DISEÑO DEL FERMENTADOR

la función principal de un fermentador es la de proporcionar un medio ambiente controlado que permita el crecimiento eficaz de las células y la formación del producto. El fermentador típico moderno de laboratorio se ha diseñado como una unidad sofisticada con las características y la instrumentación necesarias para llevar a cabo una gran variedad de procesos de fermentación, a la hora de discutir de los fermentadores piloto, están hechos específicamente para unos procesos y lograr una mayor eficacia, en consecuencia tiene características especificas para un proceso de producción en particular.

Condiciones para operar en medio aséptico

muchos biorreactores tiene que trabajar en condiciones asépticas utilizando un inoculo puro del microorganismo y excluyendo los organismos contaminantes; por consiguiente, el biorreactor, al igual que la red de tuberías asociadas, ha sido diseñado como un recipiente a presión de tal forma que tanto el sistema como el medio que contenga puede esterilizarse a la temperatura /presión adecuadas, un mínimo de

121° C/15 así durante 15-30 minutos. Las válvulas utilizadas en las secciones esterilizables deben ser utilizadas en condiciones asépticas. Las válvulas de estrangulamiento y las de diafragma son particularmente adecuadas, puesto que su mecanismo de operación esta separado del medio líquido o gaseoso por un tubo o un diafragma flexible. Los puntos de entrada al recipiente y el proceso para añadir y eliminar gases o líquidos al/del reactor durante la fermentación también deben estar diseñados de forma que mantengan las condiciones asépticas.

No todos los procesos de fermentación necesitan condiciones totalmente estériles; en algunos se reduce simplemente su contaminación por pasterización, mientras que otros dependen realmente de la población microbiana natural, por lo que el diseño del reactor y del equipo necesarios para cada proceso deben simplificarse de acuerdo con esto.

BIORREACTOR DE TIPO HORIZONTAL
Una rotación horizontal birreactor tubular (HRTB) es un biorreactor de flujo de pistón, cuyo interior está provisto dé tabiques o-en forma de anillo que sirven como portadores debió masa microbiana. Durante esta investigación, la biomasa microbiana fue cultivado en suspensión y en la superficie interior cómo biorreactor de una biopelícula microbiana con una masa promedio que era considerablemente más alta que la biomasa en suspensión. La dinámica de bioprocesos en HRTB fue estudiado por diferentes combinaciones de parámetros de proceso (velocidad de rotación del birreactor y el tiempo medio de residencia) y fue supervisado por la retirada de la muestras decinco posiciones a lo largo del biorreactor. Durante esta investigación se observó también que el tiempo medio de residencia tenía un efecto más pronunciado sobre la dinámica de bioprocesos que la velocidad de rotación del biorreactor. Para la descripción de la cinética de bioprocesos en HRTB un modelo cinético no estructurado se estableció que define el crecimiento de la biomasa, las formaciones de producto y sustrato tasa de consumo utilizando una versión modificada de Monod (Levenspiel) modelo. Este modelo cinético define los cambios en la suspensión y en biopelículas microbianas, y se muestrarelativamente acuerdo con los datos experimentales.

METODO DE INOCULACION EN EL FERMENTADOR

La presente invención se refiere a un novedoso inóculo y a sus aplicaciones para la producción de productos lácteos fermentados. El novedoso inóculo está caracterizado porque contiene: al menos un fermento seleccionado entre los fermentos lácticos que pueden producir el producto lácteo fermentado antes mencionado, mediante la fermentación láctica acidificante del sustrato lácteo; y al menos una levadura lisada.

Los métodos más comunes de inoculación son:
Método seco:

Este método consiste en aplicar el inoculante base turba sin adherentes mezclándolo con la semilla. Se esparce la semilla sobre el piso limpio o una lona limpia y se espolvorea el inoculante. Luego se la mezcla y se embolsa.

Este método no es aconsejable ya que el inoculante no se adhiere a la semilla o queda en muy baja proporción. Cuando se embolsa nuevamente la semilla para llevarla al potrero, lo poco que quedó sobre la semilla se desprende.

Método slurry o húmedo:

Método por el cual se mezcla el inoculante base turba con adherentes a la semilla. Si bien este método es un poco mejor que el método seco, los resultados no son alentadores.

Se esparce la semilla sobre el piso limpio o una lona, se la humedece con el adherente y luego se agrega el inoculante. Se mezcla bien hasta que la semilla quede seca. Hay que cuidar que no queden semillas pegadas para evitar que tapen los alimentadores de la sembradora.


El método más eficiente es el peleteado

FERMENTACION


La biotecnología comprende la fermentación y recuperación del producto. Para el cultivo de microorganismos, así como la producción de los metabolitos o enzimas desea se deben desarrollar procedimientos de fermentación así como el mejoramiento genético de cepas y la regulación del metabolismo mediante la optimación del medio de cultivo; el control de los factores físico-químicos que afectan el rendimiento de las fermentaciones. La recuperación del producto se refiere a la extracción y purificación de los productos biológicos deseados.


Si se quiere llevar a cabo la fermentación a gran escala, se lograría aumentando el tamaño del fermentador y de las partes internas del mismo, pero sería un error ya que no es la misma cantidad de calor generada en un fermentador de 5-10 que en uno de 10-100. De tal manera que el calor generado en este último mataría a los microorganismos.
Un biorreactor es la parte principal de cualquier proceso bioquímico en el cual se emplean sistemas microbianos para la producción de productos biológicos.
Los biorreactores son empleados en las industrias de alimentación y fermentación, en el tratamiento de residuos y en muchas instalacion

es biomédicas.




PROCESOS INDUSTRIALES


Los biorreactores usados actualmente para la producción industrial:


No agitados sin aireación.
Con elevación de aire.
Agitados con aireación.
Fluidificados.
De membrana y fibra hueca.
Los recipientes no agitados son aireación, se usan para los productos tradicionales como el vino, la cerveza y el queso. La síntesis de nuevos productos requiere el crecimiento de microorganismos en recipientes aireados con agitación.
Biorreactor de tanque con agitación: es importante para la aplicación industrial, es el recipiente para la mezcla común que tiene ventaja de bajo costo capital y producción.
Biorreactor con elevación con aire: la falta de un patrón bien definida en un reactor de tanque con aplicación ha conducido a la creación de un reactor basado en el principio del lazo; y este se divide en 4:
Elevación con aire estándar.
elevación con aire seco.
elevación con aire kaneguch.
elevación con aire legrancois.
Biorreactor fluidificados: las ventajas de un sistema de biorreactor fluidificado son sus características de masa mezclada en calor en energía relativamente baja, velocidades de corte hace al biorreactor adecuado para las células sensibles de animales y plantas.
Biorreactor con micro portador: la idea inicial de cultivar células de mamíferos dependientes de anclaje sobre micro portadores fue considerada por Jan Wezel, amplio vecina, intercambio iónico fragmentado con micro portadores.
Biorreactor de membrana y fibra hueca: se hace creado y probado para el crecimiento de células vegetales y mamíferos, para la inmovilización de bacterias, levaduras y enzimas.
Digestores Horizontales.
Se caracterizan por su forma alargadahorizontalmente, su alimentación se realizan
Por los extremos.

AGITACION
Operación química que consiste en crear movimientos turbulentos en un fluido mediante dispositivos mecánicos que actúan sobre el agitador.
Se emplea industrialmente para acelerar ciertas operaciones como la extracción, el mezclado y la absorción y la absorción y operación homogenizar las mezclas de fluidos.

PUC
Proteína unicelular se emplea para referirse a microorganismos tales como bacterias levaduras algas y hongos filamentosos que son empleados para la alimentación humana o animal principalmente para su alto contenido en proteínas.

WPC
Concentrados de proteína de lacto suero son elaborados por la ultra filtración que consiste de una membrana semipermeable la cual permite pasar materiales de bajo peso molecular como agua iones y lactosa mientras retiene materiales de peso molecular alto como la proteína.

Serpentín: medio físico por el cual el calor es absorbido o transmitido al fluido. El tubo del serpentín debe ser de acero inoxidable 304 o 316 (preferiblemente) y se recomienda que sea delgado para una mejor transferencia de calor.

MANOMETRO
Un manómetro es un aparato que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Existen, básicamente, dos tipos: los de líquidos y los de gases.
Muchos de los aparatos empleados para la medida de presiones utilizan la presión atmosférica como nivel de referencia y miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor presión manométrica; dichos aparatos reciben el nombre de manómetros y funcionan según los mismos principios en que se fundamentan los barómetros de mercurio y los aneroides.
La presión manométrica se expresa ya sea por encima, o bien por debajo de la presión atmosférica. Los manómetros que sirven para medir presiones inferiores a la atmosférica se llaman manómetros de vacío o vacuómetros.






En la industria se emplean casi exclusivamente los manómetros metálicos o aneroides, que son barómetros aneroides modificados de tal forma que dentro de la caja actúa la presión desconocida que se desea medir y fuera actúa la presión atmosférica. El más corriente es el manómetro de Bourdon, consistente en un tubo metálico, aplastado, hermético, cerrado por un extremo y enrollado en espiral . El extremo abierto se comunica con el depósito que contiene el fluido cuya presión se desea medir; entonces, al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a desenrollarse, y pone en movimiento una aguja indicadora frente a una escala calibrada en unidades de presión.

AGITADORES

Un agitador es un instrumento, usado en los laboratorios de química, consistente en una varilla regularmente de vidrio que sirve para mezclar o revolver por medio de la agitación de algunas sustancias.
También sirve para introducir sustancias líquidas de alta reacción por medio de escurrimiento y evitar accidentes. Existen diferentes tipos de agitadores dependiendo de la aplicación pueden ser con parrilla o simples, y de diferentes velocidades.
Se usan para los liquidos de baja densidad y sólidos de baja densidad.

Agitadores de Hélices
Un agitador de hélice, es un agitador de flujo axial, que opera con velocidad elevada y se emplea para líquidos pocos viscosos. Las corrientes de flujo, que parten del agitador, se mueven a través del líquido en una dirección determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque. La columna de remolinos de líquido de elevada turbulencia, que parte del agitador, arrastra en su movimiento al líquido estancado, generando un efectoconsiderablemente mayor que el que se obtendría mediante una columna equivalente creada por una boquilla estacionaria.
Las palas de la hélice cortan o friccionan vigorosamente el líquido. Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice son eficaces para tanques de gran tamaño. En tanques de gran altura, pueden disponerse dos o más hélices sobre el mismo eje, moviendo el líquido generalmente en la misma dirección. A veces dos agitadores operan en sentido opuesto creando una zona de elevada turbulencia en el espacio comprendido entre ellos.
Agitadores de Paletas
Para problemas sencillos, un agitador eficaz está formado por una paleta plana, que gira sobre un eje vertical. Son corrientes los agitadores formados por dos y tres paletas. Las paletas giran a velocidades bajas o moderadas en el centro del tanque, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas. Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y después siguen hacia arriba o hacia abajo. Las paletas también pueden adaptarse a la forma del fondo del tanque, de tal manera que en su movimiento rascan la superficie o pasan sobre ella con una holgura muy pequeña.
A velocidades muy bajas, un agitador de paletas produce una agitación suave, en un tanque sin placas deflectoras o cortacorrientes, las cuales son necesarias para velocidades elevadas, ya que de lo contrario el líquido se mueve como un remolino que gira alrededor del tanque, con velocidad elevada pero con poco efecto de mezcla.
Agitadores de Turbina
La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, que giran con velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales. El rodete puede ser abierto, semi cerrado o cerrado.
Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque y destruyen las masas de líquido estancado. En las proximidades del rodete existe una zona de corrientes rápidas, de alta turbulencia e intensos esfuerzos cortantes. Las corrientes principales son radiales y tangenciales. Las componentes tangenciales dan lugar a vórtices y torbellinos, que se deben evitar por medio de placas deflectoras o un anillo difusor, con el fin de que el rodete sea más eficaz.

SERPENTEN DE ENFRIAMIENTO


Tubo de acero inoxidable transporta el amoniaco para el enfriamiento del sustrato
Válvula de expansión
Válvula de adminsion
Evaporador
Compresor
Que hacen que toda la mezcla se mantenga fria la mezcla

CAMISA DE CALENTAMIENTO

Accesorio de acero inoxidable que cubre la biorreactor en tres cuartas partes a y su objetivo principal es mantener la temperatura constante cuando baja demasiado. Por este accesorio puede circular vapor de agua o agua caliente la transferencia del calor
Se realiza a trabez de la lamina del biorreactor si se introduce vapor este poco a poco va perdiendo calor hasta que se convierte agua la cual se denomina condensada que retorna directamente hacia la caldera para que nuevamente sea calentada y continua el ciclo.

ANTECEDENTES HISTORICOS

El termino biotecnología es relativamente nuevo, los microorganismos han provisto a el hombre con alimentos y bebidas, a través de procesos empíricos desde hace por el menos 8000 años, es discutible o que se pueda llamar biotecnología a la actividades artesanales de fermentaciones de gárranos, frutas y leche que desarrollaron los hombres de cultura antigua, pues que desconocían la existencia de los microorganismos y encimas responsables de las transformaciones.


BIORREACTOR

Un birreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En algunos casos, un birreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. Estos birreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados enacero inoxidable.
Un birreactor puede ser también un dispositivo o sistema empleado para hacer crecer células tejidos en operaciones de cultivo celular. Estos dispositivos se encuentran en desarrollo para su uso en ingeniería de tejidos.
En términos generales, un birreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etcétera) al organismo o sustancia química que se cultiva.

El diseño en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos básicos y teóricos que conlleven a lograr un prototipo; para la realización íntegra de un modelo, otra gran parte, trata de la adaptación creativa y de la utilización del ingenio propio para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biológico de un cultivo vivo con el ambiente artificial de un dispositivo controlado; este es el resultado denominado biorreactor o reactor biológico.
Un biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnológico que debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biológica.
Externamente el biorreactor es la frontera que protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no controlado.
El biorreactor debe por tanto suministrar los controles necesarios para que la operación o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con economía, alto rendimiento (productividad) y en el menor tiempo posible; esa es la parte tecnológica.
Lo primero que hay que entender en el diseño de reactores biológicos es que contrario a los químicos, su cinética no esta determinada exclusivamente por la velocidad de reacción y las variables que la determinan.
Aunque se puede describir de manera similar a la química, la cinética biológica también depende de características intrínsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y tasa de división celular, así como del tipo de operación que se lleve a cabo.
Por eso, lo primero que se define en el diseño de un biorreactor es el propósito de utilización; es decir, qué tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de cultivo.

EL SERPENTIN
Se denomina serpentín o serpentina a un tubo de forma frecuentemente espiral, utilizado comúnmente para enfriar vapores provenientes de la destilación en un calderón y así condensarlos en forma líquida. Suele ser de vidrio, cobre u otro material que conduzca el calor fácilmente.
Los serpentines se usan desde la antigüedad en la destilación de bebidas alcohólicas, aunque en la actualidad cualquier proceso de refinado de crudos u obtención de un producto químico puede utilizar un serpentín, bien para enfriar, bien para calentar líquidos o gases.
Los calentadores de agua para el hogar que funcionan con gas butano llevan un serpentín, que es expuesto a las llamas y dentro del cual circula el agua a calentar. También se utiliza un aparato muy parecido para esterilizar la leche, el cual la somete a un cambio brusco de temperatura haciéndola pasar de un serpentín caliente a otro refrigerado en un lapso breve.
El serpentín también forma parte de los equipos de aire acondicionado y/o refrigeración. El serpentín es un equipo intercambiador de calor que al estar en contacto con el aire de retorno el cual regresa caliente, enfría el aire gracias al refrigerante a baja temperatura que circula por su interior, y lo envía de nuevo mediante los ductos transportadores a las instalaciones y mediante este proceso la temperatura del aire presente en las instalaciones se mantiene bajo condiciones de confort.

Biorreactores Y Fermentadores

BIORREACTORES

Definición
Recipiente en el cual se lleva a cabo una reacción catalizada por enzimas o células, libres o inmovilizadas junto con los mezcladores equipos de toma de muestras y aparatos de control.
Fases:
  * Homogéneos.
  * Heterogéneos.

Procesos:
  * Continuos.
  * Discontinuos.

Mezcla:
  * Discontinuo de mezcla completa.
  * Continuo de mezcla completa.
  * Continúo de flujo de pistón.
  * Reactores de lecho fluidizado.

ELECCION DEL TIPO DE REACTOR:
  * Control de pH y temperatura.
  * Exigencias de suministro o eliminación de reactores gaseosos.
  * Presencia de partículas solidas deseadas o indeseadas en la alimentación.
  * Estabilidad química y/o biológica de sustratos y productos.
  * Sustitución del catalizador.
  * Inhibición por sustratos y/ o productos.
  * Escala de operación.
  * Destinos del producto.
PRINCIPIOS EN EL DISEÑO DE BIORREACTORES 

  A) Discontinuo de mezcla completa.
Variación de forma continúa.
Constante a través del reactor.
Empleo de enzimas solubles
Volumen pequeño de producción

Desventajas:
Cambios en las condiciones de operación.
Grado de mezcla en reactores a gran escala.

  B) Continuo de mezcla completa 
Composición uniforme
Versátiles y baratos
Facilidad de control de PH, temperatura, etc.

Desventajas 
Gastos energéticos elevados


  C) DE FLUJO EN PISTON.
Invariable a lo largo del tiempo
Varía a través del reactor
Células o enzimas libres (inoculación) 
Células o enzimas inmovilizados

Ventajas
Más eficaces que los de mezcla completa
Simples y fáciles de manejar y automatizar

  D) DE LECHO FLUIDIZADO
Fluidización: winkler (1921)
De lecho fluido o turbulento
Biocatalizador en suspensión
Flujo de sustrato

Ventajas:
Buen control del PH, T0, gas, etc.
Gran área de interacción
Facilidad de hacer trabajo en continuo 
Desventajas
Técnica de trabajo cara.

 

El diseño en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos básicos y teóricos que conlleven a lograr un prototipo; para la realización íntegra de un modelo, otra gran parte, trata de la adaptación creativa y de la utilización del ingenio propio para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biológico de un cultivo vivo con el ambiente artificial de un dispositivo controlado; este es el resultado denominado biorreactor o reactor biológico. Un biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnológico que debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biológica. Externamente el biorreactor es la frontera que protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no controlado. El biorreactor debe por tanto suministrar los controles necesarios para que la operación o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con economía, alto rendimiento (productividad) y en el menor tiempo posible; esa es la parte tecnológica.

El  biorreactor es un sistema totalmente cerrado para la recepción y tratamiento de las aguas residuales, residuos agrícolas y de cualquier otro tipo de residuos orgánicos biodegradables, donde son convertidos en abono biológico formulado, libre de todo patógeno, y  genera  un gas, llamado biogás, el cual se purifica hasta llevarlo a metano puro en la mayor proporción posible para ser utilizado en cualquier sistema de combustión, motores o cualquier otro tipo de equipo que opere con gas natural, incluyendo los vehículos particulares convertidos a gas, es importante anotar que el gas generado por este biorreactor es tal como el gas natural pues tiene un alto porcentaje de metano de no menos del 91%  y su composición, poder calorífico etc. es casi idéntico a la del gas natural, debido a que se purifica hasta su punto óptimo.