(Reinhardt Acuña Torres)
PROLOGO
En continuación de los temas tratados en Principios Básicos del Diseño de Biorreactores. La Parte C trata de los principios vistos en : DISEÑO DE BIOREACTORES, Parte 6 (DISEÑO DE UN BIOREACTOR CON AIREACIÓN) de mi Blog Biotecnología Práctica; extendidos a los tratados en DISEÑO DE BIOREACTORES, Parte 7 (DISEÑO DE UN FERMENTADOR SEMICONTÍNUO)y DISEÑO DE BIOREACTORES, Parte 8 (DISEÑO UN BIOREACTOR DE TANQUE AGITADO). Ampliándolos y actualizándolos con el fin de renovar algunos de sus conceptos, aclarar otros e introducir nuevos.
INTRODUCCIÓN
Como ilustra la Figura 1 la función de un sistema de potencia de agitación y mezclado es producir la potencia de agitación necesaria para lograr una mezcla completa (mezclado perfecto) dentro de un sistema de fluidos donde se mezclan homogéneamente (mezcla homogénea) dos o más componentes.
Como ilustra la Figura 2.
En nuestro caso y para nuestro Propósito de Utilización, completar un sistema de mezcla completa dentro del biorreactor que mantenga sistemas de cultivo celular y sistemas de cultivo de microorganismos; específicamente, sistemas líquidos de cultivo celular y sistemas líquidos de cultivo de microorganismos en el régimen de agitación más adecuado (laminar o turbulento) que: maximice la difusión de gases en líquidos; minimice la producción de esfuerzos cortantes; minimice la presión hidrodinámica y la presión hidrostática (local y total). Eso con el fin de optimizar los fenómenos de transporte: fenómenos de transferencia de momentun, fenómenos de transferencia de calor y fenómenos de transferencia de masa. Como ilustra la Figura 3.
Y construir lo que se conoce como un Reactor de Flujo de Mezcla Completa (RFMC).
Ver video Reactores químicos Ecuaciones para Reactor de Mezcla Completa – YouTube (Figura 4)
Sistema de Agitación de un Biorreactor
Los sistemas de agitación en biorreactores se dividen en dos tipos principales.
Sistemas de Agitación Mecánica en Biorreactores: se caracterizan por tener un motor mecánico que impulsa un eje de rotación el cual penetra en cuerpo del biorreactor y ya dentro de él. Agita la mezcla de cultivo (células o microorganismos) mediante paletas o aspas adheridas al eje de rotación. La mezcla de cultivo puede ser orientada, homogeneizada y/o recirculada por un sistema de bafles a lo interno del biorreactor. Figura 6.
Sistemas de Agitación Neumática en Biorreactores: se caracterizan por tener un compresor neumático de aire que impulsa aire estéril a un difusor de aire que lo transmite y difunde en el medio de cultivo a través de una agitación por levantamiento por aire que puede ser diferida, orientada o redirigida por un sistema de bafles y/o tubos. Figura 7.
Sistemas de Agitación Mecánica en Biorreactores
Un sistema de agitación mecánico se compone de siete partes principales:
- Motor Impulsor Eléctrico: suple el consumo de potencia de un biorreactor al transmitir la potencia requerida al eje de potencia. Debe ser de corriente alterna (A.C: por sus siglas en inglés) y preferiblemente un motor de inducción. Su potencia debe calcularse para manejar el doble (200%) de la potencia teórica máxima requerida para agitar el fluido y el cultivo a Re≥3000.
Dado que un biorreactor debe operar de forma continua durante todo el proceso de cultivo; se requiere un motor capaz de resistir largos periodos de operación continua y trabajo duro. Por eso, el motor debe ser de inducción de corriente alterna (A.C); debe ser acorazado y preferiblemente en acero inoxidable.
2. Eje de Trasmisión de Potencia: es una barra cilíndrica de acero inoxidable 316L; por lo general se diseña en diámetros estándar: ¾”, ½”, …; para mayor facilidad de ajuste a los estándares de los motores A.C. Su longitud depende de la profundidad del contenedor (tanque). Como lo muestra la Figura su función es transmitir el par de torsión (T) a una velocidad angular (ω) constante para que pueda ser aprovechada en la agitación del fluido de cultivo (células o microorganismos).
3. Acople del Eje Transmisor de Potencia: un acople mecánico es el mecanismo por el cual, se unen dos ejes. Su función es transmitir la potencia mecánica de un eje (eje del motor eléctrico) a otro (eje agitador). Además, reducen el choque mecánico que se transmite de un eje a otro y protegen contra las sobrecargas que pueden generar vibraciones en el sistema.
Existen muchos tipos de acoples para ejes de motores eléctricos.
Para nuestro propósito de utilización existen dos tipos de acoples:
- Acople Adaptador de Motor Eléctrico: el puerto de entrada se acopla al eje del motor por fijación directa. El puerto de salida es un dispositivo que se adapta a varios diámetros de broca y sujeta o abraza firmemente el eje transmisor de potencia por presión y abrasión; similar al que utilizan los taladros mecánicos.
- Acople Ajustador de Motor Eléctrico: el puerto de entrada se “enrosca” o se fija firmemente al eje del motor. El puerto de salida es un dispositivo que “abraza” el eje transmisor de potencia por un mecanismo de tornillo-rosca.
Nota: en ambos casos, el diámetro del puerto de entrada del acople que es la unión de éste con el eje del motor debe ser de diámetro interno igual al diámetro externo del eje del motor y el diámetro del puerto de salida que es dispositivo sujetador del eje transmisor de potencia debe ser el mismo que el diámetro externo del respectivo eje.
4. Puerto de Entrada del Biorreactor: se denomina puerto a la superficie física sobre el cual se instala, un dispositivo de entrada (puerto de entrada) o de salida (puerto de salida) al biorreactor; a través de un anclaje. El puerto es el medio por el cual, se ajusta o fija, tal dispositivo o artefacto a la pared o superficie del biorreactor. Como se observa en la fotografía, el puerto de entrada es la tapa o cara superior del biorreactor y por donde se anclan y sujetan todos los dispositivos y periféricos que se requieren para su correcta y óptima operación.
Nota: Cada dispositivo de anclaje o sujetador también un puerto menor cuyo diámetro externo es la superficie externa total y cuyo diámetro interno es el diámetro externo del dispositivo que sujeta. Algunos puertos tienen dos diámetros internos, cuando el dispositivo que sujetan tiene diámetro externo y diámetro interno; por ejemplo, los sensores o probetas medidores y el sello mecánico del eje del agitador.
5. Sello Mecánico: su función es triple: evitar la contaminación, mantener hermético el sistema, servir de amortiguador de fricción. El sello mecánico también debe permitir la esterilización in situ del biorreactor, mediante una línea de vapor sobrecalentado.
Existen numerosos tipos de sellos mecánicos. Pero para nuestros propósitos de utilización destaca el Sello Mecánico de Cartucho.
Un sello mecánico de cartucho tiene en una de dos configuraciones:
- Sello Mecánico de Cartucho Simple (Sello Mecánico de Cartucho Rígido): estos permiten el rodamiento del eje de potencia a través de soporte de cuerpo rígido que sella y aísla el paso de cualquier materia al interior del depósito.
- Sello Mecánico de Cartucho Doble (Sello Mecánico de Cartucho Flexible): estos permiten el rodamiento del eje de potencia a través de un soporte fijo al exterior pero flexible en el interior y que también sella y aísla el paso de contaminantes al interior del depósito.
Nota: En ambos casos el sello mecánico se especifica de acuerdo al diámetro eterno del eje transmisor de potencia; el cual es el diámetro interno del puerto del sello mecánico. Dentro de lo posible se recomienda el uso de sellos flexibles ya que amortiguan mejor las vibraciones mecánicas del eje transmisor de potencia. La desventaja es que esa flexibilidad obliga a cambiarlos más frecuente; por el mayor desgaste.
6. Eje de Agitación Transmisor de Potencia: transmite la potencia del motor al impulsor, a través de, las hojas de agitación.
Existen ejes en los cuales ya vienen incorporadas hojas o aspas de agitación, se diseñan para operar en uno de dos sistemas de flujo, según sea, la orientación espacial de las hojas o aletas.
Eje de Agitación de Flujo Axial:
Se llaman así porque que generan corrientes paralelas al eje del agitador. Los ejes axiales suministran mayor efectividad de mezclado (distribución) y reducen la potencia de mezclado requerida, al distribuir mejor la mezcla. Sus hojas o aspas son planas e inclinadas.
Eje de Agitación de Flujo Radial:
Los impulsores de flujo radial generan un flujo perpendicular al eje del agitador que, al encontrarse con la pared del contenedor (biorreactor), se desvía hacia arriba y hacia abajo originando una importante turbulencia. Sus hojas o aspas son del tipo propela. Las más comunes son las turbinas planas tipo Ruston.
7. Propelas de Agitación para Biorreactores:
Su función principal es la de agitación y mezclado. El proceso de agitación se refiere a forzar un fluido (por medios mecánicos) a que circule (fluya) por todo el recipiente (biorreactor) con un movimiento circulatorio y repetitivo. El mezclado se refiere a la distribución al azar de dos materiales (medio de cultivo y células o microorganismos) en dos fases (líquida y sólida) originalmente separadas; para combinar (mezclar) ambos materiales en una sola fase homogénea.
Existen en tres tipos principales de propelas o agitadores para biorreactores.
- Paletas de Agitación para Biorreactores: las paletas de agitación giran a velocidades (rpm) bajas y moderadas produciendo una agitación suave que impulsa el fluido de manera radial y tangencialmente. No hay movimiento vertical respecto al eje del agitador; a menos que, las paletas estén inclinadas. No requiere bafles o deflectores. Ver Figura 14.
- Turbinas de Agitación para Biorreactores: se construyen con cuatro o más hojas o aspas montadas sobre el mismo elemento o cuerpo y fijas al eje del agitador.
- Hélices de Agitación para Biorreactores: poseen elementos impulsores de hojas cortas que giran a gran velocidad. Generan turbulencia y podrían ocasionar daño celular.
Potencia Consumida por Agitación Mecánica
“La potencia de entrada P 
es la potencia que absorbe un motor eléctrico de la fuente de energía (red eléctrica o batería eléctrica). En términos de agitación mecánica se refiere a la potencia consumida por un biorreactor en base a la potencia de entrada absorbida por el motor eléctrico del biorreactor, debido a la agitación mecánica.
Proceso hidrodinámico que depende de varios factores (parámetros) como: lavelocidad de agitación en un biorreactor (N); el diámetro del agitador en un biorreactor (ds); ladensidad (ρl) del fluido de cultivo de un biorreactor y laviscosidad (η) delfluido de cultivo de un biorreactor.
Parámetros que, mediante el análisis dimensional es posible combinar en números adimensionales, para expresar el consumo de la potencia de un biorreactor como una función del Número de Potencia (Np) o Número de Newton. O como una función del Número de Reynolds (Res). A través de gráficas que correlacionan el Número de Potencia (Np) con el Número Reynolds (Res) como la que muestra la Figura 18. En valores tabulados como los que muestra la Figura 19 para Np.
O bien, correlaciones de potencia como las que muestran las Figuras 20, 21.
Sistemas de Agitación Neumática en Biorreactores
Un sistema de agitación neumático para un biorreactor se compone de al menos siete partes:
Un compresor de aire funciona bajo uno de dos Procesos Termodinámicos.
Proceso Termodinámico Isotérmico: en un proceso isotérmico, la temperatura del sistema termodinámico, se mantiene constante (T=cte.) en todo el proceso. Durante el proceso puede darse una compresión o una expansión de un gas ideal (aire). En donde las relaciones entre presión y volumen deben cumplir siempre laLey de Boyle-Mariotte: P1 · V1 = P2 · V2.
Proceso Termodinámico Isobárico: un proceso isobárico es un proceso a presión constante (ΔP = 0). El calor transferido al sistema realiza trabajo (W), pero también cambia la energía interna (U) del sistema. A presión constante (Isobara) el volumen (V) de un gas cambia en proporción directa a su temperatura (T) principio conocido como Ley de Charles: V1/T1 = V2/T2.
“Los sistemas y procesos de producción modernos necesitan aire comprimido de alta calidad. Esta calidad se define en la norma internacional ISO 8573-1:2001 que califica la calidad del aire de acuerdo a los valores de suciedad (por el tamaño de las partículas sólidas suspendidas y su concentración), de agua (según el punto de rocío a presión alcanzado y el contenido de vapor de agua presente en el aire) y de aceite (por la concentración total de aceite presente en el aire en forma de aerosoles, líquidos o vapores). Una vez definido la calidad de aire que se requiere según la aplicación, entonces se hace necesario someter al flujo de aire a un proceso de tratamiento mediante etapas de filtrado, separación de agua y secado que consiga unos niveles de suciedad, contenido en agua y aceite que queden por debajo de los límites establecidos. A continuación, se muestra la tabla que define la calidad del aire clasificándolo en diferentes clases según la normativa vigente:
| Calidad del aire comprimido, según ISO 8573-1 | |||||
| CLASE | PARTÍCULAS SÓLIDAS Número máximo de partículas por m3 | HUMEDAD Punto de rocío a presión (ºC) | ACEITE Concentración total mg/m3 (aerosoles, líquidos o vapores) | ||
| 0,1-0,5 µm | 0,5-1,0 µm | 1,0-5,0 µm | |||
| 1 | 100 | 1 | 0 | -70 | 0,01 |
| 2 | 10000 | 1000 | 10 | -40 | 0,1 |
| 3 | – | 10000 | 500 | -20 | 1 |
| 4 | – | – | 1000 | 3 | 5 |
| 5 | – | – | 20000 | 7 | – |
| 6 | – | – | – | 10 | – |
De esta forma para designar la clase de pureza del aire comprimido se debe seguir el siguiente formato: ISO 8573-1 X.Y.Z. Donde: X es la cifra que indica la clase de partículas sólidas; Y es la cifra que indica la clase de humedad; y Z es la cifra que indica la clase de aceite, según la Tabla 1 anterior. Ejemplo: Aire comprimido Calidad ISO 8573-1 1.2.1 significaría un tipo de aire con la siguiente calidad: – calidad de clase 1 en partículas sólidas (nº partículas por m3 de aire <100, para un tamaño de partícula entre 0,1 y 0,5 µm); – clase 2 en humedad (punto de rocío a presión de -40ºC); y – clase 1 en concentración de aceite (0,01 mg/m3).” … Fuente: “Instalaciones de Aire Comprimido”.
Nota: un Compresor de Aire para Biorreactor necesita una Calidad del Aire Comprimido de Calidad ISO 8573-1: 1.1.1 pero pude tolerar 1.2.1 aceptablemente.
2. Sistema de Esterilización de Aire para Biorreactor: el sistema de esterilización de aire suministra el aire comprimido estéril que necesita el biorreactor como ilustra la Figura 23.
3. Tubería de Aire Comprimido: es la tubería de conducción; específicamente, la tubería de conducción de aire de un biorreactor de levantamiento por aire. Conduce el aire comprimido desde el depósito de aire comprimido hasta el puerto de entrada de aire de un biorreactor. Por convención internacional su color es azul para indicar aire comprimido.
4. Filtro de Aire para Biorreactor: Después de salir de los pre-filtros, se ha eliminado los aerosoles de aire/aceite y las partículas de un tamaño de > 5 micrones de la corriente de aire comprimido. No obstante, aún no se puede garantizar la esterilidad del aire. Para eso, se debe eliminar el 99,99998 % de las partículas de tamaño menor a 0.3 micrones que es el equivalente al estándar ASTM F838 aceptado por la industria para determinar bacterias que utiliza la bacteria Pseudomonas Diminuta (ATCC 19146) como microorganismo objetivo (estándar).
Nota: “La ciencia de la filtración demuestra que en realidad para la mayoría de los filtros es más sencillo capturar partículas de 0.01 micrón que de 0.2 micrones, y es por eso que Donaldson clasifica sus filtros estériles a 0.2 micrones.” … O menos. Fuente: “Aire estéril: Qué es y cuál es su importancia”.5. Puerto de Entrada de Aire de un Biorreactor: valga la redundancia, es el puerto de entrada de aire estéril de un biorreactor. Como lo muestra la Figura 25, lo que varía es la locación de la entrada gas (puerto de entrada) respecto a la geometría del biorreactor.
5. Puerto de Entrada de Aire de un Biorreactor: valga la redundancia, es el puerto de entrada de aire estéril de un biorreactor. Como lo muestra la Figura 25, lo que varía es la locación de la entrada gas (puerto de entrada) respecto a la geometría del biorreactor.
6. Difusor de Aire para Biorreactor: un difusor de aire es un dispositivo que se utiliza para la reducir la velocidad de flujo y aumentar la presión estática de un fluido que pasa a través de un ducto; en nuestro caso, la tubería de aire del biorreactor.
Nota 1. Un difusor de aire opera bajo el Principio de Bernoulli o ecuación de Bernoulli, que describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente.
Nota 2: Para nuestros propósitos de utilización, los Biorreactores de Agitación Neumática y Biorreactores Levantamiento por Aire se utilizan principalmente la Difusión de Aire Por Burbuja. Básicamente existen dos tipos de Difusores de Burbuja.
- Difusores de Burbuja Fina: utilizados en Biorreactores tipo ‘Air Lift’.
- Difusores de Burbuja Gruesa: para Biorreactores tipo Columna de Burbujeo
7. Puerto de Salida de Gases de un Biorreactor: está compuesto por dos partes:
Nota: el aire estéril entra seco (aire seco) por el puerto de entrada de aire del biorreactor. Al salir, lo hace cargado de humedad. Es decir, su humedad relativa es de 100%. Por lo que, los filtros de salida de aire de un biorreactor deben ser filtros hidrofóbicos como los que muestra la Figura 28.
Dependiendo de la configuración y el propósito de utilización del biorreactor. Un sistema de agitación neumático puede incluir tres o cuatro partes adicionales.
- Bafles Deflectores Para Biorreactores Aireados (Figura 29)
Como muestra la Fig.30. “La utilización de bafles responde a la necesidad de romper el vórtice y los remolinos en los tanques cilíndricos, que además de producir la cavitación que afecta el agitador, reducen la eficiencia del mezclado drásticamente.”.
2-Tubos de Aireación para Recirculación Externa en Biorreactores (Fig.31)
La función de un tubo de aireación para recirculación externa de aire es aprovechar el levantamiento por aire para impulsar neumáticamente (agitación neumática) el medio fluido y recircular (recirculación) una porción del cultivo celular, a través de unlazo externo a la entrada de aire de un biorreactor de levantamiento por aire (air lif).
3. Tubos de Aireación para Recirculación Interna en Biorreactores (Fig.32)
La función de un tubo de aireación para recirculación interna de aire es la misma que la anterior (2). Lo que varía es la configuración interna del biorreactor.
4. Bomba de Recirculación para Biorreactor Aireado (Fig.33)
Existen numerosos tipos de bombas de recirculación para biorreactores. Por lo que su discusión compleja se sale del propósito de este artículo. Más importante es señalar el tipo de flujo fluido que se debe aplicar.
Como lo ilustra la Fig.33 (a) Flujo Fluido Ascendente, (b) Flujo Fluido Descendente. Así como el control del tamaño de burbujas en flotación. Ver “250435230 caracterización-de-la-dispersión” (Slideshare).
Reactores de columna de burbujeo sin deflectores (Figura 34)
“Estos reactores comprenden la columna de burbujeo simple, la columna de burbujeo múltiple con platos perforados o distribuidor de gas, columnas de burbujeo con aireación por tubos de inyección y las torres para floculación de microorganismos (Figura 33). A pesar de su estructura simple, las columnas de burbujeo requieren una especificación de diseño detallada para una operación óptima. Las propiedades del medio (viscosidad, fuerza iónica, tensión superficial, concentración de biomasa, etc.) cambian grandemente durante la reacción y originan problemas de ingeniería de procesos debido a la formación de espuma, fatiga interfacial, flotación de biomasa y coalescencia de burbujas (formación de burbujas grandes e inactivas). Los aspersores de gas dinámicos y estáticos se emplean para la producción de burbujas, lo que da lugar a una amplia variedad de biorreactores”.
Reactor con circulación pneumática de líquido (Airlift) (Figura 35)
“En este tipo de reactores la circulación del líquido de fermentación se determina por los tubos coaxiales de arrastre, las paredes divisorias: reactores de eje y reactores de prisma, o tubos de recirculación externa. Estos reactores pueden tener circulación interna o externa. La circulación interna puede producirse por dos tubos de arrastre coaxial; o por un flujo invertido mediante el gaseado del líquido en el espacio exterior al cilindro, el cual tiene la ventaja de una superficie de succión y una mayor turbulencia cerca de la pared de transferencia de calor. Pueden instalarse platos perforados, mezcladores estáticos o empaques para la dispersión diferenciada de las burbujas de gas. Los reactores con circulación neumática de líquido con circulación externa presentan un comportamiento favorable de flujo; se pueden instalar intercambiadores de calor o elementos adicionales de mezcla en el bajante. El volumen del bajante puede optimizarse para ajustar los tiempos de residencia de los microorganismos en la zona pobre en oxígeno, lo cual puede ser ventajoso para determinadas reacciones.”
En el caso especial de los Foto-Biorreactores para el Cultivo de Microalgas se debenagregar de tres o cuatro sistemas más. Tres de esos sistemas constituyen lo que se podría llamar (1) el cuerpo; (2) el corazón y (3) los pulmones del Foto-Biorreactor.
- Sistema de Iluminación de Fotobiorreactor: como sabemos, las microalgas son organismos unicelulares fotosintéticos que utilizan la energía luminosa (hv) y el dióxido de carbono (CO2) para metabolizar (metabolismo celular) bloques deconstrucción (anabolismo) de metanal (CH2O) liberando oxígeno molecular (O2) a través del proceso de fotosíntesis como muestra la Ecuación: CO2 + H2O + 8hv -> CH2O + O2 (Ecuación General de la Fotosíntesis). Eso significa que para garantizar la tasa máxima de crecimiento (μmax) y la máximaproductividad volumétrica (Pb) a fin de alcanzar la mayor de concentración de biomasa (Cb) de nuestro cultivo de microalgas. Debemos garantizar primero la máximadisponibilidad de luz para fotosíntesis (fuera del fotobiorreactor) y la mínimaatenuación de luz para fotosíntesis (dentro del fotobiorreactor). Para así, garantizar la máxima eficiencia fotosintética y la mínima pérdida de productividad de labiomasa demicroalgas.
- Sistema de Inyección de CO2 de Fotobiorreactor: cuando unfotobiorreactor para el cultivo de microalgas constituye un sistema cerrado. Resulta imposible que las microalgas reciban del exterior (atmósfera) el dióxido de carbono (CO2) que requieren para crecer y reproducirse. Por eso es necesario suministrarlo por vía externa, a través de un Sistema de Inyección de CO2. (Figura 37)
- Sistema Desgasificador de un Foto-Biorreactor: al ser las microalgas productoras de oxígeno molecular (O2) y encontrarse encerradas dentro de sistema cerrado (fotobiorreactor). Debe proveerse un sistema para la liberación del oxígeno producido. Ese es el sistema desgasificador de biorreactor (Figura 38).
Adicionalmente los Fotobiorreactores Tubulares tienen un elemento adicional. El o los tubos por donde circulan las microalgas que constituye una extensión del fotobiorreactor.
Biotecnología Práctica 
Un comentario en “Principios Básicos del Diseño de Biorreactores. Parte C: Sistemas de Potencia de Agitación y Mezclado”