Escalamiento de biorreactores

ESCALAMIENTO DE BIORREACTORES

Becerril A.V, Briseño A, Díaz G, Martínez C, y Rodríguez R.
Departamento de Biotecnología.
Universidad Autónoma Metropolitana
Unidad Iztapalapa

PALABRAS CLAVE: Biorreactor, Escalamiento, Agitación mecánica, Agitación neumática, Biorreactores tipo Air-lift, Criterios de escalamiento, Principio de similitud
RESUMEN
La finalidad del cambio de escala es laselección de las condiciones de diseño que aseguren que el efecto de las distintas variables sobre un proceso es el mismo en unidades de distinto tamaño. Con ello se pueden lograr rendimientos y calidad en el proceso deseado. En la utilización de este tipo de reactores se tiene una buena eficiencia, tanto en la construcción como en el mantenimiento de este. La complejidad del proceso como tal sueledeterminar el factor escala, que será tanto mayor cuanta mayor seguridad y eficiencia se tenga en el cambio de escala del proceso estudiado.

INTRODUCCION
El cambio de escala se entiende como la instalación y operación de un equipo a escala industrial, cuyo diseño y condiciones de operación se basan en parte en la experimentación y demostración a una menor escala de operación. Un cambio deescala satisfactorio podría requerir un aumento progresivo del tamaño, hasta alcanzar un volumen deseado a escala industrial. Las distintas metodologías de cambio de escala tienen como objetivo poder anticipar los efectos del cambio de escala, e introducir las variaciones requeridas en el diseño de los equipos cuando varía su tamaño.

SCALE-UP
(ESCALAMIENTO ASCENDENTE)
El escalamiento ascendentees el estudio de los problemas asociados con la transferencia de datos obtenidos con el equipo de laboratorio y planta piloto a la producción industrial. El equipo para la fermentación – fermentadores industriales, intercambiadores de calor, cristalizadores, separadores y demás, pueden diseñarse y operarse apropiadamente sólo si la tecnología del escalamiento es completamente apreciada.SCALE-DOWN
(ESCALAMIENTO DESCENDENTE)
Por escalamiento descendente se entiende aquí que la velocidad de producción microbiana de un metabolito específico a gran escala se reproduce por algunos medios a nivel Planta Piloto. El problema se presenta cuando se desea estimar la velocidad de aireación adecuada en un gran recipiente, aunque por simplicidad asumimos que no hay agitación mecánica.Considerando que las propiedades físicas del medio son iguales con fermentadores geométricamente similares y asumiendo que tanto el diámetro de la burbuja y la velocidad de ascenso de éstas son iguales con kLa constante en ambos niveles podemos escribir que

Concepto físico
i) Suponemos que las propiedades físicas del medio (composición del medio, temperatura, pH, concentración de O2 disuelto y otros)en fermentadores que presentan similitud geométrica y baffles no cambian.
ii) Asumimos también que los microorganismos se encuentran bien distribuidos en regímenes completamente turbulentos.
Los criterios físicos útiles para el escalamiento ascendente son:

a. Potencia consumida por unidad de volumen del líquido
b. Flujo de aire por unidad de volumen del líquido
c. Velocidad del impulsord. NRe modificado

Concepto biológico
Existe una importante relación entre la concentración relativa del producto al final y las variables de operación como (P/V) o kLa mostrando que para determinados valores de estas variables es la región óptima para llevar a cabo este cambio de escala, además que en esta zona es donde podemos obtener la máxima concentración del producto de interés.
Sinembargo es necesario seleccionar una variable de operación cuando la concentración del producto ya no aumente, mientras que para fermentaciones donde la concentración de producto decaiga al incrementar los valores en las variables de operación.

BIORREACTOR CON AGITACIÓN MECANICA
El fermentador de tanque agitado, consiste usualmente en un tanque cilíndrico bajo, en el que es esencial una buena...