Bioprocesos. Fermentadores para cultivo sumergido

1. Resumen
2. Bioprocesos
3. Fermentadores agitados mecánicamente
4. Aplicación de la configuración normalizada en fluidos Newtonianos
6. Otras configuraciones de bioreactores tipo tanque agitado
7. Fermentadores agitados neumaticamente
8. Referencias

Resumen

Se realiza una revisión  en la literatura consultada  sobre  bioprocesos y sus etapas  principales y hace énfasis en las  principales características de los diferentes tipos de  bioreactores  o  fermentadores  donde se lleva a cabo  las bioreacciones  de  la industria biotecnológica, la aplicación de uno u otro dependerá de los requerimientos de  cada proceso en particular.

 Palabras clave: Bioprocesos;  fermentadores

 1. Bioprocesos

Se denomina  bioproceso a cualquier operación  que involucre la transformación en productos  de  un sustrato determinado    mediante  los microorganismos,  los cultivos de células animales o vegetales o por materiales derivados de estos como las enzimas.  Un bioproceso está compuesto de tres etapas principales;   la primera etapa  se define como  la preparación de la materia prima donde se realizan diferentes operaciones necesarias para llevar a cabo con éxito las biotransformaciones, entre esas operaciones se encuentran el tamizado, la reducción de tamaño, la hidrólisis y otras operaciones comunes a muchos procesos industriales, existen también operaciones como la formulación de los medios de cultivo  y los proceso de  esterilización, que resultan  específicas de la industria biotecnológica;  posteriormente la etapa de la bioreacción en la cual se producen  las transformaciones del sustrato para convertirlo en biomasa o en biomasa más metabolitos primarios o secundarios  posteriormente se  emplean los  bioreactores o fermentadores   de diferentes tipos y volúmenes desde la escala de laboratorio hasta la industrial.  Existen muchos tipos de bioreactores cada uno diseñado de manera que  se pueda adaptar a las condiciones de operación necesarias para optimizar la producción del compuesto de interés, hasta el momento    los más utilizados son los  reactores  del tipo  tanque agitado y  los  reactores  de elevación con aire comúnmente  conocido cono airlift

 Por último la etapa de tratamiento de los productos de la bioreacción  donde  se  realizan las operaciones de  separación mecánica,  extracción, concentración y  purificación del material deseado.  

2.  Fermentadores agitados mecánicamente

Los fermentadores aireados más empleados en la industria, es el tipo tanque agitado,  se logran con los mismos el 93% (en valor del producto) de toda la producción biotecnológica. La configuración normalizada empleada en los reactores tipo tanque agitado mecánicamente es la que se muestra en la figura 1.  La altura del líquido normalmente iguala el diámetro del tanque y la agitación se suministra por una turbina de disco de 6 hojas, tipo Rushton, con un diámetro de 1/3 del diámetro del tanque y colocada a una distancia a la base del tanque igual a un diámetro del impelente.  Cuenta además con cuatro deflectores igualmente espaciados, con un ancho igual a dT/12, para prevenir la formación de vórtices y el gas (aire u oxígeno) se dispersa a través de un distribuidor de gas (sparger), situado debajo del impelente, en el eje de la vasija. Este distribuidor en ocasiones se reduce a una simple tobera, aunque en otros casos se usan dispositivos más o menos complejos. El uso de la turbina tipo disco evita que se produzca la canalización del gas por el eje del impelente y ayuda a lograr una correcta dispersión del gas en el liquido

Figura  1  Fermentador normalizado tipo tanque agitado

h Configuración – Tubo cilíndrico con agitador que se puede colar por debajo de la base o encima de la tapa, puede ser desmontable el vaso de vidrio para autoclavear, vaso de acero inoxidable  se  esteriliza in sito

h Cuenta con sondas para medir pH, oxígeno disuelto, espuma, temperatura,  potencial redox.

h Tiene diseñada una camiseta o chaqueta, espaciador de aire, deflectores, filtros de aire, impelentes, sello mecánico, motor

hLa capacidad del fermentador se define como: Volumen total del fermentador + volumen de trabajo + espacio muerto o libre

3. Aplicación de la configuración normalizada en fluidos Newtonianos

La potencia mecánica requerida para la agitación no gaseada de tanques, se determinan a través de los gráficos de "Número de Potencia" versus "Número de Reynolds del impelente" (Figura  2). El Número de Potencia y  el Número de Reynolds del impelente se definen, respectivamente, como 

                        (1.1)