficient de rendiment de producte basat en el consum total de substrat, g/g
• YG: Coeficient de rendiment de biomassa basat en el consum de substrat per a creiximent, g/g
• YX/S:Coeficient de rendiment de biomassa basat en el consum total de substrat, g/g
• kLa: Coeficient volumètric de transferència d'oxigen, h-1

Subíndexs

• i = Ingresse
• o = Eixida
• S = Substrat
• P = Producte
• O₂ = Oxigen
• CO₂ =Anhídrit carbónico

Disseny d'un quimiostato: cultiu continu

Un quimiostato és un sistema de cultiu en continu; la seua operació esquemàtica és com la que mostra la figura. Una operació en continu exigix una série de consideracions per a modelar el seu comportament:

Mescla perfecta (sense gradient de concentració i en agitació turbulenta);

Fluix d'entrada i eixida iguals (F1 = F2 = F);

Volum d'operació constant (volum de líquit dins del biorreactor: dV/dt = 0);

Paràmetros constants de transferència (temperatura, pH, velocitat de transferència d'oxigen, etc.)

La operació industrial d'un quimioestáto s'ilustra en la figura.

Per a iniciar un cultiu continu; el biorreactor o el fermentat deu carregar-se prèviament en l'inòcul del cultiu i després de que est creix lo suficient, alimentar el sistema en mija fresca a un cabal F1 i llavar el producte per un rebalse a un cabal F2, de modo que, el volum es mantinga constant, el temps que dure el bioproceso o la fermentació. El cabal d'eixida F conté cèlules vives (X), mig de cultiu en algun substrat (S) parcialment agotat (Baix) i possiblement algun producte (P). En alimentar en mija fresca (Baix) el cabal d'entrada (F1), la biomassa (Xo) i el producte (Po) seran iguals a zero per a les condicions d'entrada; per lo que, solament es deurà considerar la concentració de substrat limitante del creiximent (Baix) en l'alimentació.

Balanços i equacions en l'estat estacionario

Tenint en conte estes consideracions, els balanços de matèria per a X, S i P en l'estat estacionario (E.E) seran:

Balanç de biomassa: VdX/dt = -FX + Vrx = –(F/V)X + µX = 0; rX = mX; E.E » dX/dt = 0. Per definició D = velocitat de dilució = F/V » µ = D

Balanç de substrat: VdS/dt = F (Baix – S) – Vrs; rs = µX / YX/S; E.E » dS/dt = 0. Per definició: SEE = KsD / µm – D » XEE = YX/S (S0 – S)

A on: D = velocitat de dilució; SEE = concentració del substrat limitante de la velocitat en estat estacionario; XEE = concentració de biomassa en estat estacionario.

Balanç de producte: VdP/dt = -FP + Vrp = PEE = qPX / D; rP = qPX; E.E » dP/dt = 0

A on: PEE = concentració del producte en l'estat estacionario.

Nota: quan el substrat limitante de la velocitat de creiximent (S) és també la font de carbono: X = DY´X/S (Baix – SEE) / (D + msY´X/S)

Model cinètic de Monod per al cultiu continu

El model de creiximent que s'aplica en els sistemes de cultiu continu és el model cinètic de Monod: D = µms / (KS + S) » S = KSD / (µm – D) » X = YX/S [S0 – KSD / (µm – D)]

Velocitat Crítica de Dilució: existix un valor de dilució per damunt del com és X = 0; és dir, es produïx llavat o arrastre de la biomassa per damunt del valor d'equilibri que permet l'estat estacionario i F2 > F1.

Este factor es coneix com a dilució crítica (Dc); Dc = µmSo / Ks + Baix

En condicions normals d'operació contínua S0 >> KS » DC = µm per lo que, un quimioestáto deu treballar a una fracció de µm. En térmens de creiximent de la biomassa açò significa que el quimioestáto impon una condició selectiva al creiximent del cultiu o el microorganisme.

Formació de producte: PEE = rp/D = qPXEE/D

Determinació de Paràmetros de Creiximent: un cultiu continu és sumament útil per a determinar paràmetros de creiximent.

1/D = 1/µm + Ks/µm * 1/SEE

Es grafica 1/D en funció d'1/S els punts s'ajusten a una recta l'intersecció de la qual en l'eix 1/D és el valor d'1/µm i que la seua pendent és Ks /µm.

D (Baix – SEE) / XEE = D / I´X/S + ms

La gràfica de D (Baix-S) / X en funció de D permet estimar 1/I'x/s i µs quan el substrat limitante de la velocitat de creiximent és la font de carbono.

Equació de disseny d'un reactor de mescla perfecta

L'equació de disseny nos dona el temps de residència (t) del cultiu dins del biorreactor.

Per a poder utilisar l'equació de disseny cal modificar la definició de component X i substituir-ho per conversió X del component i.

Per definició: Xi = Nio – Ni / Nio A on: N = moles del component i. Rebujant: Ni = Nio (1 - Xi) » dNi/dt = -Nio dXi/dt = riV En lo que, l'equació de balanç de biomassa per a l'estat estacionario es transforma en: -FXi + riV = VdXi/dt = 0

Reordenado: V/F = ∆Xi / -ri = t = equació de disseny d'un reactor de mescla perfecta. A on: t = temps de residència del cultiu dins del biorreactor; ∆Xi = Xi2 – Xi1 = dXi

Atre terme comunament utilisat en el disseny de reactors és el temps espacial (τ) el qual definix el temps necessari per a processar o fermentar en el biorreactor, un volum d'alimentació, medit en condicions d'entrada (pressió i temperatura), igual al volum d'operació del biorreactor (el que definix l'estat estacionario). El temps espacial s'obté dividint el volum de reactor (V) entre el cabal volumètric d'entrada al biorreactor (Q): τ = V/Q

Observe que de la mateixa manera que t les unitats de τ són s-1.