Biorreactores

Tema 5. bio-reactores
Definición. Clasificación de los bio-reactores. Reactores discontinuos y de flujo continuo. Reactores de tanque agitado y flujo continuo (TAFC). Reactores de lecho empaquetado, fluidificado y fibra hueca. Parámetros para evaluar el rendimiento de bio-reactores. Problemas en el funcionamiento ideal: pérdida de estabilidad, regeneración, mantenimiento de productividadconstante, problemas físicos (abrasión, empaquetamiento y compresión.

Definición de bio-reactor.

BIO-REACTOR Recipiente en el que tiene lugar una reacción catalizada por enzimas libres o inmovilizadas y el que existen sistemas para la toma de muestras y el control de la reacción Considerar: Control del pH y tª Suministro y eliminación de compuestos gaseosos Presencia de partículas sólidasEstabilidades químicas y biológicas de sustratos y productos Recambio del catalizador Existencia de inhibición por sustrato o productos Tamaño de la operación y uso del producto Función: retener el complejo inmovilizado y asegurar un contacto eficiente y controlado entre catalizador y sustrato Finalidad: máxima formación de producto en poco tiempo y con coste mínimo Características: trabajan a temperaturay presión bajas, consumen poca energía Fermentador: Funcionamiento a temperaturas y presiones moderadas Autocatalítico: Crecimiento microbiano Reactor enzimático: Funcionamiento a temperaturas y presiones moderadas No autocatalíticos Reactor químico: Funcionamiento a altas temperaturas Funcionamiento a altas presiones

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Clasificación de los bio-reactores

a.- Contenido: Homogéneo (unafase) Heterogéneo (más de una fase): reactores enzima inmovilizada b.- Grado de mezcla: Mezcla perfecta: constante estado de agitación Composición reactivos varía con el tiempo, no con la posición Efectividad varía con el tiempo (disminución sustrato con el tiempo) Flujo pistón: movimiento fluido a lo largo del reactor: no mezcla anterior y posterior Composición varía con la posición, no dependientedel tiempo Efectividad alta a la entrada, baja a la salida (disminución sustrato) c.- Modo de operación: Discontinuo (“por cargas”) Continuos

XS - K m ·ln(1 - X) =

kE·t V

S

S1

XS - K m ·ln(1 - X) =
qs
X: proporción de substrato convertido KE: actividad total de la enzima S y S1: concentración inicial y final de substrato q: velocidad de flujo dentro del reactor T: tiempo deoperación Km: cte Michaelis-Menten V: volumen de trabajo del reactor

kE kE·π = q V
qs1

Discontinuo Continuo Mezcla total Flujo pistón

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Reactores discontinuos

A.- Reactores discontinuos: Grandes tanques de agitación Final de la reacción: Vaciado y separación producto y enzima Usos: Enzimas solubles baratos Sustrato de consistencia sólida o coloidal (no apropiados para enzimasinmovilizados) No ideales para procesos integrados

Reactores de flujo continuo

B.- Reactores flujo continuo: Biocatalizador permanece en reactor Adición de sustrato / recogida producto Apropiados para la integración Catalizador: Mantenimiento en reactor:

Tipos de bio-reactores: B.1.- Reactor tanque agitado y flujo continuo (TAFC) B.2.- Reactor lecho empaquetado B.3.- Reactores lecho fluidificadoB.4.- Reactores fibra hueca

inmovilización forma soluble + unidad de ultrafiltración en la salida

Productividad y % conversión: Ajuste de concentración de sustrato Velocidad de flujo Actividad del catalizador

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Reactores de tanque agitado y flujo continuo (TAFC)

B.1.- Reactor tanque agitado y flujo continuo (TAFC) Catalizador + corriente de sustrato + retención del catalizador:filtración sedimentación fuerzas magnéticas fijación a palas de agitación Características: Fácil construcción y control Fácil sustitución catalizador gastado Buen mezclado (reducción limitaciones difusión) Permiten uso de sustrato sólido o coloidal

de

Inconvenientes: No en catalizador inmovilizado mecánicamente frágil Elevado volumen vacío (98% vs 2%): Necesidad gran tamaño Productividad global...