DISEÑO DE BIOPROCESOS – Biotecnología Práctica

Principios básicos del diseño de biorreactores. Parte 2B- Balances y Ecuaciones Por Modo de Operación (Reinhardt Acuña Torres)

PRÓLOGO

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En continuación de Principios básicos del diseño de biorreactores. Parte 1- Cultivos y Biorreactores: El Propósito de Utilización. La Parte 2B- trata específicamente de Balances Generales Por Modo de Operación. Tema tratado en DISEÑO DE BIOREACTORES, Parte 3 y MODELIZACIÓN DE BIOPROCESOS INDUSTRIALES de mi Blog Biotecnología Práctica. Pero renovado y actualizado con el objetivo de renovar algunos conceptos, aclarar otros e introducir nuevos.

BALANCE GENERAL POR MODO DE OPERACIÓN DE UN BIORREACTOR

Figura 1. Modo de Operación y Sistemas de Cultivo. Fuente: “ Grupo 5 biodigestor y biorreactor. Las imágenes pueden estar sujetas a derechos de autor.

El modo de operación de un sistema de cultivo, es sinónimo del modo de operación de un biorreactor. Eso influye y afecta directamente el diseño de un biorreactor. Así como, el modelo cinético de crecimiento, el tiempo de cultivo en biorreactor y el proceso de producción en biorreactor.

Existen tres modos de cultivo asociados a tres modos básicos de operación:

Operación Discontinua en Biorreactores: Operación por Lotes en Biorreactores

“Se caracteriza por la inoculación de un medio de cultivo estéril con microorganismos, por un período específico de reacción. Durante este tiempo, se alteran las concentraciones de células, sustrato (fuente de carbono, sales, nutrimentos, vitaminas, etc.) y producto. Una buena mezcla asegura que no existan diferencias locales significativas en la composición y en la temperatura de la mezcla de reacción. Por otra parte, la reacción no es estacionaria.”. Fuente: “Operación por lotes”.

En un sistema de operación discontinua la condición fundamental de flujo es: E = 0 = S. “El flujo de entrada y el flujo de salida son cero: F1 = 0 = F2”.

La curva de producción X(t) de un sistema que opera en discontinuo (por tandas o lotes) se caracteriza porque tiene un inicio con crecimiento cero (recta negra); tiene un crecimiento exponencial rápido; seguido por un estancamiento de la producción curvo y corto; con un decaimiento (muerte del cultivo) que inicia apenas se agota el substrato limitante de la velocidad de crecimiento.

Operación Semicontinua en Biorreactores: Operación Por Lotes Alimentados en Biorreactores

En un sistema de operación semicontinua la condición fundamental de flujo es: S = 0 → E = F. “El flujo de salida es cero: F1 = F; F2 = 0”.

“Puede considerarse como una combinación de las dos operaciones anteriormente descritas (por lotes y continua). Se practican muchas variaciones de este tipo de proceso. La más popular involucra iniciar el reactor como si se tratara de un proceso por lotes y cuando el sustrato que limita el crecimiento (por lo general la fuente de carbono) se consuma, se alimenta al reactor de una manera específica (proceso por lotes con alimentación), o la concentración del sustrato se mantiene constante por medio de cultivos extendidos. Además, se practica frecuentemente la adición programada de sustrato para la producción de metabolitos secundarios, en la cual, el crecimiento celular y la formación de producto ocurren por lo general en fases separadas.”. Fuente: “Operación semicontinua”.

La curva de producción X(t) de un sistema que opera en semicontinuo (operación alimentada) no tiene un inicio con crecimiento cero; tiene una curva de crecimiento acelerada; tiene un crecimiento estacionario largo y prolongado que se da después de haber alcanzado el máximo de crecimiento; seguido por el decaimiento y muerte del cultivo.

Operación Continua en Biorreactores: Operación de un Quimiostato

En un sistema de operación continuo la condición fundamental de flujo es: E= S. “El flujo de entrada (F1) es igual al flujo de salida (F2): F1 = F2 = F”.

“Caracterizada por el hecho que el medio de cultivo se alimenta continua y homogéneamente al biorreactor y debe ser constante, si se opera en estado estacionario; el medio añadido puede ser estéril o contener los microorganismos que se van a utilizar. La mezcla reaccionante se extrae del reactor también de forma continua. Todas las variables de reacción y los parámetros de control permanecen constantes a través del tiempo; como resultado de lo anterior, se establece un estado estacionario en el reactor seguido por una productividad y una salida constantes.”. Fuente: “Operación continua”.

La curva de producción X(t) de un sistema que opera en continuo (quimiostato) no tiene un inicio con crecimiento cero; es creciente y exponencial, hasta lograr su crecimiento máximo, en el estado estacionario (E.E); que se sostiene y mantiene constante el tiempo durante todo el estado estacionario; y no tiene decaimiento o muerte del cultivo.

ECUACIÓN DE BALANCE GENERAL POR SISTEMA DE FLUJO EN BIORREACTOR

El Balance General para cualquier tipo de operación de flujo se establece para un componente cualquiera del cultivo (incluida la biomasa) como lo plantea la Ecuación (1).

La variación del volumen del cultivo en función del tiempo está dada por la Ecuación (2).

Nota: en términos de flujo la Ec. 2 se denomina flujo volumétrico (Q) y tiene unidades de m3/s.

Cuando el modo de cultivo es continuo, ambos caudales son iguales (F1 = F2) y el volumen (V) es constante, por lo que, la Ec. (2) se reduce a cero (0) y la Ec. (1) se transforma en la Ecuación (3).

Nota: la Ec.3 que se conoce como ecuación de balance para una operación continua en estado estacionario. De no existir el estado estacionario (EE) se producirían dentro del biorreactor dos condiciones de flujo indeseables:

1. Si F1 > F2 se produce el rebalse o desborde del biorreactor, condición que se da cuando el flujo de entrada sobrepasa la capacidad del biorreactor.

2. Si F2 > F1 se produce el lavado o drenado de producto o biomasa, condición que se da cuando el flujo de salida sobrepasa la capacidad del biorreactor.

En una operación de flujo en modo semicontinuo, se anula el término F2Ci del balance general de materia Ec. (1). Resultando esta en la Ecuación (4).

Nota: Cuando el modo de operación es semicontinuo el caudal de salida F2 es nulo (F2 = 0) por lo que, el volumen V aumentará con el tiempo en función del caudal de entrada F.

Cuando el modo de operación es discontinuo ambos caudales son nulos (F1 = F2 = 0) por lo que, el volumen V es constante y se anulan los términos F1Cio y F2Ci en la Ec. (1); transformándola en la Ecuación (5).

Nota: La duración de un cultivo discontinuo es también, limitada en el tiempo, pero se diferencia de la del cultivo semicontinuo en que, depende únicamente de las condiciones iniciales del cultivo; esto por cuanto, no existe alimentación (F1).

Balances y Ecuaciones de Biorreactores en el Estado Continuo

Los balances de materia para la biomasa (X), el sustrato (S) y el producto (P) para un biorreactor que opera en el Estado Continuo (E.E) son:

Balance de Biomasa en el Estado Continuo

VdX/dt = -FX + Vrx = -F/X + VµX = 0; rx = mx; E.E » dX/dt = 0

Por definición: D = velocidad de dilución = F/V » µ = D

Balance de Sustrato en el Estado Continuo

VdS/dt = F (So – S) – Vrs; rs = µX/Yx/s; E.E » dS/dt = 0

Por definición: SEE = KsD/µm – D » XEE = Yx/s (S0 – S)

Donde: D = velocidad de dilución; SEE = concentración del sustrato limitante de la velocidad en estado estacionario; XEE = concentración de biomasa en estado estacionario.

Balance de Producto en el Estado Continuo

VdP/dt = -FP + Vrp = PEE = qpX /D; rp = qpX; E.E » dP/dt = 0

Por definición: PEE = YP/X (µ+mp)

Donde: PEE = concentración del producto en el estado estacionario.

Nota: cuando el sustrato limitante de la velocidad de crecimiento (S) es también la fuente de carbono.

X = DY´X/S (So – SEE) / (D + ms Y´X/S)

Balances y Ecuaciones de Biorreactores en Estado Semicontinuo

Los balances de materia para la biomasa (X), el sustrato (S) y el producto (P) para un biorreactor que opera en el Estado Semicontinuo (Alimentado) son:

Balance de Biomasa en el Estado Semicontinuo

d(VX)/dt = Vrx = VµX

Balance de Sustrato en el Estado Semicontinuo

d(VS)/dt = FSo – Vrs

Balance de Producto en el Estado Semicontinuo

d(VP)/dt = Vrp

Nota: en una operación en el Estado Semicontinuo el volumen V permanece dentro del operador diferencial; ya que, varía con el tiempo.

Balances y Ecuaciones de Biorreactores en el Estado Discontinuo

Dado que F1 = F2 = 0, las ecuaciones de balance de materia para la biomasa (X), el sustrato (S) y el producto (P) para un biorreactor que opera en el Estado Discontinuo son:

Balance de Biomasa en el Estado Discontinuo

d(X)/dt = rx = µX

Balance de Sustrato en el Estado Discontinuo

d(S)/dt = rs = µX/Yx/s

Balance de Producto en el Estado Discontinuo

d(P)/dt = rp

ECUACIÓN DE BALANCE INDIVIDUAL POR COMPONENTE EN BIORREACTOR

La Figura 2 muestra el Balance de Masa Individual para un Componente (y) en una operación continua con transferencia de masa (Fi, Fo) a través del volumen de control (V) del biorreactor, a una velocidad molar (Ny) conocida como velocidad de transformación.

Figura 2. Balance de Materia para un Componente (y)

Los balances individuales; ya sea que, se trate de un balance de masa o un balance molar. Se establecen por componente individual (y) del bioproceso. No obstante, también es usual establecer balances particulares tales como: el balance de biomasa (X), el balance de substrato limitante de la velocidad de crecimiento (S), y el balance producto (P). Incluso se establecen balances específicos para elementos como: oxígeno (balance de O2) y carbono (balance de C) en biorreactores con funciones especiales como el levantamiento por aire; en donde, el oxígeno disuelto en el medio líquido cumple una función nutritiva; además de la de agitación. O el de un fermentador de levadura, en donde, el azúcar cumple la función análoga de fuente de carbono.

Ecuación de Balance General de Materia para un Componente Individual ‘y’

d(Vy)/dt = (Fiyi + Vrgy + VNiy) – (Foyo + Vrcy + VNoy)

Donde: V = Volumen del biorreactor (L); Vy = volumen del componente ‘y’ dentro del biorreactor (L); Fi = Velocidad de flujo de entrada ‘i’ al biorreactor (L/hr); Fo= Velocidad de flujo de salida ‘o’ del biorreactor (L/hr); yi = Concentración del componente ‘y’ dentro del biorreactor al inicio ‘i’ del bioproceso (g/L); yo = Concentración del componente ‘y’ dentro del biorreactor al final ‘o’ del bioproceso (g/L); rgy = Velocidad de generación, formación o producción del componente ‘y’ (g/L.hr); rcy: Velocidad de consumo o utilización del componente ‘y’ (g/L.hr); Niy = Velocidad de transferencia inicial ‘i’ del componente ‘y’ del gas al líquido (g/L.hr); Noy = Velocidad de transferencia final ‘o’ del componente ‘y’ del líquido al gas ( g/L.hr); t = tiempo (hr).

Nota: las unidades comúnmente usadas para la velocidad molar (N) son g/h, kg/h, mmol/h, mol/h. Si el volumen (V) es constante, es posible simplificar la ecuación dividiendo por V ambos términos. Con lo que, la Ecuación de Balance General de Materia para un Componente Individual ‘y’ se transforma en: dV/dt = Fi – Fo y el balance se expresa en base volumétrica. Ejemplos: g/L.hr, mol/L.hr.

Ecuación de Balance de Biomasa (X)

d(VX)/dt = FiXi + VrgX – FoXo – VrcX. rgX = µX = Velocidad de crecimiento de la biomasa (g/L.hr).

Donde: rcX = kdX = Velocidad de muerte celular (g/L.hr).

Cuando el volumen (V) es constante, es posible simplificar la ecuación dividiendo por V ambos términos Integrando Resolviendo la integral:

Ecuación de Balance de Sustrato (S)

d(VS)/dt = FiSi – FoSo – VrcS

; Donde: rcS = qsX/YX/S = µx/YG + mx + qpX/Yp; c = coeficiente estequiométrico; MW = Peso Molecular.

Ecuación de Balance de Producto (P)

d(VP)/dt = FiPi – FoPo – VrgP.

; Donde: rgP = qpX; f = coeficiente de formación; MW = Peso Molecular.

Ecuación de Balance de Oxígeno Disuelto (O2)

d(VCO2)/dt = FiCO2i – FoCO2o – VrcO2 + VNO2i.

Donde: NO2 = Demanda Oxígeno (O2) = Cantidad de oxígeno requerida por unidad de tiempo y por unidad de volumen de cultivo; YO2/x = Coeficiente de rendimiento de oxígeno (O2) basado en células (x); µ = Velocidad específica de crecimiento celular.

Donde: NA = Velocidad de transferencia de oxígeno; kL = Coeficiente volumétrico de transferencia de O2 a la fase líquida (cm/hr); a = Área interfacial específica (cm2/m3); C* = Concentración (Hipotética) de O2 en el equilibrio (mM/L); C = Concentración de O2 disuelto en el seno de la fase líquida; P* = Presión (Hipotética) de O2 en el equilibrio; P = Presión de O2 en el seno de la fase gas; H = Constante de Henry.

Ecuación de Balance de Anhídrido Carbónico Disuelto (CO2)

d(VCCO2)/dt = FiCCO2i – FoCCO2o + VrgCO2 – VNCO2o.

Nomenclatura:

• V = Volumen del líquido en el biorreactor, L

• t = Tiempo, hr

• y = Concentración del componente y en el líquido dentro del biorreactor, g/L

• X = Concentración de biomasa en el líquido dentro del biorreactor, g/L

• S = Concentración de sustrato en el líquido dentro del biorreactor, g/L

• P = Concentración de producto en el líquido dentro del biorreactor, g/L

• CO2 = Concentración de oxígeno en el líquido dentro del biorreactor, g/L

• CO2* = Concentración de oxígeno en el líquido en equilibrio con el gas, g/L

• CCO2 = Concentración de CO2 en el líquido dentro del biorreactor, g/L

• F = Velocidad de flujo de líquido, L/hr

• Ni = Velocidad de transferencia de un componente delgas al líquido, g/L.hr

• No = Velocidad de transferencia de un componente del líquido al gas, g/L.hr

• rg = Velocidad de generación, formación o producción, g/L.hr

• rc = Velocidad de consumo o utilización, g/L.hr

• µ = Velocidad específica de crecimiento celular, hr-1

• qS = Velocidad específica de consumo de sustrato, g/g.hr

• qP = Velocidad específica de formación de producto, g/g.hr

• m = Velocidad específica de consumo de sustrato para mantenimiento celular, g/g.hr

• Kd = Velocidad específica de muerte o declinación celular, hr-1

• YP = Coeficiente (estequiométrico) de rendimiento de producto basado en el consumo de sustrato consumido para formación de producto, g/g

• YP/S = Coeficiente de rendimiento de producto basado en el consumo total de sustrato, g/g

• YG = Coeficiente de rendimiento de biomasa basado en el consumo de sustrato para crecimiento, g/g

• YX/S = Coeficiente de rendimiento de biomasa basado en el consumo total de sustrato, g/g

• kLa = Coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno, hr-1.

Subíndices:

• i = Ingreso • o = Salida • S = Sustrato • P = Producto • O2 = Oxígeno CO2 = Anhídrido carbónico.

ECUACIÓN DE DISEÑO DE UN BIORREACTOR

La Ecuación de Diseño de un Biorreactor se llama así porque se diseña a partir de la Ecuación de Balance General por Sistema de Flujo en Biorreactor para determinar el tiempo de cultivo dentro de un biorreactor según sea la operación de flujo en biorreactor.

Ecuación de Diseño de un Biorreactor Continuo

Para poder utilizar la Ecuación de Diseño de un Biorreactor primero hay que modificar la definición de componente de biomasa X y sustituirlo por conversión X del componente i (Xi).

Por definición: Xi = (Fio-Fi)/Fio.

Donde: F = flujo molar del componente i. Despejando: Fi = Fio(1-Xi) » dFi/dt = -(Fio)dXi/dt = riV. Con lo que, la ecuación de balance de biomasa para el estado estacionario se transforma en: -FXi + riV = VdXi/dt = 0.

Reordenado: V/F = ∆Xi/-ri = τ = ecuación de diseño de un reactor de mezcla perfecta. Donde: τ = tiempo de retención del cultivo dentro del biorreactor. ∆Xi = Xi2 – Xi1 = dXi.

“Otro término comúnmente utilizado en el diseño de reactores es el tiempo espacial (t) el cual define el tiempo necesario para procesar o fermentar en el biorreactor, un volumen de alimentación, medido en condiciones de entrada (presión y temperatura), igual al volumen de operación del biorreactor (el que define el estado estacionario). El tiempo espacial se obtiene dividiendo el volumen de reactor (V) entre el caudal volumétrico de entrada al biorreactor (Q). t = V/Q. Observe que al igual que t las unidades de τ son s-1.”.

Por este motivo, el tiempo de cultivo dentro de un biorreactor en un modo de operación continuo se conoce como tiempo de retención (τ) de un biorreactor.

La figura muestra las Curvas de Concentración para la Densidad Celular (X) y el Sustrato Limitante de la Velocidad de Crecimiento (S) en función del Tiempo de una Operación de Flujo en Modo Continuo.

Ecuación de Diseño de un Biorreactor Semicontinuo

Un sistema de cultivo semicontinuo es un sistema de flujo transitorio; donde hay un flujo temporal que alimenta al biorreactor; por lo que, balance general de masa que se aplica a un volumen de control (diferencial de volumen) para un componente i.

Por definición: Fi – (Fi + dFi) – (-rxi)dV = 0. Operando se obtiene: -dFi/dV = –rxi = Ecuación de Balance para un Componente i de un Biorreactor en Flujo Semicontinuo.

También, por definición la conversión del componente i en biorreactores en flujo semicontinuo es: Xi = (Fio – Fi)/Fio. Dado que no hay flujo de salida, la ecuación de balance se convierte en: FiodXi = –rxidV. Integrando la expresión obtenemos: ∫dV/Fio = ∫dXi/-rxi. Donde los límites de integración son: (0, V) para el volumen V y (Xio, Xif) para la conversión X.

Resolviendo la integral obtenemos: V/Fio = ∫dXi/-rxi = t la Ecuación de Diseño para un Biorreactor en flujo Semicontinuo.

También es posible expresar la ecuación de diseño en función de la concentración; para eso, debemos utilizar la siguiente ecuación: Fio = CioQi. Donde Cio es la concentración del componente i en la condición inicial de entrada y Qi es el caudal volumétrico del componente i.

Sustituyendo expresiones obtenemos: V/Fio = V/QiCio = τ/Cio. Donde τ es el tiempo espacial del biorreactor. En forma integral: τ = Cio∫dXi/-rxi = Tiempo Espacial para un Biorreactor en Flujo Discontinuo.

Nota: para sistemas donde la densidad (ρ) es constante: τ = – ∫dCi/-rxi.

Por este motivo, el tiempo de cultivo dentro de un biorreactor en un modo de operación semicontinuo se conoce como tiempo de residencia (tr) de un biorreactor.

Ecuación de Diseño de un Biorreactor Discontinuo

Un sistema de cultivo discontinuo es un sistema discreto; en donde no hay flujo de entrada (alimentación) o de salida (lavado) de biomasa (X); por lo que, la conversión del componente i (Xi), se basa en los moles (Ni) del componente metabólico; no en la célula.

La ecuación de balance del componente i es: d(Xi)/dt = rxi = µXi. Utilizando la definición de conversión y diferenciando Ni respecto al tiempo: dNi/dt = -NiodXi/dt. Sustituyendo la ecuación de balance se transforma en: -NiodXi/dt = rxiV. Separando en variables e integrando: ∫(Nio/-rxiV) dXi = ∫dt. Donde los límites de integración para la conversión (X) son: Xio (conversión de entrada) y Xf (conversión final). Y to = 0 = tiempo inicial; tf = tiempo total de reacción = tiempo final; para el tiempo de reacción.

Integrando obtenemos: t = Nio∫dXi/-rxiV la ecuación general de diseño para un biorreactor discontinuo.

Por este motivo, el tiempo de cultivo dentro de un biorreactor en un modo de operación discontinuo se conoce como tiempo de cultivo (tc) de un biorreactor.

OPERACIÓN CON SISTEMA DE FLUJO EN BIORREACTOR

Existen tres operaciones adicionales, asociadas a sistemas de flujo. Estas modifican el comportamiento y la cinética del sistema. Dichas operaciones son: recirculación, derivación y purga.

Operación con Recirculación de Flujo: la recirculación en bioprocesos industriales se realiza con cuatro (4) objetivos fundamentales:

1. Recuperación de metabolitos

2. Dilución del flujo interno del bioproceso

3. Control de la variable biomasa del bioproceso

4. Circulación activa del fluido de trabajo o cultivo

Figura 3.Esquema de una Operación con Recirculación de Flujo

Mediante ecuaciones, podemos plantear balances de materia para componentes individuales en los cuatro subsistemas distintos que se indican con líneas interrumpidas:

1. Respecto a todo el proceso, incluyendo el flujo de reciclaje. Los balances que puedan describir las ecuaciones para este sistema, no contendrán información acerca del flujo de reciclaje.

2. Respecto al punto de unión en el que la alimentación nueva se combina con el flujo de reciclaje. Las ecuaciones de balance de este sistema contienen información acerca del flujo de reciclaje.

3. Único respecto al proceso. Estos balances no contienen información acerca del flujo de reciclaje.

4. Respecto del punto de unión en el que el producto bruto se divide en reciclaje y producto neto. Contiene información acerca del flujo de reciclaje y el producto.

Además, sin violar la homogeneidad, podemos realizar balances de materia, utilizando combinaciones de subsistemas. La consecuencia de utilizar estos balances es que las ecuaciones derivadas de ellos serán dependientes. Sólo tres de los cuatro balances son independientes, si se hacen para un mismo componente.

Operación con Derivación de Flujo: una derivación es un flujo que pasa por alto una o más etapas del proceso y llega directamente a una etapa posterior. Se suele utilizar un flujo de derivación para controlar la composición de un flujo de salida final, de una unidad de proceso, al mezclar el flujo de derivación con el flujo de salida de la unidad, en las proporciones adecuadas para obtener la composición final deseada.

Figura 4. Esquema de una Operación con Derivación de Flujo

Operación con Flujo de Purga: una purga es un flujo que se utiliza para eliminar una acumulación de sustancias inertes o indeseables que de otra manera se acumularían en el flujo de reciclaje.

Figura 5. Esquema de una Operación con Flujo de Purga

OPERACIÓN EN MODO DE CULTIVO DISCONTINUO (BATCH)

“Un reactor por lotes de mezcla completa es espacialmente homogéneo como resultado de una agitación intensa; la temperatura y el pH también pueden mantenerse uniformes, en todo punto del reactor, con un control apropiado.”.

Reactor por Lotes

La forma más general de las ecuaciones de balance de materiales y de energía para las especies de interés, es:

Donde: V es el volumen del reactor; c_i es la concentración del componente i; c_j representa la concentración de otras especies que pueden influir las velocidades de formación o consumo de i en la reacción y r(c_i, c_j) es la velocidad volumétrica de formación de c_i por la reacción.

También se puede escribir un balance de masa global para el sistema:

Suponiendo que la densidad total de la fase líquida (ρ) es constante, el volumen de líquido permanece constante, y se puede sacar V del diferencial de la ecuación anterior, para obtener:

Con la densidad (ρ), y las capacidades caloríficas constantes, la ecuación de conservación de la energía se puede escribir como:

Donde: c_p es la capacidad calorífica; ΔH_R es el calor de reacción y r_X es la velocidad volumétrica del incremento en la masa de células secas.

Aunque el biorreactor se opera por lotes, la ecuación de balance de energía contiene los términos para el flujo de calor del reactor asociado con el control de la temperatura (Q) y para la generación de calor por agitación (-W, trabajo de eje).

Como ejemplo, el crecimiento microbiano puede representarse por dos ecuaciones para la masa de células y el sustrato, utilizando el modelo de Monod:

Con condiciones iniciales X(0) = X₀; c_S(0) = c_S0

Estas ecuaciones pueden sumarse después de multiplicar la ecuación 6 por Y_X/S para obtener:

Y de esta forma:

Expresando X en función de c_S, a partir de la ecuación anterior y reemplazando el resultado en la ecuación 6, se tiene:

Ecuación que puede integrarse analíticamente para obtener:

En esta ecuación, c_S está implícita y el tiempo en el cual se consume el sustrato, puede encontrarse calculando valores de t correspondientes a valores específicos de la concentración de sustrato.

Si en el cultivo se forma un producto que puede estar parcialmente asociado o no asociado al crecimiento microbiano, de la forma:

10.

El balance de materiales para el sustrato debe reescribirse para contabilizar la conversión de sustrato en producto, (ecuación 11), y las tres ecuaciones de balance de material que resultan: ecuaciones 5, 10 y 11, pueden resolverse numéricamente para obtener los perfiles de concentración típicos.

11.

Muerte de células en un cultivo por lotes

En un cultivo en crecimiento, algunas células pueden volverse inactivas o morir, como resultado de errores en la auto síntesis (mala interpretación del ADN, por ejemplo). No obstante, la fracción de células viables en los cultivos bacteriales puede ser bastante alta en el crecimiento por lotes, las células eucariotas pueden morir a velocidades apreciables, y así, la viabilidad de ese cultivo será menor del 100%. Si se considera que únicamente las células viables (X_v) generan células no viables (X_nv) con una cinética de primer orden, en función de la concentración de células viables con una constante de velocidad de reacción k, se tiene, para el crecimiento microbiano:

12.

13.

El crecimiento de la población total de células está dado por:

14.

Si se considera que m es aproximadamente constante para la mayor parte de la fase exponencial del crecimiento por lotes, la ecuación 12 puede integrarse para X_v(t) y el resultado se sustituye en la ecuación 14 para X_T. La integración de la ecuación que resulta, proporciona la concentración de células viables y la relación de viabilidad (X_v/X_T):

15.

16.

Si el inóculo se compone principalmente de células viables, X_v(0)/X_T(0) es aproximadamente igual a 1, y la expresión para la viabilidad, se reduce para tiempos lo suficientemente grandes (exp(µ – k)t >1) a:

17.

Esto es, la viabilidad fraccional permanece constante para la mayor parte del período exponencial de crecimiento. Si la velocidad de muerte k es igual a la velocidad de crecimiento, µ, se tiene entonces un crecimiento lineal de la biomasa total:

18.

Fuente: “Reactor por lotes”.

OPERACIÓN EN MODO DE CULTIVO SEMICONTINUO (FEED BATCH)

“Este tipo de operación es una forma intermedia entre la operación por lotes y la continua, incrementando la duración de la fermentación por lotes y de la productividad global del reactor.”.

Reactor por lotes alimentado (Fed-batch)

“En la tecnología de operación por lotes con alimentación repetida, el fermentador no se descarga completamente después de la reacción; el residuo se usa como inóculo para la siguiente corrida.”.

Figura 6. Representación esquemática de un reactor por lotes alimentado. F es la corriente de entrada, c_SA la concentración de sustrato en la alimentación, V es el volumen de la mezcla de fermentación y X la concentración de biomasa en la mezcla de fermentación. Fuente: “Reactor por lotes alimentado (Fed-batch)”.

A continuación, se analiza la operación por lotes con alimentación, con velocidades de alimentación constantes y la operación por lotes con alimentación repetida. El punto de partida es la formulación de los balances de materiales para la biomasa, el sustrato y el producto junto con un balance total de materiales que es necesario puesto que el volumen del reactor cambia con el tiempo. Con la suposición que la densidad del líquido es constante, estas ecuaciones son:

1A.

1B.

1C.

1D.

Donde: c_SA es la concentración de sustrato en el afluente y π es la velocidad específica de formación de producto. Si por el momento se omite la formación de producto, las ecuaciones de balance de materiales son:

2A.

2B.

2C.

Estas ecuaciones son similares a las de un quimiostato, con una importante diferencia; el término F/V, análogo a la velocidad de dilución D, cambia con el tiempo, puesto que V aumenta, mientras que D es constante para la operación quimiostática en estado estacionario.

Los balances de células y sustrato se pueden combinar e integrar para obtener:

Si la concentración de sustrato en el afluente c_SA, satisface la ecuación:

Se tiene:

Lo cual también es cierto para tiempos muy largos (es decir, para t >> V/F), en los cuales el término exponencial es pequeño.

A continuación, se analiza un caso especial. Si la velocidad de alimentación F es constante, se puede esperar, por comparación con el comportamiento del quimiostato, un estado cuasi estacionario en el período en donde la concentración celular es constante con respecto al tiempo, es decir, dX/dt ~ 0. Lo anterior requiere que la velocidad específica de crecimiento m, a F/V, debe disminuir como V se incrementa en el tiempo. Si m decrece continuamente, la concentración de sustrato debe disminuir con el tiempo (por esto dc_S/dt no puede ser cero). Reemplazando la relación de Monod para m, se obtiene

La masa total de células (XV) con estas condiciones está dada por

Constante

Por esta razón, la masa total de células crece linealmente con el tiempo.

Ahora, se contempla como la velocidad específica de crecimiento debe variar bajo condiciones de estado cuasi estacionarias. Como F es constante, V crece linealmente con el tiempo (V = V₀ + Ft) y

Inicialmente, cuando V ~ V₀

Cuando el tiempo se hace mayor el volumen crece y V >> V₀, por ello:

10.

La velocidad específica de crecimiento decrecerá rápidamente al comienzo y luego a una velocidad mucho más lenta a medida que transcurra el tiempo. Esto puede observarse numéricamente al solucionar las ecuaciones de balance de biomasa y sustrato. Para simplificarlas, se introducen las siguientes variables adimensionales:

Los balances de materiales se convierten en:

11.

Si se considera el caso en el cual F no es constante y varía con el tiempo, se puede seleccionar F de tal forma que F/V sea constante, indicado por l.

Esto implica Por lo tanto

;

12.

Por lo anterior, el sistema con alimentación exponencial alcanzará las concentraciones de estado estacionario correspondientes a las del quimiostato. Tanto X como c_S se pueden mantener en valores constantes.

Fuente: “Reactor por lotes alimentado (Fed-batch)”.

OPERACIÓN EN MODO DE CULTIVO CONTINUO (QUIMIOSTATO)

“El uso de reactores continuos de tanque agitado, con el fin de extender la duración de un cultivo microbial, se implementó en la década de 1950 por Novick y Szilard (1950) y Monod (1950). El hecho que un reactor continuo de tanque agitado se podía utilizar para mantener el crecimiento microbial en su valor de estado estacionario, el cual puede variarse desde cualquier velocidad de crecimiento hasta la máxima m _max, fue un avance muy importante, ya que acabó con la tradicional manera de pensar en el sentido que el tiempo para el crecimiento estacionario de los microorganismos era únicamente posible a la máxima velocidad, correspondiente al tiempo mínimo de replicación que aparece en los cultivos por lotes. Por consiguiente, el empleo de biorreactores continuos de mezcla completa para el estudio de la fisiología microbiano, condujo a importantes avances en la comprensión del ciclo celular, la regulación metabólica y la formación de productos.”.

El Quimiostato: el reactor continuo ideal de tanque agitado

Figura 7. Esquema de un biorreactor continuo de tanque agitado. Por lo general, se controlan las velocidades de flujo de nutrimentos al reactor, el pH y la temperatura. X indica el peso de células secas, c_S es la concentración de sustrato y F es el flujo de nutrimentos al reactor. Fuente: “El Quimiostato: el reactor continuo ideal de tanque agitado”.

Las ecuaciones de balance de materiales se pueden formular para cada una de las variables de importancia del reactor. Si se supone el caso en el cual únicamente un sustrato (S) limita la velocidad de crecimiento de los organismos y que la velocidad volumétrica de crecimiento está dada por m X, se tienen las siguientes ecuaciones:

1A.

1B.

1C.

Cuando los flujos volumétricos de entrada y de salida, F_e, F_sal, se mantienen constantes e iguales a F, las ecuaciones se simplifican a: (nótese que dX/dt ya no es igual a mX, como si sucede durante el crecimiento por lotes)

2A.

2B.

La relación, F/V se denomina generalmente como velocidad de dilución (D), con unidades recíprocas de tiempo. Esta velocidad de dilución es el inverso del tiempo promedio de residencia, t, y es igual al número de veces que una cantidad de mezcla de reacción equivalente al volumen del reactor pasa a través del recipiente de reacción, por unidad de tiempo. En estado estacionario (EE), las derivadas con respecto al tiempo se hacen iguales a cero, y la ecuación para la concentración celular tiene la solución:

Cuando la corriente de alimentación es estéril (lo cual casi siempre ocurre), X₀ es igual a cero, y las dos soluciones posibles para la ecuación anterior, son:

En el caso inusual en el cual la velocidad específica de crecimiento del cultivo [µ(c_S)] es independiente de la concentración de sustrato y, además, es constante, la concentración de células en estado estacionario (X_EE) cuando la velocidad de dilución es igual a µ, es indeterminada. La solución de la segunda ecuación de balance de materiales muestra que la concentración de sustrato en estado estacionario también es indeterminada, no obstante que tanto X_EE como c_SEE deben satisfacer:

Y así, es posible obtener un intervalo de valores para las concentraciones de células y de sustrato.

Esto puede ser visto experimentalmente, cuando las concentraciones de entrada de sustrato son muy bajas; también se observa que las concentraciones de células y de sustrato varían con el tiempo.

Generalmente, sin embargo, la velocidad específica de crecimiento es función de la concentración de sustrato. Cuando se utiliza la relación de Monod entre µ y c_S, las ecuaciones de balance de materiales ya no se indeterminan y se obtiene:

Ecuación que puede resolverse para c_S:

Siempre que

Y de la ecuación de balance para el sustrato se tiene:

Y al reemplazar D = m en la ecuación anterior:

La segunda solución de estado estacionario se obtiene cuando X_EE = 0. El valor correspondiente a la concentración de sustrato es c_SEE = c_S0. Este estado estacionario se denomina como «lavado», puesto que las células ya no están presentes en el reactor. La velocidad de dilución a la cual ocurre el lavado, puede hallarse examinando la ecuación 6. Cuando c_SEE es igual a la concentración de sustrato en la corriente de alimentación, se encuentra que la velocidad de dilución es:

10.

La máxima velocidad de dilución es ligeramente menor que la máxima velocidad específica de crecimiento. Si la velocidad de dilución es mayor que este valor, el sistema tiende a la segunda solución de estado estacionario X_EE = 0. Esto puede observarse a partir del comportamiento de c_{EE .} Como D → µ_max, c_EE se vuelve indeterminada.

Tabla 1. Resumen de las soluciones de estado estacionario.

es indeterminada si

siempre que

Los valores de K_S son pequeños, particularmente cuando se comparan con los de la concentración de sustrato en la corriente de entrada, c_S0. Por ello, la concentración de sustrato en el estado estacionario es muy pequeña e independiente de la concentración de sustrato en la corriente de entrada. Las soluciones no-triviales pueden aplicarse únicamente en el caso en donde la concentración es mucho mayor que c_SEE. Si c_S0 < c_SEE, la velocidad específica de crecimiento m es constante, las ecuaciones se indeterminan y pueden observarse una gran variedad de estados estacionarios.

La operación de un reactor continuo de tanque agitado bajo condiciones en las cuales sólo un sustrato limita el crecimiento, da como resultado un valor casi constante de la concentración de sustrato sobre un amplio intervalo de velocidades de dilución. Otros sustratos, los cuales se consumen a velocidades proporcionales a la velocidad específica de crecimiento de biomasa, también tendrán concentraciones de estado estacionario que son independientes de D y, además, son constantes. Por esta razón, este tipo de operación de biorreactores se denomina comúnmente como operación quimiostática (es decir, el ambiente químico permanece estático).

Cuando la velocidad de dilución se aproxima a µ_max, la concentración de células desciende rápidamente. La operación del quimiostato a velocidades de dilución cercanas a µ_max es experimentalmente complicada debido a la sensibilidad del sistema. Pequeñas variaciones de la concentración de sustrato en la corriente de entrada, la velocidad del flujo de alimentación o en la velocidad de crecimiento de los microorganismos, pueden ocasionar el lavado de las células.

La productividad volumétrica de células en un quimiostato está dada por DX_EE (expresada por lo general, en unidades de gramos de células por litro de reactor por hora). La velocidad de dilución a la cual la productividad es máxima se encuentra a partir de:

de esta forma

11.

La concentración de biomasa correspondiente es:

12.

Si K_S << c_S0 la productividad volumétrica se reduce a Y_X/S_µ_maxc_S0.

Comparación entre la productividad de un cultivo por lotes y la de un cultivo continuo

La productividad de biomasa de cultivos por lotes y continuos puede compararse bajo las mismas condiciones siempre que c_S0 >> K_S. La solución de la ecuación de balance de biomasa para el cultivo por lotes puede simplificarse si se supone que µ ~ µ_max durante la fase exponencial del crecimiento. De esta forma, se obtiene el tiempo de duración de la fase exponencial t_exp:

13.

Ecuación que se puede organizar en la forma:

14.

El tiempo total necesario para la fermentación por lotes, es la suma de los tiempos de las fases de adaptación y exponencial y de los tiempos empleados en vaciar, esterilizar e inocular de nuevo el reactor. Éstos últimos reúnen en una sola constante denominada tiempo muerto t_m. Con base en lo anterior, el tiempo total de la operación por lotes será la suma del tiempo de la fase exponencial de crecimiento y el tiempo muerto:

15.

Si la concentración inicial de sustrato (c_S0) es igual a la de la alimentación al quimiostato, la biomasa producida en este tipo será aproximadamente Y_X/Sc_S0. La productividad volumétrica del reactor por lotes es por lo tanto Y_X/Sc_S0/t_l_otes. La comparación de ésta con la máxima productividad de un quimiostato (ecuación 11), permite obtener:

16.

Típicamente, la relación de la concentración final de células a la concentración de células en el inóculo (X/X₀) es aproximadamente igual a 10. Por esta razón, el cultivo continuo ofrece un mínimo de 2,3 veces la productividad de una fermentación por lotes.

Fuente: “El Quimiostato: el reactor continuo ideal de tanque agitado”.

Reactores de flujo en pistón y de lecho empacado

El extremo opuesto al reactor de mezcla completa es el reactor de flujo en pistón, en el cual, el fluido se desplaza a lo largo de un tubo o canal de forma que se presenta un mezclado imperceptible en la dirección del flujo (la dirección axial), pero hay una mezcla bastante buena en la dirección radial. Tales reactores son comunes en la industria química, pero por razones que se considerarán más adelante, son poco utilizados para el crecimiento de células. Sin embargo, estos reactores se utilizan frecuentemente para células inmovilizadas y reacciones con enzimas. La isomerización de glucosa a fructosa, que es un paso clave en la producción de jarabe de maíz con un elevado contenido de fructosa, es un ejemplo importante de un proceso comercial que se lleva a cabo en un reactor de lecho de enzimas inmovilizadas. Los diagramas esquemáticos de un reactor de flujo en pistón y de uno de lecho empacado, se presentan a continuación:

Figura 8. Diagramas esquemáticos de un reactor de flujo en pistón y de uno de lecho empacado. Fuente: “Reactores de flujo en pistón y de lecho empacado”.

Considérese primero un reactor de flujo en pistón sin catalizador y que contiene células o una enzima. Si la velocidad superficial en la dirección axial (dirección z) es u_s (la velocidad superficial es la velocidad lineal promedio que el fluido debería tener si no hubiera empaque en el reactor y es igual a F/A, donde A es el área transversal del reactor y F es el flujo volumétrico dentro del mismo), se pueden escribir las siguientes ecuaciones de estado estacionario para el balance de células y de sustrato:

Donde r_X y r_S son las velocidades de reacción basadas en los volúmenes de líquido.

Si la velocidad axial es constante, como debería ser el caso si la densidad del fluido permanece constante, estas ecuaciones se convierten en:

Las cuales pueden reescribirse en función de un tiempo constante característico q (= z / u_s )

Por consiguiente, las ecuaciones se reducen a las de un reactor por lotes, excepto que q reemplaza al tiempo t . Las condiciones iniciales y finales sobre las cuales estas ecuaciones se integran, son las siguientes:

z = 0

q = 0

X = X₀

c_S = c_S0

z = L

q = L/u_s

X = X_final

c_S = c_Sfinal

Así, las soluciones para las ecuaciones anteriores para varias expresiones de velocidad (por ejemplo, la ecuación de Monod) pueden tomarse directamente de los resultados para un reactor por lotes.

El reactor de flujo en pistón ofrece un grado de conversión de sustrato mayor que el de un reactor de tanque agitado de igual volumen (y, por lo tanto, igual tiempo de residencia), porque la velocidad de reacción en un reactor de tanque agitado será menor que en un reactor de flujo en pistón. En un reactor de tanque agitado, la concentración de sustrato cae inmediatamente al valor de salida y la velocidad de reacción se determina por este valor. Con una cinética del tipo Monod, la velocidad decrece al disminuir la concentración de sustrato; por ello, el reactor de flujo en pistón ofrece la ventaja de mayores velocidades de reacción que en un reactor de tanque agitado, debido a que la concentración de sustrato desciende desde su valor inicial a lo largo de la dirección axial.

Las principales dificultades en la operación de un reactor de flujo en pistón con células suspendidas radican en la necesidad de proveer un inóculo continuo de células (X₀ debe suministrarse a la entrada del reactor), y en el mantenimiento de un pH constante, así como en el suministro de oxígeno a lo largo de la longitud del reactor. Estos problemas generalmente son tan extremos que existen pocos ejemplos de reactores biológicos perfectos de flujo en pistón. Algunos tipos de reactor pueden aproximarse como límite, al comportamiento de flujo en pistón; por ejemplo, un reactor con circulación pneumática de líquido con una fuerte circulación hacia arriba de líquido, o un gran tanque de tratamiento de aguas de desecho.

En contraste con el crecimiento microbial, los reactores de flujo en pistón y de lecho empacado se emplean comúnmente con enzimas libres e inmovilizadas. Aquí las necesidades de suministro de oxígeno y control de pH no se aplican usualmente, ya que muchas reacciones enzimáticas no requieren oxígeno y no generan ácidos o bases. Como se mencionó, una de las mayores aplicaciones industriales de este tipo es la isomerización de glucosa a fructosa para la producción de jarabe de maíz con alto contenido de fructosa. Esta reacción está catalizada por glucosa isomerasa inmovilizada sobre un soporte, tal como alúmina, en reactores de lecho empacado.

En un reactor de lecho empacado, la velocidad axial del fluido será mayor que en un reactor abierto de flujo en pistón y depende de la fracción de espacio vacío e, definida como:

ε = Volumen libre del reactor/Volumen total del reactor = 1 – (Volumen total de partículas/Volumen total del reactor)

Y la velocidad de fluido intersticial, v_i, es:

v_i = F/(área de la sección transversal) = F/(V/L)

La velocidad intersticial se emplea luego para calcular el tiempo de residencia del líquido τ. Éste tiene el valor τ = ε (V/F). En el caso de enzimas en solución, la fracción de espacio vacío ε será igual a la unidad. Un valor típico de e para enzimas inmovilizadas sobre soportes esféricos es aproximadamente igual a 0,4. En el caso de enzimas libres o inmovilizadas, el balance de materia para el sustrato tiene la forma:

Y es posible la integración analítica de esta ecuación para algunas cinéticas comunes. La tabla 1 muestra ejemplos de la expresión del tiempo de residencia en función de los parámetros de la expresión de velocidad. Nótese que V’_M es el producto de V_M (máxima velocidad de reacción por unidad de volumen de catalizador -líquido más sólido-) y el volumen de catalizador por unidad de volumen de líquido (1-ε)/ε. De esta manera, V’_M = V_M(1-ε)/ε.

Tabla 1. Tiempo de residencia t en función de la conversión de sustrato [d = (c_S0 –c_S)/c_S0] para reacciones enzimáticas en reactores de flujo en pistón y de lecho empacado.

Expresión de velocidad

Tiempo de residencia (τ = εL/u_s )

Michaelis – Menten

Inhibición por sustrato

Fuente: “Reactores de flujo en pistón y de lecho empacado”.

RESUMEN DE MODOS DE OPERACIÓN

El biorreactor puede operarse en una de las siguientes formas:

Operación discontinua o por lotes (batch),

Operación continua, o

Varios tipos de operaciones semicontinuas.

En la siguiente tabla, se resumen los algunas de las distintas formas de operación de un reactor biológico.

Modo de operación

Comentarios

Curva: concentración-tiempo

Balance de masa en un reactor ideal

Por lotes

Inoculación y carga de todos los nutrimentos y sustratos al mismo tiempo y hasta consumo total

Por lotes con alimentación intermitente

Varios esquemas volumen – tiempo y velocidades de alimentación

Por lotes extendida

La concentración del sustrato (c_S), permanece constante

Por lotes repetida

Después que ha ocurrido la reacción en un lote, una pequeña cantidad del fermento se saca del reactor para que sirva como inóculo para el siguiente lote del proceso
Cultivo continuo (quimiostato)

Con flujos de entrada y de salida del medio de reacción. El reactor se denomina quimiostato, en aquellos casos en los cuales la densidad celular y la concentración permanecen constantes

Antes de estado estacionario:

En estado estacionario:

Antes de estado estacionario:

En estado estacionario:

Cascada de reactores continuos de tanque agitado

Con o sin alimentaciones intermedias y recirculación del medio de cultivo o del biocatalizador

Reactor continuo de tanque agitado con recirculación de biocatalizador

Combinación de reactores (Reactor continuo de tanque agitado y reactor de flujo en pistón)

El reactor continuo de tanque agitado sirve como un reactor de inoculación, ya que la operación en estado estacionario de un reactor de flujo en pistón no es posible debido al desplazamiento del biocatalizador

Fuente: “Modos de operación”.

Principios básicos del diseño de biorreactores. Parte 1- Cultivos y Biorreactores: El Propósito de Utilización

PRÓLOGO

Valga la redundancia, este es un artículo de renovación de los contenidos de los artículos: DISEÑO DE BIOREACTORES, Parte 1; DISEÑO DE BIOREACTORES, Parte 2 y una Parte de DISEÑO DE BIOREACTORES, Parte 3 que escribí a principios del año 2008 en mi Blog Biotecnología Práctica con los objetivos de renovar algunos conceptos, aclarar otros, introducir nuevos y en general, darle al artículo; de nuevo, valga la redundancia, un articulado y una estructura más clara, concisa y acorde con los tiempos modernos.

INTRODUCCIÓN

El diseño en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos básicos y teóricos que conlleven a lograr el prototipo deseado. Para la realización integra de un modelo conceptual. También resulta indispensable, el uso de la adaptación creativa. Así como, del ingenio propio. Para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biofísico de un cultivo in vivo. Con el ambiente artificial de un cultivo in vitro dentro de un dispositivo de ambiente controlado desde el exterior. Este resultado es denominado biorreactor o reactor biológico. Ergo, un biorreactor es un dispositivo bio-tecnológico que debe proveer un ambiente interno controlado que garantice y maximice la productividad y el crecimiento celular del cultivo vivo. Y externamente fungir como frontera que protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no controlado. El biorreactor debe por tanto suministrar los mecanismos de control necesarios para que la operación y el proceso (bioproceso) se lleven a cabo con: economía, efectividad y en el menor tiempo posible. Conjugando así, en un mismo dispositivo biología y tecnología.

PROPÓSITO DE UTILIZACIÓN

Lo primero que hay que entender en el diseño de reactores biológicos es que, contrario a los reactores químicos, su cinética no está 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 las características intrínsecas del organismo o cultivo vivo que se esté realizando. Características como el crecimiento, el metabolismo y la división celular; que se miden en ‘tasas’. Así como, del tipo de operación, cultivo y flujo que se lleven a cabo. Por eso, lo primero que se define en el diseño de un biorreactor es el propósito de utilización. Es decir, el tipo de cultivo se va a utilizar, el modo en que se va a operar y el proceso de cultivo que se va a realizar.

El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos:

Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
Mantener constante y homogénea la temperatura.
Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
Prevenir la sedimentación y la floculación.
Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.
Mantener el cultivo puro.
Mantener un ambiente aséptico.
Maximizar el rendimiento y la producción.
Minimizar el gasto y los costos de producción.
Reducir al máximo el tiempo.

MODO DE OPERACIÓN Y RÉGIMEN DE FLUJO

El modo de operación de un sistema de cultivo, es sinónimo del modo de operar del biorreactor. Éste no solo influye en el diseño propio del reactor biológico; también en el modelo cinético de crecimiento del cultivo y en el proceso de producción.

El modo de operación se rige por el esquema de flujo que administra el biorreactor.

Existen tres modos básicos de operación aunados a tres esquemas básicos de flujo:

Biorreactor Discontinuo (batch): cuando un cultivo se lleva a cabo por lotes o tandas; es decir, sin alimentación (F) de material crudo o nuevo. Se coloca dentro del biorreactor la carga total de entrada (F1) de cada proceso, en una sola tanda o lote de cultivo. Y se deja que el biorreactor lleve a cabo el proceso productivo (bioproceso) por el tiempo que sea necesario para completar el proceso y obtener el producto deseado.

La operación por tandas o lotes es una operación sin flujo (F=0); por lo que, en relación al flujo, es una operación discontinua (sin continuidad).

Biorreactor Semicontinuo (fed-batch): la operación por lotes alimentados se caracteriza porque tiene una alimentación de entrada (F1); esto es, que se alimenta una línea de entrada con material crudo o fresco. Eso se realiza con el objetivo de que el sistema de cultivo dentro del biorreactor pueda desarrollar una biomasa con un máximo de crecimiento; es decir, con una curva de crecimiento exponencial y así aumente su productividad.

En relación al flujo, al tener la operación por lotes o tandas solo un flujo de entrada o alimentación (F1); es una operación semicontinua; es decir, sólo hay continuidad de flujo en la entrada o alimentación.

Biorreactor Continuo (quimiostato): un quimiostato alimenta una línea de entrada F1 o alimentación y además drena una línea de salida F2 o lavado. Eso significa que, una vez que el cultivo dentro del biorreactor ha alcanzado la fase exponencial de crecimiento; el dispositivo puede mantenerla indefinidamente; ocasionando que la producción sea continua.

En términos de flujo eso significa que los flujos o caudales de ambas líneas: alimentación o entrada (F1) y salida o lavado (F2) deben ser iguales y mantenerse así; a lo largo del tiempo de operación. Por lo que, este tipo operación, también se conoce como operación en estado estacionario.

Biorreactor de Flujo Pistón: el flujo pistón es una operación en estado estacionario. Se diferencia de la operación en continuo en que la conversión; es decir, el grado de transformación de reactivo a producto; es función de la posición.

En términos de flujo eso significa que la composición del fluido y por ende, la de la biomasa; varia de un punto a otro dentro del biorreactor, a lo largo de la dirección del flujo; como un elemento diferencial de volumen que se desplaza como si fuera un pistón.

OPERACIONES UNITARIAS Y SISTEMAS DE FASES

Como sabemos, una fase es una región del espacio dentro del cual todas las propiedades físicas y las propiedades químicas de lo contenido dentro de él, son uniformes. Es decir, una fase constituye un sistema termodinámico que, a su vez, es un sistema homogéneo. Las fases de la materia son: gas, líquido, sólido, plasma y condensado de Bose-Einstein. Pero por razones obvias, solo nos interesan las tres primeras. Pueden existir varias fases; incluso, múltiples fases dentro de un mismo sistema material separadas por una interfase.

Esa particular condición, es de especial interés para el diseño y la construcción de biorreactores. Ya que, nos permite aprovechar las propiedades físicas y químicas del contenido. Para realizar distintas operaciones unitarias entre o a través de las diferentes fases. Las operaciones unitarias se clasifican de acuerdo al proceso que realizan en:

Procesos de flujo de fluidos: transporte de fluidos, filtración y fluidización de sólidos.

Procesos de transferencia de calor: evaporación e intercambio de calor.

Procesos de transferencia de masa: absorción de gases, destilación, extracción, adsorción

y secado.

Procesos termodinámicos: licuefacción de gases y refrigeración.

Procesos mecánicos: transporte de sólidos, trituración y pulverización, cribado y tamizado.

También se incluye una subclasificación que involucra procesos con más de una operación unitaria:

Combinación (mezcla)

Separación (destilación, cristalización)

Reacción (reacción química)

OPERACIONES Y PROCESOS COMBINADOS

De forma similar a como las operaciones unitarias tienen una subclasificación que involucra más de una operación en el mismo proceso. Los biorreactores especializados pueden realizar operaciones complejas que involucran dos o más operaciones unitarias en dos o más procesos combinados dentro de un mismo biorreactor. O bien, la operación combinada de dos o más biorreactores para maximizar la eficiencia y la productividad.

La complejidad del biorreactor dependerá de dos cosas.

1- La complejidad celular del cultivo (citología): eso es, que entre más compleja sea la célula o microorganismo que se cultive; más requerimientos: energéticos, nutricionales, metabólicos, etcétera necesitará. Y, por ende, la complejidad de los bioprocesos asociados a la operación del biorreactor aumentará en la forma de más controles, sensores, precisión y exactitud.

2- La complejidad procesal y operativa: es decir, el grado de especialización que requiere el diseño del biorreactor. Según sea, el grado de especialización que requiere su ambiente interno para realizar operaciones combinadas. O el número de bioprocesos y/o biorreactores que deban combinarse para mejorar la eficiencia y la productividad.

CLASIFICACIÓN DE LOS BIOREACTORES

Clasificación Operativa: tanto biorreactores como fermentadores se clasifican primeramente de acuerdo a su modo de operación: discontinuo, semicontinuo, continuo. Esta es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor; ya sea este químico o biológico. En los reactores biológicos el modo de operación define el sistema de cultivo; que es el mismo: discontinuo, semicontinuo, continuo. Y determina la clasificación procesal-productiva del bioproceso. Al operar un biorreactor en una determinada categoría (discontinuo, semicontinuo, continuo), automáticamente queda determinado también el modo de cultivo del sistema y se definen los parámetros y las características operativas y de diseño que intervienen en el proceso productivo del sistema.

Clasificación Biológica: los sistemas biológicos deben interaccionar con el ambiente externo para poder crecer y desarrollarse; es por eso que los biorreactores se clasifican biológicamente de acuerdo al metabolismo procesal del sistema de cultivo: anaeróbico, facultativo, aeróbico. Los bioprocesos de cultivo y las fermentaciones están basados en el metabolismo celular del cultivo. El metabolismo define los parámetros y características operativas-biológicas de diseño y de operación del biorreactor. Estas características son las que intervienen en la parte biológica del sistema y tienen que ver con el crecimiento, productividad y rendimiento del cultivo; por lo que, definen la clasificación biológica-procesal del sistema de cultivo.

Clasificación Biológica-Operativa: ambas clasificaciones; la biológica y la operativa, son procesalmente interdependientes y en su conjunto afectan el diseño final del biorreactor. Al conjuntarse ambas clasificaciones, se conjuntan también la función operativa y la biológica para establecer entre ambas un propósito de utilización, el modo de cultivo y el bioproceso. Siendo el propósito de utilización, el destino de cultivo del biorreactor; para qué tipo de cultivo va a ser utilizado el biorreactor; el modo de cultivo es sinónimo de sistema de cultivo y el bioproceso es en sí, todo el proceso.

Resumiendo: un biorreactor puede operar de modo continuo, semicontinuo o discontinuo; el modo de operación define el sistema de cultivo (modo) que es el mismo. El metabolismo celular propio del sistema de cultivo (aeróbico, anaeróbico o facultativo) define el conjunto de diseño que determina las características biológicas y funcionales del biorreactor. Las características procesales y operativas del biorreactor: instrumental, accesorios, sistemas periféricos, etcétera, están determinadas por la conjunción biológica-operativa que define el propósito de utilización del biorreactor. Ambos: modo de operación y tipo de cultivo, definen la clasificación biológica-operativa y los parámetros productivos y de rendimiento del bioproceso (sistema de cultivo-biorreactor) que afectarán toda disposición operativa, procesal y funcional, relativa al crecimiento celular del cultivo y la cinética del sistema de cultivo.

BIOREACTORES SEGÚN EL METABOLISMO CELULAR

Los sistemas biológicos que determinan el metabolismo celular de cultivo y el modo procesal-biológico del sistema son:

Células y Microorganismos Anaerobios: como su nombre lo indica, son aquellas células y microorganismos que no utilizan oxígeno (O₂) en su metabolismo. En sustitución, los organismos anaerobios, utilizan una de dos rutas metabólicas. La respiración anaerobia que utiliza la cadena de transporte de electrones; en la que, el aceptor final de electrones es un compuesto inorgánico diferente del dioxígeno. Y la fermentación que utiliza un compuesto orgánico como piruvato, acetaldehído y otros, para un metabolismo fermentativo. En otras palabras, son microorganismos de metabolismo degradativo (catabólico); generalmente unicelulares, estos microorganismos son autónomos y nutricionalmente independientes (autótrofos); sus células (cuerpos) no respiran (no utilizan la glucólisis para la respiración celular). En cambio, utilizan vías alternas, donde una molécula orgánica, producida durante el proceso metabólico (catabolismo), es utilizada como aceptor de electrones, en un proceso bioquímico conocido como respiración oxidativa; esta molécula es reducida a producto orgánico en un proceso comúnmente denominado fermentación.

Células y Microorganismos Facultativos: son ambivalentes; es decir, tienen la capacidad de vivir (o sobrevivir) entre ambientes: aeróbico (presencia de oxígeno) y anaeróbico (ausencia de oxígeno). Eso por cuanto, , pueden desarrollar un metabolismo respiratorio, usando el oxígeno presente; o uno fermentativo, cuanto están en ausencia de oxígeno. Son microorganismos de metabolismo mixto por lo que, pueden degradar materia orgánica por catabolismo; así como, construir materia orgánica a partir de diferentes sustratos de materia prima (tanto orgánicos como inorgánicos) por anabolismo. En otras palabras, los microrganismos facultativos pueden obtener energía, alimentarse y metabolizar en ausencia de oxígeno; pero el oxígeno no les es tóxico como a los microorganismos anaeróbicos.

Células y Microorganismos Aerobios: contrario a los anaeróbicos, son organismos que solo pueden vivir o desarrollarse en presencia de oxígeno diatómico. O sea que, respiran (respiración) y tienen un metabolismo aerobio que surgió por evolución después de que, la fotosíntesis oxigénica, la forma más común de fotosíntesis, liberó oxígeno a la atmósfera y obligó a los microorganismo que no lo toleraban a evolucionar. Las células y microorganismos que respiran utilizan la glucólisis como ruta metabólica encargada de oxidar la glucosa para obtener energía para la célula; es decir, como forma de respiración celular.

La principal diferencia entre células y Células y Microorganismos Anaerobios y Células y Microorganismos Aerobios está en el Metabolismo Respiratorio. Específicamente, en la Respiración Celular que Define el Metabolismo Celular en función de si éste responde a Digestión Aerobia o Digestión Anaerobia.

BIORREACTORES SEGÚN EL TIPO DE CULTIVO CELULAR

A continuación, algunos tipos de biorreactores, según el tipo de cultivo celular asociado.

Ø Cultivos Microbianos Anaerobios – Biorreactor Anaerobio (CO2/H2)

Los microorganismos de metabolismo anaeróbico (respiración anaeróbica) son los más simples de todos, tan solo necesitan de un medio de cultivo adecuado, agitación vigorosa y cierta cantidad de CO2 (dióxido de carbono) en la forma de Carbono Orgánico Disuelto (COD) para crecer y multiplicarse. Por lo general son procariotas, microorganismos que pueden respirar utilizando sustancias como el sulfato, el nitrato y dióxido de carbono como aceptor de electrones. Existen tres tipos principales de biorreactores anaerobios:

Biorreactor Anaerobio de Flujo Ascendente (RAFA/UASB): el Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (RAFA o UASB por sus siglas en inglés) es un reactor que opera en régimen continuo y en flujo ascendente. Esto es, cuya entrada denominada afluente o influente, entra como materia cruda y por procesar; por la parte inferior del reactor. A traviesa el perfil longitudinal de reactor; donde se procesa y purifica. Y sale por la parte superior como efluente y producto ya procesado. Con la particularidad de que se produce biogás como producto de desecho de la actividad metabólica de los microorganismos.

Biorreactor Anaerobio de Membrana (AnMBR)

El biorreactor de membrana (MBR) debe su nombre a la combinación de un proceso de tecnología de membrana que involucra el transporte de sustancias entre dos fracciones con la ayuda de membranas permeables.

Como parte de un proceso físico de filtración en el que, un fluido contaminado se pasa a través de la membrana del biorreactor para separar los microorganismos y las partículas suspendidas del líquido del proceso por efecto del tamaño de un poro de la membrana. Los biorreactores de membrana se utilizan principalmente como proceso biológico de tratamiento de aguas residuales e industriales y en procesos de lodos activados como mecanismos biológicos de microfiltración y ultrafiltración.

Existen dos tipos principales de biorreactores de membra (MBR).

Biorreactor de Membrana Sumergida: las membranas se sitúan dentro del reactor biológico, eliminando la necesidad de bombeo y aprovechando la agitación mecánica de la aireación. La desventaja es que el módulo de membranas debe ser retirado para su limpieza.

Biorreactor de Membra Externa: el contenido del reactor biológico es bombea al módulo de membranas que se encuentra en una instalación externa al biorreactor. Las ventajas de este modelo residen en que el módulo de membranas sirve de contenedor de limpieza para las mismas y se evita su manipulación.

Digestor Anaerobio (Biodigestor)

La digestión anaeróbica (DA) es una serie (4) de procesos biológicos (bioprocesos) de degradación de nutrientes orgánicos (catabolismo) en el cual, microorganismos descomponen material biodegradable en ausencia de oxígeno. Estos bioprocesos generan como desecho gases como dióxido de carbono y metano. Los biodigestores aprovechan la liberación de metano para usarlo como combustible. Debe tomarse en cuenta que, la productividad y duración del proceso anaeróbico (tiempo de retención) varía en función de factores como la temperatura y el pH del material biodegradado.

Básicamente existen tres Tipos de biodigestores y se clasifican de acuerdo al flujo.

Biodigestores de flujo discontinuo (BDF): la carga orgánica total a descomponer se deposita dentro del biodigestor al inicio del proceso y la descarga del efluente se hace hasta que el proceso digestión anaerobio finaliza. Requiere de mayor mano de obra; así como un espacio para almacenar la materia prima y un depósito de gas. Pero tiene la ventaja de que es asequible, fácil de construir y se adapta a las necesidades rurales.

Biodigestores de flujo semicontinuo: en los biodigestores de flujo semicontinuo la carga del material a fermentar y la descarga del efluente; es decir, del material orgánico que se desea procesar (digerir), se realiza por pequeños baches o lotes; pero de manera continua durante todo el proceso (por ejemplo, una vez al día). Por lo que, requieren de menos mano de obra; pero también de una mezcla (material orgánico crudo) más fluida; o bien, movilizada de manera mecánica; así como, de un depósito de gas.

Existen cinco tipos de biodigestores de flujo semicontinuo.

Biodigestor de Cúpula Fija (Biodigestor Chino).

Los biodigestores de cúpula fija se caracterizan por:

Biodigestor semiesférico enterrado
Cúpula fija en donde se almacena el biogás
Hecho de cemento y ladrillo refractario;
Trabaja con grandes variaciones en la presión;
A causa de las variaciones de presión reduce la eficiencia de los equipos que consume su gas.

Biodigestor de Cúpula Móvil (Biodigestor Hindú).

Las características de los biodigestores de cúpula móvil son:

Biodigestor enterrado;

Cúpula o reservorio móvil para el gas;

Hecho de ladrillo, muros de hormigón armado o de mampostería;

Presión constante de gas;

Operación eficiente de los equipos que alimenta.

Biodigestor Tubular (Biodigestor Taiwanés).

También conocido como Biodigestor Tipo CIPAV son Biodigestores Familiares de Bajo Costo cuyas características son:

Biodigestor semienterrado

Es una bolsa cilíndrica hecha de PVC o polietileno

Utiliza el principio de vasos comunicantes para la carga y descarga del biol (fertilizante líquido) .

Biodigestor Horizontal (Biodigestor Rectangular).

Los biodigestores horizontales o Tipo Rectangular se caracterizan por:

Biodigestores superficiales de forma rectangular;

De cúpula metálica o de geomembrana desmontable;

Poca capacidad de almacenamiento;

Hechos de concreto armado;

Sometido a altas presiones.

Biodigestor Casero de Bidón.

Como su nombre lo indica es “un biodigestor anaeróbico casero a partir de un bidón o tanque de polietileno con capacidad entre 120 y 220 litros.”.

Biodigestores de flujo continuo (BFC):

El flujo continuo permite que cada volumen de materia cruda (desechos) del afluente que ingresa al biodigestor, cumpla con la distribución de tiempos de residencia (RTD por sus siglas en inglés) necesaria dentro del biorreactor; antes de salir el efluente como producto (nutrientes). Generalmente se utilizan para el tratamiento de aguas residuales como parte del tratamiento biológico y tienden a ser grandes, de corte industrial o comercial y con sistemas para el control y gestión del proceso.

Los Biodigestores de Flujo Continuo pueden ser de cuatro tipos.

Biodigestor Continuo de Desplazamiento Horizontal (Biodigestor de Flujo Pistón).

Son biodigestores de geometría alargada cuyo afluente (mezcla de materia orgánica y agua) circula dentro en flujo pistón alargando la distribución del tiempo de residencia.

Biodigestor Continuo de Tanques Múltiples.

“Está formado por múltiples tanques con una serie de bafles o deflectores que obligan al agua residual con contenido orgánico a fluir de manera ascendente y descendente en el trayecto desde la entrada hasta la salida del tanque.”. Fuente: “FABRICACION DE BIODIGESTORES ASAJET”.

Biodigestor Continuo de Tanque.

Está formado por un solo tanque que puede tener una disposición horizontal o vertical. Por lo general se diseñan en material plástico de alta densidad y resistencia para que sirvan como tanque séptico. Se diseñan para ser auto limpliables gracias a un mecanismo rotativo.

Biodigestor Continuo de Bolsa.

“Es un biodigestor tubular de flujo continuo, prefabricado, modular, flexible y de alta calidad, especialmente diseñado para pequeñas y medianas unidades pecuarias. Un biodigestor es un contenedor que recibe los desechos diarios de la granja, en el que se fermenta el estiércol mezclado con agua, produciendo biogás rico en metano y un fertilizante natural llamado biol.”. Fuente: “Sistema.bio”.

Ø Cultivos Microbianos Facultativos – Fermentadores Facultativos (CO2/O2)

La principal diferencia de los microorganismos facultativos; su capacidad para crecer y desarrollarse, tanto en presencia, como en ausencia de oxígeno; gracias a que, desarrollaron, tanto un metabolismo respiratorio, en presencia oxígeno; como un metabolismo fermentativo, en ausencia de oxígeno. No afecta el propósito de utilización de los fermentadores facultativos en relación a el propósito de utilización de los fermentadores anaerobios. Tecnológicamente, el funcionamiento de los fermentadores facultativos es el mismo de los fermentadores anaerobios. Lo que varía son las capacidades metabólicas de los microorganismos facultativos. Por eso, únicamente ampliaremos con las curvas de operación de los fermentadores para los diferentes regímenes de operación. Fuente: “FERMENTADORES ANAEROBICO DE LOTE” by PREZI.

Fermentadores discontinuos de tanque agitado

Fermentadores continuos de tanque agitado

Fermentadores Tubulares

Fermentador de Lecho Fluidizado

Fermentador Continuo (Quimiostato)

Ø Cultivos Microbianos Aerobios – Fermentadores Aerobios (O2)

Los microorganismos aerobios necesariamente requieren de oxígeno diatómico (dioxígeno) disuelto en el medio líquido para poder degradar la materia orgánica que se encuentra disuelta o en suspensión. Además de, agitación moderada, un medio de cultivo rico en nutrientes y una temperatura media; ya que, por lo general son organismos mesófilos cuyo metabolismo aerobio (respiración) surgió por evolución después la fotosíntesis oxigénica.

En términos de Fermentación, los Fermentadores Aerobios se clasifican en cuatro tipos:

Fermentador Alimentado de Tanque Agitado.

La agitación mecánica cumple las siguientes funciones:

Homogenización (Disolución);

Suspensión de Sólidos (Sólidos Suspendidos);

Dispersión de Mezclas Líquido-Líquido;

Aireación de Líquidos;

Intercambio de Calor.

Fermentadores de Ciclo.

Los fermentadores de ciclo se caracterizan porque el medio de cultivo es bombeado desde el exterior al interior del fermentador.

Fermentadores de Levantamiento por Aire.

Los fermentadores de levantamiento por aire son dispositivos contenedores de geometría cilíndrica o tubular que se caracterizan por tener una agitación neumática impulsada por aire (de ahí su nombre) que distribuye y moviliza la mezcla fluida: medio de cultivo y cultivo celular. Utilizando diversos dispositivos como tubos de arrastre y recirculación, paredes divisorias y bafles.

Básicamente existen dos tipos de fermentadores de levantamiento por aire.

Fermentadores Airlift.

“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 (Figura 25); la circulación interna puede producirse por dos tubos de arrastre coaxial (Figura 25A) o por un flujo invertido mediante el gaseado del líquido en el espacio exterior al cilindro (Figura 25B), 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.”.

Fuente: “Reactor con circulación neumática de líquido (Airlift)”.

Fermentadores de Columna de Burbujeo.

“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 27). 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.”.

Fuente: “Reactores de columna de burbujeo sin deflectores”.

Fermentadores Aerobios de Lecho.

Un lecho es básicamente un soporte físico diseñado para mejorar el contacto entre dos fases: líquida y sólida. Para realizar diferentes operaciones unitarias que involucran fenómenos de transporte como: mecánica de fluidos, transferencia de calor, y transferencia de masa.

En ese sentido y para nuestros propósitos de utilización, existen dos tipos de lechos.

Lecho Fluidizado: un lecho fluidizado consiste en colocar una sustancia sólida particulada dentro de un recipiente de contención (generalmente tubular), de manera que pueda formar una mezcla sólido / fluido que se comporte como un fluido. Para tener la capacidad de fluir libremente por gravedad, o de ser bombeado (en este caso, por el mecanismo de levantamiento por aire). Fenómeno que se conoce con el nombre de fluidización.

Existen diferentes tipos de lechos fluidizados; pero para nuestro propósito de utilización, sólo nos interesa el lecho fluidizado estacionario o burbujeante que es donde el gas (aire) se utiliza a bajas velocidades, para que la fluidización de los sólidos suspendidos se mantenga en estado estacionario (salvo, algunas partículas finas arrastradas).

Lecho Empacado: el propósito de un lecho empacado es mejorar el contacto entre las fases líquido y sólido a través de un procesamiento químico contacto catalítico (catálisis). El lecho empacado se utiliza para realizar procesos de separación y absorción que mejoren la eficiencia y la productividad.

El lecho empacado consiste de una malla de acero inoxidable en forma de anillo con un divisor central. Dentro de la cual, se distribuyen de manera aleatoria, pero fuertemente empaquetada (empaque aleatorio). Pequeños anillos hechos de materiales que proporcionan gran área superficial y baja caída de presión. Mientras mantienen una alta tasa de transferencia de masa en la columna empaquetada. Los más utilizados son: el anillo Raschig y los anillos Dixon.

Fermentador Aerobio de Lecho Fijo.

Los fermentadores de lecho empacado se utilizan para catalizar una determinada reacción bioquímica en una determinada ruta metabólica para favorecer una determinada fermentación (disculpen la redundancia). Son biorreactores tubulares que están llenos de partículas sólidas que se utilizan como catalizador; generalmente para catalizar reacciones de gases. “La ventaja de usar un reactor de lecho empacado es la mayor conversión por peso de catalizador que otros reactores catalíticos. La conversión se basa en la cantidad de catalizador sólido en lugar del volumen del reactor.”

Fermentador Aerobio de Lecho Móvil.

Un fermentador de lecho fluidizado (FBR por sus siglas en inglés) es un reactor multifásico que transporta un fluido (gas o líquido) a través de un material granular sólido que se utiliza como catalizador móvil. Por eso, a diferencia del lecho fijo, requiere de velocidades lo suficientemente altas como para suspender el sólido en todo el volumen del lecho. Y hacer que éste se comporte como si fuera un fluido. Proceso que se conoce como fluidización.

Ø Cultivos Micóticos – Fermentadores de Hongos (CO2)

Los cultivos micóticos se diferencian de los cultivos bacterianos y los cultivos microbianos en que los hongos no son microorganismos Procariota sino organismos Eucariota. Son organismos aeróbicos o facultativos pertenecientes al Reino Fungi entre los que se encuentran los mohos y las levaduras. Los cultivos micóticos requieren de la presencia de CO2 disuelto en el medio de cultivo como sustrato limitante del crecimiento celular. Adicionalmente generan estructuras reproductivas y vegetativas muy particulares.

Hongos Fermentadores.

Son hongos microscópicos unicelulares que fermentan la materia orgánica como parte de su proceso metabólico y como producto de desecho de la fermentación producen compuestos orgánicos útiles para nosotros como el etanol. O bien, saborizan y dan propiedades a los alimentos que nos resultan agradables o embriagantes.

Ø Cultivos Celulares Aerobios – Fermentadores con Aireación (O2)

Los cultivos celulares aerobios requieren la presencia de oxígeno disuelto en el medio de cultivo ya que, tienen un metabolismo aerobio. Es decir, extraen su energía por la oxidación de moléculas orgánicas como la glucosa; proceso en el que, el carbono es oxidado mediante el oxígeno obtenido del aire de la atmósfera o disuelto en el medio.

En términos bioquímicos, la cantidad de dioxígeno consumido por los microorganismos aerobios estrictos para degradar la materia orgánica en un determinado volumen de muestra líquida se denomina Demanda Biológica de Oxígeno o Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO). En términos biotecnológicos, la cantidad de oxígeno disuelto en el medio de biorreactor se mide y controla a través del Coeficiente Volumétrico de Transferencia de Oxígeno (KLa). Desde el punto de vista tecnológico, el diseño de los Fermentadores con Aireación para Cultivos Celulares Aerobios es básicamente el mismo que el de los Fermentadores de Levantamiento por Aire para Cultivos Microbianos Aerobios. Eso es: Fermentadores Airlift (Figura 25); Fermentadores de Columna de Burbujeo (Figura 26); Fermentadores Aerobios de Lecho: Fermentador Aerobio de Lecho Fijo (Figura 28) y Fermentadores Aerobios de Lecho Móvil (Figura 29).

¿Qué es lo que varía? El Propósito de Utilización.

Al ser cultivos celulares aerobios, cambia su metabolismo; por ende, cambian sus necesidades metabólicas y cambia la forma en que utilizan el oxígeno como oxidante y para respirar. Como se aprecia en la Figura 31. En términos de diseño eso significa que debe tomarse en cuenta la transferencia y consumo de oxígeno en cultivos celulares. Incorporando dentro del diseño sensores y controles específicos para determinarla y controlarla a través del tamaño de burbuja y la potencia del flujo y la distribución del aire.

Ø Cultivo de Microalgas y Cianobacterias – Fotobiorreactores para Microalgas

Las microalgas son microorganismos unicelulares fotosintéticos, pertenecientes al Reino Eukaryota; es decir, son células eucariotas. Se pueden nutrir (nutrición) de manera autótrofa (nutrición autótrofa) o heterotrófica (nutrición heterótrofa). Y son altamente eficientes en la fijación de carbono (CO2) y la utilización de energía solar para producir biomasa. Las cianobacterias, antiguamente llamadas ‘algas verdeazuladas’, dejaron de ser algas, para convertirse en un filo del dominio Bacteria que comprende a las bacterias capaces de realizar fotosíntesis oxigénica. Son los únicos procariontes que realizan ese tipo de fotosíntesis; por lo que se les llamó ‘oxifotobacterias’ (Oxyphotobacteria). Tanto microalgas como cianobacterias son microorganismos fotoautótrofos. Eso es, que utilizan la energía de la luz solar (energía solar) para fijar el dióxido de carbono (CO₂) y combinarlo con agua (H₂O) para formar gliceraldehído-3-fosfato (PGAL) un compuesto químico que funge como intermediario en varias rutas metabólicas centrales como la glucólisis y el proceso de la fotosíntesis.

Fotobiorreactores para Microalgas

La palabra ‘foto’ proviene de griego φωτο- phōto– que significa luz. Por ende, un fotobiorreactor (PBR) es un biorreactor que utiliza una fuente de luz para cultivar microorganismos fotoautótrofos.

Para nuestro propósito de utilización: microalgas y cianobacterias. Para las microalgas y las cianobacterias la energía lumínica de la luz solar (radiación solar) es un nutriente y el motor de su crecimiento biológico. En ese sentido, la Interacción de las Microalgas Con la Luz es un punto fundamental en el Diseño de Fotobiorreactores para Microalgas dentro del cual deben considerarse seis aspectos.

La Transmisión de la luz: fuente, propagación y absorción;

La Relación entre velocidad especifica de crecimiento y disponibilidad de luz: modelo de crecimiento;

El Cálculo del coeficiente de extinción en cultivos de microalgas;

La Cuantificación del flujo fotónico absorbido y la eficiencia fotosintética;

La Transmisión de la luz en diferentes geometrías y

La Irradiancia promedio en sistemas planos y cilíndricos.

Fotobiorreactores Para el Cultivo Masivo de Microalgas

Los “Fotobiorreactores para el cultivo masivo de microalgas” presentan dos enfoques muy diferentes entre sí. El económico de los Sistemas Abiertos de Cultivo de Microalgas “con menor necesidad de inversión y mantenimiento, de fácil escalado, pero presentan un sistema de control más dificultoso, la producción es menor y con baja eficiencia, además de ser más susceptibles a contaminación.”. Fuente: “Cultivo de microalgas: sistemas abiertos vs sistemas cerrados”. Los sistemas abiertos para el cultivo masivo de microalgas se presentan en dos configuraciones de diseño:

Estanques Abiertos Para el Cultivo de Microalgas (Open Ponds Microalgae)

Como su nombre lo indica, es una estructura abierta tipo estanque que se diseña y construye con la forma y profundidad adecuada para el cultivo circule de manera natural. El proceso y los costes de operación son bajos; pero igualmente lo es, la productividad por unidad de superficie y la concentración de biomasa.

Debido a eso, para el cultivo en estanques abiertos, sólo se utilizan microalgas extremófilas como la Dunaliella salina, capaz de sobrevivir en condición halófila extrema; lo que impide la proliferación de otras especies que compitan con ella y/o contaminen el cultivo.

Estanques con Paletas Para el Cultivo de Microalgas (Raceway Microalgae)

Se trata de estanques artificiales diseñados para proveer agitación y mezcla a través de un sistema de impulsión tipo rueda de paletas o «paddle wheel» que consigue mantener el cultivo en suspensión y bien mezclado; con un gasto de potencia de pocos watios por metro cúbico. Por lo general son alargados, por lo que asemejan una pista de carreras o “raceway”; pero también de forma circular. La suspensión y mezclado permite suministrar CO2 (que este se difunda al cultivo) de forma eficiente y con pocas pérdidas de los difusores que lo suministran; además de, un mejor control del pH.

Sistemas Cerrados Para el Cultivo de Microalgas

Son fotobiorreactores para mantener al cultivo aislado del medio ambiente exterior. Por lo que, el medio ambiente interior deber estar equipado con sistemas de: agitación, aireación, control del pH, intercambio del calor, adición de nutrientes al medio y CO2. Los sistemas cerrados, deben tener partes y equipos separados para el suministro de luz que por lo general es artificial (recordemos que son microorganismos fotosintéticos) y para la desgasificación (recordemos que los microorganismos fotoautótrofos liberan oxígeno diatómico (O2) como producto de desecho de su metabolismo). Eso encarece el costo inicial y el de mantenimiento. Pero, optimizar y tecnificar esos procesos permite a cambio, una mayor productividad y disminuir muy significativamente el tiempo de producción.

Los Sistemas Cerrados Para el Cultivo de Microalgas Se Clasifican en:

Fotobiorreactores de Laboratorio Diseñados Para Cultivo de Microalgas.

En la mayoría de los casos son sistemas de laboratorio adaptados para el cultivo y crecimiento de microalgas que se diseñan para funcionar como ceparios. Por lo que, usualmente se disponen varios de ellos en bancos iluminados que además suplen las necesidades de CO2, nutrientes y otros al conjunto o individualmente. Pero también los hay, muy instrumentados y especializados para realizar estudios académicos de diferente índole. En términos de operación son fotobiorreactores alimentados con CO2.

Fotobiorreactores de Laboratorio Diseñados Para el Cultivo de Microalgas. Fuente: “Ante el interés mundial, la Facultad de Agronomía construyó el cepario de microalgas más grande del país”.

Fotobiorreactores de Columna Para Microalgas.

Un fotobiorreactor de columna de burbujeo consiste en una columna de burbujeo de material transparente para que permita el paso de la luz con un diámetro d y una altura H. La forma cilíndrica ayuda a distribuir la luz y soporta bien la presión en la base. Los biorreactores de columna de burbujeo se caracterizan por tres cosas. El tamaño hidrodinámico de la burbuja que define el patrón de flujo de burbuja.

El diseño y la disposición del sistema de difusión de aire. Comúnmente conocido como Difusor de Aire Para Agua. El cual puede tener dos disposiciones: Difusor Estático de Aire Para Agua y Difusor Dinámico de Aire Para Agua.

Nota: “Un difusor es un dispositivo para la reducción de la velocidad y el aumento de la presión estática de un fluido que pasa a través de un sistema».

La Difusión de CO2 en Agua: “La concentración de CO₂ disuelto (COD) puede ser controlada mediante su inyección en las zonas de estancamiento; es decir, donde la concentración ya no permite obtener una capacidad máxima fijadora. El pH se debe controlar junto con el COD debido al que el equilibrio del CO₂ con el agua depende tanto de la temperatura de la acidez del medio de cultivo.”. Fuente: “Diseño de Foto-Biorreactores para el Cultivo Micro Algas Oleaginosas. Parte 1. Teoría y Generalidades”.

Fotobiorreactores de Placas para Microalgas (Geometría Plana)

“Los fotobiorreactores de placa se caracterizan por tener una geometría de panel plano y delgado que potencia las Propiedades de la Luz: Absorción, Reflexión y Transmisión. Afectando variables como la irradiancia incidente (Io); específicamente la irradiancia incidente sobre una superficie plana (Ver: “Transmisión de la luz en diferentes geometrías”). La concentración de biomasa (Cb); específicamente, la concentración de biomasa en microalgas (Ver: “Cuantificación del crecimiento y la productividad”). El coeficiente de extinción de luz (k); específicamente, el coeficiente de extinción de la biomasa (ka) que es una medida de la eficiencia con la que absorbe la luz (absortividad); (Ver: “Cálculo del coeficiente de extinción en cultivos de microalgas”.

Todo en aras de mejorar la eficiencia fotosintética de las microalgas.

Fotobiorreactores de Lámina para Microalgas

Resumen: “La presente invención es un fotobiorreactor modular para producción de microalgas especialmente indicado para absorber gases de emisión de alto contenido en anhídrido carbónico (CO₂). Está basado en la recirculación continua de un medio líquido que contiene microalgas a través de láminas de tejido que facilitan la absorción de CO₂ y la iluminación de las microalgas. La invención permite que dichos gases se puedan aportar al cultivo desde el interior de la cámara. Presenta las ventajas de que ofrece alta eficiencia en la iluminación de las algas, permite el fácil intercambio de CO₂ desde los gases de emisión al cultivo y es aplicable a gran escala y con bajo coste.”. Fuente: “WO2011138477 – FOTOBIORREACTOR LAMINAR PARA LA PRODUCCIÓN DE MICROALGAS”.

Biorreactores de Sustrato Poroso para Microalgas

“Los biorreactores de sustrato poroso (PSBR) crecen microalgas inmovilizadas en cultivos densos de biofilm. Resuelven algunos problemas sustanciales relacionados con el alto volumen líquido y las densidades de bajo cultivo atribuidas a métodos de cultivo de última generación en biotecnología micro algal.”. Fuente: “Porous Substrate Bioreactors: A Paradigm Shift in Microalal Biotechnology” (ScienceDirect.com).

Fotobiorreactores Tubulares Para Microalgas (Geometría Cilíndrica)

La geometría cilíndrica (superficie cilíndrica), además de convertir la superficie, en un sistema de coordenadas bidimensional en el que cada punto del plano (circunferencia) se determina por una distancia (radio) y un ángulo. Afecta significativamente el flujo luminoso en términos de irradiancia. Eso por cuanto, un haz de luz, se atenúa más rápidamente al transitar por una superficie curva que al transitar por una superficie plana.

Un fotobiorreactor tubular para microalgas se compone de tres o cuatro partes dependiendo se si la fuente de luz es natural o artificial: el tanque desgasificador de oxígeno, el sistema de bombeo y la estructura de lazos para los fotobiorreactores que obtienen su energía luminosa de la luz solar. Adicionalmente, un sistema de iluminación física para los fotobiorreactores que se construyen en espacios interiores controlados.

Tanque Desgasificador de O2 Fotobiorreactor Tubular para Microalgas (Desgasificador): un Tanque Desgasificador de Oxígeno es un dispositivo desgasificador de la alimentación; eso es, que extrae el oxígeno disuelto de la línea de alimentación (F); que en el caso del fotobiorreactor tubular para microalgas corresponde al lazo tubular por donde circula el cultivo. Pero el tanque desgasificador además cumple otras funciones operativas: calentar el fluido de alimentación (cultivo de microalgas) y almacenar el fluido de alimentación; que en el caso del cultivo de microalgas corresponde a un tanque transparente tipo columna de burbujeo.

El Sistema en Bombeo en Fotobiorreactor Tubular para Microalgas: se diseña y implementa como un sistema de bombeo de agua potable (solo que, en lugar de agua potable, bombea el cultivo de microalgas).

La Estructura de Lazos en Fotobiorreactor Tubular para Microalgas: es la parte de la estructura que capta la energía lumínica; ya sea esta proveniente de la energía solar o por iluminación física (iluminancia). Se denomina lazo porque la estructura de tubo por la que circula el cultivo se puede configurar de distintas formas cuyos codos y curvas asemejan lazos. Entre esas configuraciones están: en la Fotografía 1- Fotobiorreactor de Vidrio Tubular; en la Fotografía 2- Fotobiorreactor de Árbol de Navidad: Ansicht Photobioreaktor, Tannenbaumreaktor nach GICON(R); en la Fotografía 3- Fotobiorreactor Horizontal con Geometría en Forma de Zigzag. Fuente: “Fotobiorreactor”.

Fotografía 1- Fotobiorreactores tubulares

Fotografía 2- Fotobiorreactor de árbol de Navidad

Fotografía 3- Fotobiorreactor horizontal

Ø Cultivo de Células y Tejidos Vegetales – Biorreactores Para Células y Órganos Vegetales

La célula vegetal es una célula eucariota que se caracteriza por dos cosas: tiene una pared celular rígida que le da a la célula vegetal una forma constante; tiene orgánulos celulares internos llamados cloroplastos que se encargan de la fotosíntesis y la producción de clorofila; y tiene una gran vacuola central. Compone los tejidos vegetales; eso es: los tejidos de crecimiento (meristemas), los tejidos protectores (epidermis y peridermis), los tejidos fundamentales (parénquima), de sostén (colénquima y esclerénquima) y tejidos conductores (floema y xilema). En otras palabras, tejidos diferenciados, de acuerdo con la función que desempeñan. Eso por cuanto la célula vegetal es una célula totipotencial: la totipotencia es la potencia celular máxima, que le confiere a la célula la capacidad de dirigir el desarrollo total de un organismo.

El Cultivo de Células y Tejidos Vegetales es uno de esos casos en los que, la complejidad del diseño del biorreactor funciona a la inversa del régimen de operación de flujo. Eso por cuanto, los Biorreactores Para Células y Órganos Vegetales operan en lo que se conoce como Flujo Burbujeante Bifásico. Concretamente, operan en un Flujo Burbujeante Bifásico para Tubos Verticales.

“En el flujo burbujeante (en tubos verticales), el caudal de líquido es lo suficientemente alto como para romper el gas en burbujas, pero no es lo suficientemente alto como para hacer que las burbujas se mezclen bien dentro de la fase líquida. Las burbujas varían ampliamente en tamaño y forma, pero más comúnmente son casi esféricas y son mucho más pequeñas que el diámetro del tubo.”. Fuente: “¿Qué es el flujo burbujeante? Flujo bifásico: definición”.

En ese sentido, “El número de Reynolds (Re) es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. Su valor indica si el flujo sigue un modelo laminar o turbulento.”. Fuente: “Número de Reynolds”.

Para nuestros propósitos de utilización, el número de Reynolds (Re) define el Régimen de Flujo en que opera el fotobiorreactor.

Organogénesis Vegetal – Macro Propagación de Tejidos Vegetales (Plántulas)

“La Organogénesis es el conjunto de cambios que permiten que las capas embrionarias (ectodermo, mesodermo y endodermo) se transformen en los diferentes órganos que conforman un organismo.”. Fuente: “Organogénesis”.

Para nuestro Propósito de Utilización nos interesa la Organogénesis Vegetal.

La Organogénesis Vegetal “Es la formación de un primordio unipolar a partir de una yema con el subsecuente desarrollo de este en un brote vegetativo, existiendo siempre una conexión entre los nuevos brotes y el tejido paterno. Estos brotes vegetativos son posteriormente puestos a enraizar en otra etapa, vía formación de primordios de raíces y el subsecuente enraizamiento final. Los brotes pueden formarse directamente del explante (organogénesis directa) o indirectamente a partir de callos. En contraste con la embriogénesis somática, en la vía organogénica para la formación de una planta completa, ya sea por la vía directa o indirecta, se requiere de una secuencia de medios de cultivo, ya que aquellos medios que favorecen el desarrollo de los brotes inhiben la formación de raíces y viceversa.”. Fuente: “Organogénesis (Biotecnología Vegetal)”.

“En su acepción amplia, el cultivo de tejidos vegetales se define como un conjunto muy heterogéneo de técnicas que presentan en común el hecho de que un explante —o sea, una parte separada del vegetal, tales como protoplastos, células, tejidos u órganos— se cultiva asépticamente en un medio artificial de composición química definida y se incuba en condiciones ambientales controladas.”. Fuente: «¿Qué es un Cultivo y Tejido Vegetal?”.

Flujo Turbulento: “En mecánica de los fluidos, se llama flujo turbulento al movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en el que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando remolinos aperiódicos lo que ocurre en un gran cantidad de configuraciones como ser canales, tuberías, reactores sean bioquímicos, físicos o nuclear.”. Fuente: “Flujo turbulento”.

Para nuestro propósito de utilización nos interesa el Fotobiorreactor de Levantamiento por Aire (O2) en Régimen de Flujo Turbulento (Re≥4000). Eso por cuanto, el desprendimiento de los Brotes Vegetales que se multiplican dentro del fotobiorreactor requiere de una agitación vigorosa y del rompimiento de burbujas grandes que solo puede proporcionar un Flujo Turbulento.

Embriogénesis Vegetal – Macro Propagación de Embriones Vegetales (Semilla Sintética)

“La Embriogénesis Somática, también denominada embriogénesis asexual o adventicia, consiste en el desarrollo de embriones a partir de células que no son el producto de una fusión de gametos durante la fecundación o, en otras palabras, es un proceso por el cual se produce una estructura bipolar (el embrión) a partir de una célula somática.”. Fuente: “Embriogénesis somática”.

Para nuestro Propósito de Utilización nos interesa la Embriogénesis Vegetal:

“La embriogénesis vegetal es el conjunto de procesos fisiológicos que conducen a la transformación de una sola célula, el cigoto, en un individuo multicelular más complejo, el embrión, contenido en la semilla madura. Requiere de fina regulación de multitud de elementos de desarrollo que conducen a la elaboración de morfologías básicas (morfogénesis), el establecimiento de estructuras funcionalmente organizadas (organogénesis) y la diferenciación tisular. Además, debe generar las estructuras elementales de crecimiento activo en los sistemas modulares que son las plantas, esto es, los meristemos, así como las funciones necesarias para la ulterior supervivencia del embrión, como son la quiescencia y la germinación.”. Fuente: “Embriogénesis vegetal”.

En ese sentido la Propagación de Embriones Vegetales concretamente la Propagación In Vitro de Embriones Artificiales nos permite crear Semillas Sintéticas.

Para nuestro propósito de utilización se debe diseñar un Biorreactor para Embriones de Semillas.

Extrañamente no pude encontrar ningún diseño de biorreactor patentado para macro propagación de embriones vegetales. Así que, les proporciono un “MONTAJE DE UN SISTEMA HIBRIDO PARA LA PRODUCCIÓN DE SEMILLA ARTIFICIAL” en el pensé hace años (2008).

Células Vegetales en Suspensión – Fotobiorreactor de Levantamiento por Aire (O2) en Régimen de Flujo de Transición (3000≥Re≤4000)

“El cultivo de células vegetales en suspensión es una herramienta que permite conocer diversos aspectos del cultivo, como su comportamiento metabólico, fisiológico y bioquímico, así como controlar y optimizar las condiciones de cultivo para la producción de biomasa, o bien la producción de metabolitos secundarios”. … Fuente: “Callogénesis y establecimiento del cultivo de células … – SciELO”.

Para nuestro propósito de utilización las Células Vegetales en Suspensión deben cultivarse en un Fotobiorreactor de Levantamiento por Aire (O2) en Régimen de Flujo de Transición (3000≥Re≤4000) para evitar la formación de agregados celulares vegetales que tienden a agruparse (clústeres) y al alcanzar gran tamaño y peso, precipitan.

Protoplastos Vegetales – Biorreactor de Levantamiento por Aire (O2) en Régimen de Flujo Laminar (Re≤2300)

Un protoplasto es una célula de planta, bacteria u hongo que ha perdido total o parcialmente su pared celular. Ergo, los protoplastos vegetales son células vegetales desprovistas de su pared celular. Eso se logra utilizando enzimas proteolíticas (peptidasas y lipasas) que degradan los peptidoglicanos que la componen.

Un Fotobiorreactor de Levantamiento por Aire (O2) para el cultivo de Protoplastos Vegetales necesariamente debe operar en Régimen de Flujo Laminar (Re≤2300). Eso por cuanto, requiere de una cama de aire (burbujas muy finas), para evitar que los esfuerzos cortantes de esquileo e hidrodinámicos generados por el flujo dañen el protoplasto. Eso es, causen la lisis celular. También es indispensable que el medio de cultivo contenga las peptidasas y lipasas necesarias para evitar la regeneración

No he encontrado un biorreactor diseñado para el cultivo de protoplastos vegetales. Así que les propongo uno. Un Biorreactor de Perfusión operando en Estado Estacionario.

Ø Cultivo de Células Animales – Biorreactores para Células Animales

Para nuestros propósitos de utilización la Célula Animal tiene 5 características específicas que inciden directamente en la forma de operar y utilizar el biorreactor:

1- Son células especializadas que no manifiestan totipotencia (excepto las células madre o estímales) por lo que el medio de cultivo debe ser específico cada célula;

2- Son células diferenciadas (diferenciación celular) por lo que, cumplen funciones específicas para el órgano al que pertenecen (por ejemplo: la sangre/corazón);

3- Son células nutricionalmente dependientes (nutrición heterótrofa) y son osmótrofos, por lo que, todos los nutrientes que se requieren deben aportarse al medio de cultivo para ser absorbidos por las células;

4- No tienen pared celular y su membrana plasmática es muy delicada y sensible a esfuerzos cortantes, el esquileo, la acides (pH) y la temperatura;

5- Respiran (respiración celular) por lo que necesitan O2 disuelto en el medio.

El Cultivo de Células Animales se clasifica de acuerdo a tipo de crecimiento que tiene el cultivo celular en:

Cultivo Celular en Monocapa: El cultivo en monocapa consiste en cultivar las células en una sola capa, distribuyéndolas uniformemente a lo largo y ancho de la superficie que contiene un medio de cultivo adherente, sobre el cual anclarse; por lo cual, al cultivo en monocapa también se le conoce como cultivo dependiente de anclaje.

Cultivo Celular en Suspensión: Un cultivo en suspensión es aquel en el que las células crecen suspendidas en un medio líquido que se agita constantemente. Y

Cultivo Celular Tridimensional:

“Un cultivo celular en 3D es un ambiente creado artificialmente, en el cual células biológicas se les permite crecer o interactuar con su entorno en las tres dimensiones. Esta es una mejora sobre el método anterior de células que crecen en 2D (en una caja de Petri) porque el modelo 3D es más preciso que los modelos de células In vivo.”. Fuente: “Cultivo celular en 3D”.

El principal objetivo del cultivo de células animales es el establecer una Línea Celular; específicamente lo que se conoce como Línea Celular Inmortalizada.

“Una línea celular inmortalizada es una población de células de un organismo multicelular que normalmente no proliferaría indefinidamente, pero debido a la mutación, han evadido la senescencia celular normal y en cambio pueden seguir experimentando división. Por tanto, las células pueden cultivarse durante períodos prolongados in vitro.”. Fuente: “Línea celular inmortalizada”.

Para nuestro propósito de utilización únicamente analizaremos el Cultivo Celular en Suspensión.

Biorreactor de Lecho Fluidizado (O2)

Los cultivos de células animales requieren de proximidad mutua y de un soporte sólido (anclaje) para interactuar (comunicación célula-célula) y poder metabolizar (producir); esto por cuanto, las células animales, por lo general, no son independientes y deben estar unidas a un sistema (p.ej.; hepático) para funcionar adecuadamente. Para suministrar esa proximidad y el soporte necesario, los diseños de biorreactores para células animales deben aumentar la densidad celular (concentrar) de las células en cultivo. Una forma de hacerlo es incorporar un lecho fluidizado formado por cantidad de microesferas acarreadores hechas de material cerámico poroso inerte que, por su tamaño (micrométrico) forman una interfase con el medio de cultivo (fluido) que permite la transferencia de masa (nutrientes y OD), energía (calor) y momentun (agitación) entre el medio de cultivo y las células en cultivo; lo que es llamado lecho fluidizado. Los cultivos celulares animales, por la delicada naturaleza de las membranas plasmáticas requieren además de oxígeno disuelto (OD) en el medio de cultivo (tamaño de Kolmogorov de los Eddies) y de un régimen de agitación laminar.

Ø Células Inmovilizadas – Biorreactor de Fibra Hueca (O2)

La inmovilización celular es otra forma de lograr proximidad celular y aumentar la densidad celular y la concentración de metabolitos dentro de las células. La inmovilización es un método mucho más eficiente y logra rendimientos muy superiores a los del lecho fluidizado. Pero, los fenómenos de transferencia (masa, momentun y energía) se ven muy limitados por la inmovilidad. Esto es especialmente crítico en cultivos de células de mamífero por cuanto ya célula no recibe la nutrición adecuada.

Los biorreactores de fibra hueca son los dispositivos más utilizados para inmovilizar y concentrar cultivos celulares animales. Su diseño consiste en una batería de fibras hueca y porosa en su interior, colocadas en paralelo. Las células se concentran y aumenta la densidad celular, en los intersticios de las fibras huecas. El medio de cultivo fluye en contrasentido desde el exterior del reactor o a través de una carcasa como si fuera un intercambiador de calor de doble tubo. Para solventar el problema de la escasa transferencia de masa (nutrientes y OD) dentro de la fibra hueca, un diseño novedoso es el tambor rotativo en el cual, el tambor externo rota sobre la batería de fibras huecas, generando una circulación constante de masa y de momentun, aumentando las tazas de transferencia.

Ø Células Empaquetadas – Biorreactor de Lecho Empacado (O2)

El empaquetamiento celular es una forma menos drástica de inmovilización; pues ésta es parcial. También tiene el objetivo de aumentar la concentración y la densidad celular; pero al no estar enclaustradas las células, la transferencia de masa es mayor, aunque siempre limitada. Un lecho empacado es una matriz de soporte sólido que retiene las células, bien por geometría (dentro de los intersticios o espacios huecos de la matriz), bien por afinidad (paso o adherencia selectiva). Un biorreactor con este propósito debe contener un lecho de soporte sólido, sumergido en el medio de cultivo. La oxigenación generalmente se realiza en el exterior del lecho, a través del medio de cultivo.

Ø Cultivos Enzimáticos – Biorreactores Enzimáticos (O2)

Los cultivos enzimáticos se comportan en algunos aspectos como cultivos celulares y en otros como reactantes químicos. Debido a que un sustrato enzimático es un catalítico de una reacción biológica, la cinética de estos reactores puede simularse como la química, pero sin olvidar que el compuesto es biológico. Los sustratos enzimáticos deben estar anclados a un lecho semisólido o a uno semifluido – según sea el caso – dependiendo de la naturaleza enzimática del sustrato; que, por la naturaleza del medio de cultivo, además de la enzima, requiere, para un sustrato determinado, su respectivo precursor metabólico llamado cofactor, más algún componente especial que agilice el proceso metabólico.

Como se diseña una vacuna antiviral para humanos

El 2020 se convirtió en el año de la última declaración de una pandemia por afectación de una enfermedad infecciosa en los humanos a nivel mundial. La pandemia de enfermedad por coronavirus de 2019-2020, formalmente llamada COVID-19 (acrónimo en inglés de Coronavirus Disease 2019) que es producida por un nuevo Coronavirus el SARS-CoV-2 acrónimo en inglés de Coronavirus 2 (CoV) del Síndrome Respiratorio Agudo Grave (SARS). Por eso considero relevante escribir acerca de como se diseña una “vacuna” antiviral integrando a varias aplicaciones biotecnológicas en el bioproceso de su “construcción”. Explicado desde un punto de vista práctico que pueda entender la mayoría.

Reinhardt Acuña Torres

Introducción

¿Qué es un virus? y ¿Cómo está constituido?

Para entender todo bien desde el principio, primero debemos iniciar por explicar ¿Qué es un virus? – La palabra virus proviene del latín virus: ‘veneno’ o ‘ponzoña’ –

Pero en términos biológicos un virus es un agente infeccioso microscópico acelular que se caracteriza por su parasitismo intracelular obligado.

En otras palabras, los virus no son células; un virus es un microorganismo patógeno, que obligadamente necesita introducirse dentro de una célula viva que lo hospede, para poder multiplicarse dentro de ella. Para luego expandirse a los tejidos de su huésped biológico y generar reacción en el anfitrión (patogenicidad) ante la liberación de toxinas durante el proceso de infección.

Los virus poseen una organización estructural externa simple basada en un estructura proteica (proteínas) formada por una serie de monómeros llamados capsómeros que forman una especie de envoltura se conoce como cápside vírica. En el interior de la cápside se encuentra siempre el material genético del virus; por lo que, en virología, el término nucleocápside se refiere al material genético envuelto en su cápside. Los capsómeros están formados por grupos de proteicas idénticas llamas protómeros que están unidas por enlaces no covalentes visibles al microscopio electrónico que se auto ensamblan para formar la cápside (los capsómeros se unen alrededor del ácido nucleico por sí solos).

Morfológicamente se distinguen tres tipos de cápsides de acuerdo a su simetría:

Cápside helicoidal (típica de virus vegetales y bacteriófagos);

Esquema de un Citomegalovirus.

Cápside icosaédrica (típica de virus, animales);

Cápside icosaédrica de un Adenovirus.

Cápside compleja que recibe ese nombre porque el virión que la constituye tiene al menos dos partes: una cabeza o nucleocápside y una cola.

Nota: los virus que presentan cola se les llama urófagos.

Los virus tienen una composición genómica interna basada en ácidos nucleicos: ARN y ADN. Ver la imagen comparativa entre ARN y ADN.

Los virus ARN están constituidos de ácido ribonucleico (ARN) como su material genético. O bien, necesitan de ARN mensajero (ARNm) en como intermediario durante su proceso de replicación. Los virus ARN conforman los grupos III-VII de la Clasificación de Baltimore.

Grupo III: Virus ARN bicatenario

Grupo IV: Virus ARN monocatenario positivo

Grupo V: Virus ARN monocatenario negativo

Grupo VI: Virus ARN monocatenario retrotranscrito

Grupo VII: Virus ADN bicatenario retrotranscrito

Nota: El Comité Internacional de Taxonomía de Virus (ICTV) clasifica a los virus ARN no retro transcritos, esto es, a los Grupos III, IV y V, en el reino Riboviria.

De igual forma, los virus ADN están constituidos por material genético compuesto de ADN. Y no usan ARN como intermediario durante su replicación. Lo virus ADN conforman los grupos I y II en el sistema de Clasificación de Baltimore.

Grupo I: Virus ADN bicatenario

Grupo II: Virus ADN monocatenario

Nota: Los viriones del grupo II se distinguen por un ADN monocatenario (formado por una sola cadena de nucleótidos), en lugar de la doble hélice habitual.

Clasificación de Baltimore de los virus, basada en la obtención del ARNm a partir del genoma del virus. Los Grupos I y II son virus ADN. Las Grupos III-VII son virus ARN.

En cuanto a si un virus es o no un ser vivo, aún existe mucha controversia. Sin bien, taxonómicamente están incluidos dentro de la Biota (superdominio que reúne a todos los organismos relacionados con la vida). No se consideran parte de ninguno de los Dominios y Reinos que conforman la Cytota o Cytobiota (seres vivos verdaderos).

¿Por qué? Porque son seres acelulares lo que literalmente significa sin células. Por lo que, los taxónomos propusieron un dominio de vida conocido como Acytota o Aphanobionta para describir a los virus y a los agentes subvirales en sus diferentes clasificaciones biológicas.

Como formas acelulares los virus no pueden reproducirse por sí mismos en el exterior. Para ello requieren introducirse dentro de células vivas donde controlarán los mecanismos reproductivos a través de un mecanismo que se conoce como ciclo reproductivo de los virus. Una de las razones por las que los virus no se consideran seres vivos verdaderos.

Ciclo reproductivo de los virus.

1-Fijación
2-Penetración
3-Desenvolvimiento
4-Síntesis (4a-Transcripción, 4b-Traducción, 4c-Replicación del genoma)
5-Ensamblaje
6-Liberación

¿Cómo infectan los virus?

Lo segundo que debemos comprender claramente es ¿Cómo infectan los virus?

Es decir, cómo logran entrar a las células, para luego causar en ellas una infección viral. El proceso general consta de 4 Etapas: Introducción del virus; Liberación del material genético viral; Unión de las proteínas virales a los receptores celulares y Endocitosis.

1- Introducción

Para lograr entrar a la célula, de su huésped los virus han desarrollado mecanismos propios para introducir sus genes y proteínas dentro de la célula de su huésped. Empecemos por recordar que virus que se encuentran envueltos por una especie de membrana lipídica que forma su cápside vírica y esta “membrana viral” por similitud química procede a fusionarse con la membrana celular de la célula huésped. Las denominadas proteínas de fusión facilitan este proceso. Estas proteínas virales, a pesar de tener estructuras proteicas variadas; parecen todas tener un mismo mecanismo de acción: generar cambios de conformación con el fin de unir ambas membranas. Para el virus eso es indispensable para poder iniciar el proceso de replicación dentro de la célula huésped. Ya que, para poder adherirse a la membrana plasmática, debe haber una interacción específica entre el virus y la célula huésped para (valga la redundancia) establecer una unión específica a un receptor específico. Por ejemplo en la representación de virus de la influenza se pueden observar las glicoproteínas puntiagudas que actúan interaccionando con la membrana huésped.

2- Liberación de material genético

3- Unión de proteínas virales a receptores celulares

4- Endocitosis

La endocitosis (del griego μέσα. ‘dentro’, kyto- κύτος gr. cient. ‘célula’ y -ō-sis gr. ‘proceso’) es el mecanismo celular por el cual las células introducen moléculas grandes, partículas extracelulares e incluso pequeñas células, dentro de sí mismas. Englobándolas dentro de una invaginación de la membrana plasmática eucariota, y formando una vesícula que termina por desprenderse de la membrana para incorporarse al citosol. La endocitosis es aprovechada por el agente infeccioso para atravesar la membrana de la célula.

Muchos virus aprovechan la maquinaria endocítica de la célula huésped para entrar en ella e infectarla. Aprovechando la ventaja de que a través de la entrada endocítica los virus tienen una entrada fácil al citoplasma. Eso debido a que las vesículas endocíticas están diseñadas para atravesar las barreras del citoesqueleto; así como del citoplasma. Esta vía de entrada también tiene la ventaja de que no deja rastros de glicoproteínas virales en la membrana plasmática; por lo que, el sistema inmunitario es incapaz de detectar la entrada del virus.

Nota: la endocitosis se presenta como un caso contrario a los acontecimientos de la exocitosis.

¿Cómo engaña el virus a la célula para hacerla creer que es parte de ella?

Comparación de los virus sin envoltura (A) y con envoltura (B)

1-cápside, 2-ácido nucleico, 3-capsómero, 4-nucleocápside, 5-virión, 6-envoltura, 7-espículas.

Ya vimos que el virus logra entrar a la célula a través del mecanismo celular de la endocitosis. Pero ¿Cómo logra el virus “engañar” a la célula para hacerla “creer” es parte de ella? La cápside vírica o envoltura vírica conforma una bicapa lipídica (una delgada membrana polar formada por dos capas de moléculas de lípidos) unida hacia el exterior por glucoproteínas que están codificadas en el genoma vírico. Como se puede deducir de su nombre estas proteínas están unidas a uno o varios glúcidos (biomoléculas compuestas principalmente de carbono, hidrógeno y oxígeno). Que, además de la función estructural; también cumplen la función de reconocimiento celular cuando están presentes en la superficie de las membranas plasmáticas. Es precisamente ese gran parecido con las proteínas que conforman la superficie externa de la célula eucariótica, lo que permite y facilita la fusión de la membrana viral con la membrana celular de la célula huésped. Pero además los virus poseen envoltura vírica: estructura que rodea la cápside vírica de algunos virus, principalmente virus animales. También, poseen un tipo especial de proteínas llamadas “proteínas de fusión» instaladas dentro la cápside vírica, facilitan ese proceso.

¿Cómo lo hacen?

Una analogía habitual para describir estas interacciones es el acoplamiento de una cerradura [epítopo] con su llave [parátopo].

Aunque las proteínas de fusión tienen estructuras proteicas bastante variadas, todas ellas parecen tener el mismo mecanismo de acción: todas sufren un cambio de conformación con el fin de unir ambas membranas Por ejemplo, frecuentemente las glucoproteínas virales se agrupan para formar púas o espinas llamadas espículas que entre otras funciones, cumplen la del reconocimiento celular donde estén presentes en la superficie de las membranas plasmáticas que sirven para identificar y unirse a los puntos receptores en la membrana del huésped y a su vez funcionan como antígenos virales que evitan la formación de anticuerpos. Así como una respuesta inmunitaria por parte del sistema inmunitario. Recordemos que un antígeno es una molécula exógena ajena y tóxica para la célula, una vez dentro de ella, se une por alta afinidad a un anticuerpo específico. En igual forma, cada anticuerpo es capaz de lidiar únicamente con un antígeno específico. Eso por cuanto, para que el antígeno sea reconocido por el anticuerpo, ambos deben interactuar por complementariedad espacial en una región conocida como la región determinante de complementariedad del anticuerpo que es una secuencia corta de aminoácidos que se encuentra en los dominios variables de proteínas que cumplen con la función de receptor de antígenos para las inmunoglobulinas y los receptores de linfocitos T que “complementan” al antígeno y le dan al receptor su especificidad para el mismo antígeno específico. La zona donde el antígeno se une al anticuerpo recibe el nombre de epítopo o determinante antigénico, y al área correspondiente en la molécula del anticuerpo se llama parátopo.

¿Cómo pasa el virus a ser parte de nuestro ADN?

Pero los virus no solo logran “engañar” a la célula para hacerla “creer” que son parte de ella. De hecho, una vez que infectan a la célula huésped, pasan a ser parte de ella. Específicamente de su ADN. Para eso, los virus utilizan diferentes mecanismos para poder replicar su material genético durante el proceso de la transcripción genética y así poder expresar su mensaje en una molécula de ARN y así dirigir las etapas intermedias de la síntesis proteica durante la traducción genética y valga la redundancia, traducir del mensaje genético que producirá las proteínas víricas que formarán la cápside. Así como, las proteínas necesarias para el ensamblaje de las piezas del virus, el reconocimiento celular y la fusión de membranas. Los diferentes tipos utilizan diferentes tipos de mecanismos.

Esquema el ciclo lisogénico y lítico de la replicación viral.

Fuente: Ciclo de Lwoff – Replicación viral

Los virus con ADN realizan la replicación de ADN de la misma manera que las células eucarióticas.

En el caso de los virus con ADN monocatenario, previo a la replicación se sintetiza la cadena de ADN complementario (ADNc) que forma la doble hélice.

Los virus con ARN replican su material genético sin la necesidad de pasar por ADN. En ellos, cada cadena de ARN actúa como molde para la síntesis de su forma complementaria.

Los retrovirus (retroviridae) constituyen una clase especial de virus de ARN monocatenario de polaridad positiva. Se pueden replicar a partir de una forma intermedia de ADN bicatenario. El proceso se lleva a cabo mediante una enzima de tipo ADN-polimerasa, la transcriptasa inversa que sintetiza el ADN de doble cadena utilizando como molde ARN monocatenario.

¿Cómo se detecta un virus en humanos?

Para finalizar el entendimiento generalizado de lo que es un virus debemos precisar ¿Cómo se detecta un virus en humanos? El diagnóstico virológico en seres humanos puede agruparse en seis tipos de pruebas que varían en su complejidad y diagnóstico. Todas deben realizarse siguiendo estrictamente los protocolos establecidos para cada una de ellas. Las pruebas son:

1. Muestreo

Como es de esperarse, el tipo de muestra que se realice (muestreo) dependerá del tipo de infección viral que se vaya a diagnosticar y a la vez, el diagnóstico dependerá de la o las pruebas a realizar. Por ejemplo, para el diagnóstico en sangre se utilizan pruebas serológicas, que permiten la detección de anticuerpos y antígenos en la sangre y a través de esta, se detecta el tipo de infección viral.

La prueba de esputo consiste en el análisis una pequeña cantidad de secreción sero mucosa o flema que se produce en los pulmones, bronquios, tráquea, laringe, faringe, y que se arroja a través de la expectoración y la tos.

Las muestras fecales se usan para determinar la presencia de agentes causantes de gastroenteritis viral.

Otro tipo de pruebas de diagnóstico se realizan mediante muestras de tejidos o fluidos que incluyen: biopsias, el líquido cefalorraquídeo y la sangre seca.

2. Cultivo celular

Como su nombre lo indica, el cultivo celular es el proceso (bioproceso) mediante el cual se cultivan células procariotas o eucariotas en condiciones controladas.

En la práctica, el término «cultivo celular» se utiliza para el cultivo de células aisladas, principalmente de eucariotas pluricelulares, y particularmente de células animales (como las humanas).

En la figura: células epiteliales en cultivo, con tinción roja para Resaltar la queratina y verde para el DNA. Fuente: Wikipedia.

3. Detección por rastreo de anticuerpos

La detección por rastreo de anticuerpos está basada en el principio de inmunidad humoral que es el principal mecanismo de defensa contra los microorganismos extracelulares y sus toxinas. Cuando el sistema inmunitario entra en contacto con un virus, produce anticuerpos específicos contra dicho virus mediante las de inmunoglobulinas.

La medición de los niveles presentes en la sangre de dos de estas inmunoglobulinas: la inmunoglobulina M (IgM) y la inmunoglobulina G (IgG) se utiliza como de test de inmunidad. La presencia de IgM en la sangre se utiliza para detectar una infección aguda. La presencia de IgG indica una infección recurrente.

En la figura: expansión clonal de linfocitos (6) procedentes de células madres (1) incapacitados de reconocer antígenos propios (3), maduran (4) hasta reconocer antígeno extraño (5).

Fuente: “Inmunidad humoral” (Wikipedia)

4. Detección de antígeno

La principal prueba de detección de antígeno viral, tiene nombre propio, se llamada ELISA del acrónimo del inglés Enzyme-Linked Immuno-Sorbent Assay o ‘Ensayo por Absorción-Inmune de Enzimas-Ligadas’. Es un inmunoensayo en la cual un antígeno inmovilizado se detecta mediante un anticuerpo ligado (enlazado) a una enzima capaz de generar un producto detectable. En este caso, un cambio de color.

La intensidad de color se puede medir directamente mediante un equipo de espectrofotometría que relaciona indirectamente la intensidad de color con la concentración de antígeno en la muestra.

En la figura: la técnica ELISA. Fuente: Wikipedia.

Además, existen otras pruebas de diagnóstico que pueden realizarse en laboratorio clínico como la inmunohistoquímica que permite: detectar, amplificar y hacer visible un antígeno específico (generalmente una proteína). Para luego proceder a identificar la localización específica de dicho antígeno a nivel tisular o celular. La técnica se basa en la utilización de anticuerpos que se unen específicamente a la sustancia (marcador) que se quiere identificar (antígeno primario).

En la figura: Inmunohistoquímica. Islote pancreático marcado con diferentes anticuerpos. Izquierda: para antígeno primario insulina (verde), antígeno primario glucagón (rojo), antígeno primario colágeno (amarillo). Derecha: sólo se muestra el canal de fluorescencia de la matriz extracelular (amarillo) sobreimpuesto a la imagen de fondo claro.

Y la inmunofluorescencia es una técnica de inmunomarcación que hace uso de anticuerpos químicamente unidos a una molécula fluorescente como el isotiocianato de fluoresceína. La cual aprovecha la capacidad que tienen los anticuerpos para unirse con alta especificidad a una determinada molécula blanco. Para visibilizar la presencia de esa molécula en el tejido o la célula, exponiendo la muestra tratada a una fuente de luz monocromática (generalmente de onda corta: ultravioleta o azul) seleccionada por medio de un monocromador. La luz de onda corta genera a su vez, un fenómeno de fluorescencia en la molécula marcadora que, a su vez emite luz en la longitud de onda contraria; o sea, más larga (verde, amarillo o naranja).

En la imagen: microfotografía de un corte histológico de piel humana preparado por inmunofluorescencia directa utilizando un anticuerpo anti IgG. Fuente: “Inmunofluorescencia” (Wikipedia).

5. Detección del material genético del virus

La detección del material genético del virus (ADN o ARN) se realiza por medio de la reacción en cadena de la polimerasa o PCR por sus siglas en inglés (polymerase chain reaction). Su objetivo es obtener un gran número de copias de un fragmento de ADN particular en teoría, partiendo una copia del fragmento original.

En la práctica, se utiliza una cantidad mínima de ADN original como molde de copiado para el ADN amplificado.

En la figura: gel de agarosa teñido con bromuro de etidio que muestra varios productos de PCR obtenidos mediante el uso de distintos cebadores, los cuales presentan un bajo nivel de especificidad.

En la imagen: termociclador: aparato en el que se efectúa la PCR convencional. Fuente: “PCR” (Wikipedia)

También hay variaciones de la PCR como la PCR tras transcripción inversa y la PCR en tiempo real que se utilizan para determinar cargas virales en el suero (plasma sanguíneo) del paciente. Estas técnicas se utilizan como métodos de análisis clínico cuando los pacientes padecen de infecciones por retrovirus como la infección por el virus de la inmunodeficiencia humana o VIH.

6. Secuenciación del genoma

El paso final en la determinación de un es la secuenciación del genoma. Eso es especialmente relevante para poder determinar el tipo de infección que presenta un paciente cuando el virus es desconocido o ha mutado. Ya que, una variación en el genotipo viral puede a su vez, variar la vía de transmisión, la virulencia y, por ende, el tratamiento. En algunos casos, mutaciones específicas que el paciente muestre. Deben analizarse para determinar el tratamiento específico. Así como, la susceptibilidad a una futura infección. Recordemos que, secuenciación del genoma consta de varios procesos de laboratorio (bioprocesos) que determina la secuencia completa del ADN en el genoma del organismo analizado. Eso comprende la secuenciación de todos los cromosomas del organismo. Así como, del genoma mitocondrial (ADN Mitocondrial Nuclear) y en el caso de las plantas, el Genoma Cloroplástico (ADN de los Cloroplastos).

Gráfico de una secuencia de ADN obtenido por electroforesis capilar (electroferograma).

COMPONENTES DE LAS VACUNAS antivirales

Toda vacuna antiviral debe incluir los siguientes componentes:

Antígeno inmunizante.

Es el compuesto que desencadena la formación de anticuerpos que causa la respuesta inmunitaria.

Líquido de suspensión.

Es la solución salina, agua destilada y otros productos derivados de los cultivos que se utiliza como vehículo para suspender el agente activo de la vacuna.

Preservantes, estabilizantes y antibióticos.

Se utilizan para estabilizar física y químicamente los distintos componentes; así como para impedir la contaminación (antibióticos) y la degradación (preservantes) de la vacuna.

Adyuvantes.

Son compuestos incorporados a las vacunas para aumentar la inmunogenicidad de los antígenos y prolongar su efecto en el organismo del paciente. Para así disminuir la cantidad de antígeno y el número de inyecciones de refuerzo.

tipos de vacunas antivirales y cómo funcionan

Existen 4 tipos de vacunas antivirales principales:

Vacunas vivas atenuadas

Como su nombre lo indica, se basan en una forma debilitada (atenuada) del virus patógeno que causa la infección.

La forma de atenuar o debilitar el virus es mediante cultivos sucesivos del virus en medios de cultivo que reducen su patogenicidad por los compuestos antivirales que contienen. Hasta conseguir una reducción de la virulencia, pero conservando la capacidad inmunogénica.

La forma de actuar es que, tras su administración al paciente (vacunación), el virus produce una infección inaparente; es decir, que genera una respuesta inmunitaria similar a la que hubiese producido la infección natural (humoral y celular), pero muy atenuada.

Nota: debido a su fuerte respuesta inmunitaria, suele ser suficiente una sola dosis de vacuna viva para proteger de por vida.

Vacunas inactivadas

Las vacunas inactivadas son una versión muerta del virus patógeno por lo que, no suelen proporcionar una inmunidad tan fuerte como las vacunas vivas. Y requieren varias dosis (vacunas de refuerzo) para avanzar en el tiempo hacia la inmunidad completa.

El virus patógeno se inactiva por métodos físicos o químicos.

Vacunas de subunidades

Contienen partes específicas de virus como alguna de sus proteínas o de los polisacáridos contenidos en la cápside viral.

Al igual que las vacunas vivas, ofrecen una respuesta inmunitaria fuerte, al estar dirigidas a partes específica del virus. No obstante, esta respuesta no es tan fuerte y definitiva con en las vacunas viva. Por eso, como las vacunas inactivas, es posible que se necesiten vacunas de refuerzo.

Vacunas con toxoides

Se basan en toxinas producidas por los propios virus. Crean inmunidad a la toxina que causa la enfermedad en lugar de al virus en sí. Eso elimina el poder patógeno del virus, pero potencia la capacidad inmunogénica del organismo del paciente.

Vacunas combinadas

Son aquellas que combinan más de un antigénico como parte de su composición. Estos pueden provenir del mismo virus ser una combinación de varios virus. Por lo que, la formulación de este tipo d vacunas requiere garantizar la estabilidad física, química y biológica de todos sus componentes. Principalmente los antígenos.

Etapas (actividades) de la fabricación de una vacuna antiviral

La Organización Mundial de la Salud (OMS) estableció cuatro etapas (actividades) para los Centros Colaboradores de la OMS. Y cinco actividades para los centros fabricación de vacunas antivirales que van desde la identificación del nuevo virus hasta la liberación de la vacuna.

Las actividades en los centros colaboradores de la OMS son:

1. La identificación del virus nuevo.

Los laboratorios de todo el mundo que forman parte de la Red de Vigilancia en los diferentes países recogen muestras de los virus circulantes y los envían a los Centros Colaboradores de la OMS alrededor del mundo para su identificación.

2. Obtención de la cepa vacunal.

Se denomina cepa vacunal o virus vacunal a la cepa del virus inactiva o atenuada en su patogenicidad.

3. Verificación de la cepa vacunal.

La cepa virus inactivo y/o atenuado debe ser sometida prueba para comprobar que produce las proteínas específicas de la cepa pandémica que causan la enfermedad. Así como, su inocuidad y/o poca reactividad para el organismo que la recibe.

4. Preparación de los reactivos para someter a prueba la vacuna (reactivos de referencia).

Dado que la vacuna antiviral no sólo se compone del agente antiviral (antígeno), los centros colaboradores de la OMS deben preparar otras sustancias llamadas reactivos. Y estandarizarlas para que todos los fabricantes puedan cuantificar el rendimiento y envasar las dosis correctas de la vacuna.

Las actividades en las fábricas productoras de vacunas son:

1. Optimización de las condiciones de multiplicación del virus.

El virus vacunal debe someterse en fábrica a distintas pruebas para determinar las mejores condiciones que permitan su producción a pequeña escala.

2. Fabricación de la vacuna a granel.

Una vez determinadas las condicione optimas de producción a pequeña escala, la producción del virus vacunal puede escalar a escala industrial o producción a granel.

3. Control de la calidad.

El control de calidad es una etapa determinante e indispensable para garantizar la seguridad de la producción industrial de la vacuna antiviral por lo que, solo puede empezar cuando los laboratorios de la OMS proporcionan a los fabricantes los reactivos para las pruebas, según lo descrito anteriormente.

4. Envasado y liberación de la vacuna.

Cada lote de la producción industrial de la vacuna debe diluirse para alcanzar la apropiada concentración del antígeno. Después de esto, el producto resultante (vacuna) puede ser envasado en frascos o jeringas debidamente etiquetados.

5. Estudios clínicos.

Cada nueva vacuna antigripal debe someterse a prueba y ensayos clínicos en personas y evaluar sus resultados antes de liberarse definitivamente en el mercado.

Actividades de los organismos de reglamentación: la aprobación oficial

Cada país tiene sus propias reglas y reglamentos para la aprobación reglamentaria de vacunas. Idealmente, todo el proceso puede llevarse a cabo en cinco o seis meses. Solo entonces se podrá empezar a distribuir y utilizar la vacuna anti pandémica.

Clave: Las flechas con líneas de puntos precedidas de flechas con líneas continuas indican el tiempo que transcurre la primera vez que se realiza una actividad (líneas continuas) que después se repite (líneas de puntos). La línea continua indica que la actividad se realiza en un periodo finito.

Fuente: OMS | Las etapas de la fabricación de la vacuna contra la gripe pandémica y su duración

Proyecto Integrado de Síntesis de Combustibles A Partir de Basura y Biomasa Con Cogeneración Eléctrica y Producción de Biocombustibles de Micro Algas Consumidoras de CO2 (Captura de CO2) por Reinhard Acuña Torres, Consultor en Biotecnología Aplicada

Proyecto Integrado de Síntesis de Combustibles A Partir de Basura Con Cogeneración Eléctrica y Producción de Biocombustibles A Partir de Micro Algas Consumidoras de CO2
Por Reinhardt Acuña Torres, Consultor en Biotecnología Aplicada

Un “Proyecto Integrado de Síntesis de Combustibles A Partir de Basura Con Cogeneración Eléctrica y Producción de Biocombustibles A Partir de Micro Algas Consumidoras de CO2”, es una iniciativa propia que he tenido en mente desde hace años, a la espera de encontrar financiamiento por parte de algún país interesado o de la gran empresa privada; ya que, ciertamente, es un proyecto muy oneroso y que no puede ser desarrollado a pequeña escala. Pero tiene la gran ventaja estratégica de que se enmarca dentro de varios marcos; entre ellos: el Desarrollo Auto-Sustentable, el Tratamiento y Aprovechamiento de los Desechos Sólidos Orgánicos (Basura Orgánica), la Captura de CO2 y la Carbono Neutralidad.

Síntesis de Combustibles Químicos A Partir de Basura Orgánica Sólida

Como proyecto integrado, o más bien, como integrador de proyectos, persigue varios objetivos primarios. El primero de ellos es sintetizar combustibles químicos; esto es, fabricarlos, a partir de materia prima orgánica. Ya que, los combustibles químicamente son hidrocarburos. Específicamente (en este caso), hidrocarburos alifáticos. Y más específicamente: parafinas y olefinas. Como la intención encontrar un uso práctico para la basura orgánica dentro del marco del desarrollo sostenible y que la basura no se bote y acumule en vertederos, como tristemente se acostumbra en muchos países. Muestra materia prima será basura orgánica; eso sí, los desechos orgánicos deben estar secos y compactados. Puesto que, para convertirlos en combustible, irónica y paradójicamente, deben ser ‘quemados’ y convertidos en gases combustibles a alta temperatura; esto es en gas de combustión que contiene cantidades variables de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H₂). Es lo que en la industria química se conoce como gas de síntesis.

Gas de Síntesis

El gas de síntesis (Syngas, en inglés) es un combustible gaseoso obtenido a partir de sustancias ricas en carbono tales como: hulla, carbón, coque, nafta y por supuesto biomasa, sometidas a un proceso químico de alta temperatura. Contiene cantidades variables de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H₂) que dependen del método de producción usado: gas de alumbrado o gas de hulla; gas de coque o gas de coquería; gas de generador (gasógeno) o gas de aire; gas de agua; gas ciudad entre otros.

En nuestro caso nos interesan, por las razones que veremos más adelante, principalmente dos métodos de producción.

Gas de generador (gasógeno) o gas de aire: que se obtiene haciendo pasar aire a través de una capa gruesa de gránulos de carbón o de coque incandescente. Cuyas reacciones químicas son las siguientes.

(1)

A mayor temperatura, mayor proporción de monóxido de carbono (CO) y menor proporción de dióxido de carbono (CO2). Esto tiene gran importancia por razones que también veremos más adelantes

Gas de agua: que se obtiene haciendo pasar vapor de agua (H2O) sobre coque (C) a alta temperatura.

(2)

Su llama es de color azul por lo que también se llama gas azul. Este gas se puede transformar en metanol o alcanos, empleando catalizadores heterogéneos apropiados. Esta reacción es fuertemente endotérmica por lo que requiere temperaturas muy altas. Dando respuesta a la razón planteada en (1).

El gas de síntesis también se utiliza como producto intermedio en la producción de petróleo sintético, a través de la síntesis de Fischer-Tropsch. Pero eso lo veremos más adelante; por ahora veamos algunas de las aplicaciones del gas de síntesis en la Figura 1.

1– Gas de Síntesis

Aplicaciones del gas de síntesis.

2- Gasificación de la Biomasa

Así las cosas y en estrecha relación con nuestro tema, ¿cómo obtenemos el carbón (C) necesario para producir el gasógeno (1) y luego el gas de agua (2) requeridos para la síntesis de Fischer-Tropsch. Convirtiendo la basura orgánica seca y compactada en gas de síntesis a través de un proceso termo-químico que convierte la biomasa (normalmente de origen leñoso), en gas combustible conocido como gasificación de la biomasa. Ver Figura 2. Nótese que la principal diferencia entre la biomasa gasificada y el gas de síntesis está en que, el gas producido contiene CO, H₂, CH₄, CO₂, N₂, vapor de agua entre otros componentes. Pero principalmente en que, la biomasa gasificada tiene menor poder calorífico (entre 1.000 kCal/ Nm³ y 3.000 kCal/ Nm³ ), por lo que se le considera un ‘gas pobre’. Ver Figura 2.

2- Gasificación de Biomasa

Esquema de una planta de gasificación de lecho fluido burbujeante.

3- Proceso de Fischer-Tropsch

Una vez gasificada la biomasa, se puede utilizar como producto intermedio en la producción de combustibles (petróleo sintético). Esto se hace a través de un proceso desarrollado durante la II Guerra Mundial conocido como síntesis de Fischer-Tropsch. Fue inventado por los alemanes Franz Fischer y Hans Tropsch en 1925. Y sus principales reacciones son:

(Para la producción de parafinas)

(Para la producción de olefinas)

Se trata (en ambos casos) de reacciones muy exotérmicas; es decir, que liberan una gran cantidad de calor que se llevan a cabo sobre catalizadores de cobalto o hierro. Para maximizar el rendimiento se requiere de una presión alta, típicamente de entre 20 y 30 bar y una temperatura de entre 200 y 350 °C. La temperatura es el factor limitante de la reacción; ya que, por encima de los 400 °C, la formación de metano (CH4) resulta excesiva.

Como en todo proceso químico que involucra catálisis y polimerización, se presentan reacciones secundarias e indeseadas:

(Producción de metano)

(Producción de alcoholes)

(Deposición de carbono sólido)

Las reacciones que conducen a la producción de parafinas y de olefinas dentro del proceso Fischer-Tropsch son reacciones de polimerización, que consisten en cinco pasos básicos:

Adsorción de CO sobre la superficie del catalizador;
Iniciación de la polimerización mediante formación de radical metilo (por disociación del CO e hidrogenación);
Polimerización por condensación (adición de CO y H₂ y liberación de agua);
Terminación;
Desorción del producto.

La velocidad de reacción está limitada por la cinética y en particular por el paso de polimerización por condensación. La distribución de pesos moleculares en el producto puede ser predicho aproximadamente por el modelo de Anderson-Schulz-Flory:

Donde W_n es la fracción en peso de producto con n átomos de carbono y a es la probabilidad de crecimiento de cadena, función de las condiciones de reacción (catalizador, temperatura, presión y composición del gas).

En resumen, el Proceso Fischer-Tropsch es utilizado para la producción de hidrocarburos líquidos tales como: gasolina, keroseno y gasoil; a partir de gas de síntesis (CO y H₂). Ver Figura 3.

3- Proceso Fischer-Tropsch

Generación y Cogeneración Eléctrica

Como vimos anteriormente, la temperatura óptima para el proceso de síntesis de combustibles de Fischer-Tropsch, no es alta (entre 200 y 350 °C); más bien, podría considerársele baja. No obstante, es suficiente para generar el calor suficiente para en agua (H2O) en fase gaseosa y más allá de su punto de condensación; esto es, a la derecha de los límites de la curva de vaporización (curva azul). Ver la Figura 4.

4- Diagrama de Fases

El vapor sobrecalentado de agua permite que se lleve a cabo un procedimiento mediante el cual se puede obtener simultáneamente: energía eléctrica y energía térmica útil. Por ejemplo, para producir vapor de agua (condensable). O bien, agua caliente sanitaria. Dicho proceso recibe el nombre de cogeneración y su principal objetivo es mejorar la eficiencia energética en contraste con una central eléctrica o una caldera convencionales. La conversión o transformación de energía térmica o calórica a energía eléctrica se realiza primero, a través de una turbina de vapor que es una turbomáquina motora que, transforma la energía del flujo del vapor sobrecalentado en energía mecánica. Esto lo hace a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo; o sea, el vapor sobrecalentado y el rodete, que es el dispositivo principal de la turbina; el cual cuenta con múltiples palas o álabes; los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético (transferencia de energía). Ver Figura 5.

5- Rotor de una turbina de vapor producida por Siemens, Alemania.

Luego, la energía mecánica de la turbina de vapor debe ser transformada nuevamente; ahora en energía eléctrica. Esta transformación se consigue gracias al electromagnetismo; por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos que están dispuestos sobre una armadura (denominada estátor) de un generador eléctrico, también llamado alternador por generar una corriente alterna. El movimiento relativo entre los conductores y el campo, producido mecánicamente por la turbomáquina motora, generará una fuerza electromotriz (F.E.M.) o voltaje inducido, que es lo que, en términos generales conocemos como una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Este sistema está basado en la ley de Faraday. Ver Figura 6.

6- Esquema de un alternador simple

No obstante, el rango de temperaturas que alcanza el proceso de producción de gas de síntesis es mucho más elevado: fácilmente triplica e incluso cuadruplica la temperatura promedio del Proceso Fischer-Tropsch. Volviendo al Diagrama de Fases(Figura 4), eso permite no sólo que el agua (H2O) mantenga siempre su estado de gas. Sino también que lo conserve luego de haber pasado por un proceso termodinámico de conversión de calor en trabajo; tal como el que ocurriría en el proceso de conversión de calor en trabajo a través de una turbina de vapor. Eso permite a su vez, la utilización de otro tipo de turbina, más eficiente, una turbina de gas, una turbomáquina motora cuyo fluido de trabajo es un gas. Por eso, las turbinas de gas son utilizadas en ciclos de potencia como el ciclo Brayton. Pero hay una ventaja más, la elevada temperatura de los procesos de producción de gas de síntesis permite el uso de ciclos combinados para la producción de electricidad. Se denomina ciclo combinado de generación de energía a la coexistencia de dos ciclos termodinámicos dentro un mismo sistema de generación. El primero de ellos utiliza como fluido de trabajo un gas de alta temperatura producto de una combustión. El segundo un fluido de trabajo de menor contenido y calidad energética como el vapor de agua y otro. Ver Figura 7.

7- Esquema del funcionamiento de una central de ciclo combinado 1.-Generadores eléctricos 2.-Turbina de vapor 3.-Condensador. 4.-Bomba impulsora 5.-Intercambiador de calor 6.-Turbina de gas

Producción de Biocombustibles a Partir de Microalgas Oleaginosas

Como vimos en la producción de en gas de síntesis se produce una reacción secundaria de conversión (reacción de shift, en inglés), la cual convierte parte del vapor de agua (H2O) en hidrógeno (H2), al reaccionar con el monóxido de carbono (CO):

(2)

Pero el dióxido de carbono (CO₂), también se forma a través del proceso de combustión completa que se da durante la gasificación de la biomasa. El CO2 producido de ambas fuentes puede ser utilizado para alimentar microalgas oleaginosas que, a su vez, pueden ser utilizadas para producir biocombustibles tales como bioetanol y el biodiésel. Ver Figura 8.

8- Cultivo de microalgas

El bioetanol se produce mediante la fermentación anaeróbica de los azúcares contenidos dentro del cuerpo (célula) de las microalgas con levadura en una solución acuosa y posterior a una breve destilación.

El biodiésel a partir de lípidos naturales de las microalgas, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación.

Ver Figura 9. Muestra de biodiésel.

En las microalgas todo se aprovecha, su pared celular es rica en proteínas y otros polímeros orgánicos que pueden ser utilizados para nutrición animal; o bien, para producir biogás (metano:CH4) otro biocombustible.

Captura y Fijación de Carbono

Quizás el mayor aporte de las microalgas está en la captura y almacenamiento de carbono atmosférico (CAC o CCS, por sus nombre en inglés carbon capture and storage); esto es, en la “propuesta de una técnica para retirar dióxido de carbono de la atmósfera o, más comúnmente, evitar que llegue a ella”. Eso por cuanto, la velocidad de fijación de carbono; esto es, la conversión de carbono inorgánico (en forma de dióxido de carbono) en compuestos orgánicos de las microalgas es muy superior a la de los cultivos agrícolas tradicionales dedicados a tal propósito. Ver Figura 10.

10- Fases en el crecimiento de los cultivos de algas ilustradas con una típica curva de crecimiento para el gran flagelado verde, Tetraselmis suecica.

Fuente: Cultivo de algas: FAO.

Eso sin mencionar que el rendimiento (producción) de aceite por hectárea por año, también es muy superior. Ver Figura 11.

11- Producción de aceite

Fuente: MICROALGAS OLEAGINOSAS

Fomentando de esa forma la economía baja en carbono y el desarrollo sostenible dentro del marco de la neutralidad de carbono.

Los números de 2012

Los duendes de las estadísticas de WordPress.com prepararon un informe sobre el año 2012 de este blog.

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Producción Biotecnológica de Hidrógeno y Uso de Foto Bioreactores

REINHARDT ACUÑA TORRES

Introducción

En anteriores artículos quedo demostrado que la producción de biocombustibles a partir de microalgas es la mejor alternativa ecológica frente a la producción de combustibles fósiles. A pesar del beneficio ecológico, siempre existe un porcentaje de emisiones de carbono (CO2) que no se recupera con el secuestro de carbono por parte de las microalgas. El hidrógeno es un gas combustible 100% ecológico (su combustión produce vapor de agua) que también puede ser producido biológicamente por diversos microrganismos y utilizando distintas vías metabólicas. Así entonces, la producción biológica de hidrógeno se realiza en diferentes bioreactores según sea el bioproceso metabólico realizado y el tipo de microrganismo utilizado.

Producción Biológica de Hidrógeno (Biohidrógeno)

Existen cuatro bioprocesos metabólicos por los que puede producirse biológicamente el hidrógeno:

Biofotólisis del agua (Directa e Indirecta)
Fotofermentación
Water-shift reaction biológica
Fermentación oscura

Tabla 1. Reacciones generales implicadas en la producción de bio-hidrógeno

Proceso	Reacción General	Microrganismo
Biofotólisis Directa: Fase Luminosa	2H₂O + luz → 2H₂ + O₂	Microalgas, Cianobacterias
Fotofermentación	CH₃COOH + 2H₂O + luz → 4H₂CO2+₂	Bacterias Púrpuras, Microalgas
Biofotólisis Indirecta: Reacciones de la Fase Oscura (a,b,c)	(a) 6H ₂O + 6CO₂ + luz → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (b) C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CH₃COOH + 2CO₂ (c) 2CH₃COOH + 4H₂O + luz → 8H₂ + 4CO₂	Microalgas, Cianobacterias
En general la reacción: 12H₂O + luz → 12H₂ + 6O₂
Water-Shift Reaction	CO + H₂O → CO2 + H ₂	Microrganismos fermentativos, bacterias fotosintéticas
Fermentación Oscura en Dos Fases: H2 + CH₄	(a) C₆ H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CH₃COOH + 2CO₂ (b) 2CH₃COOH = 2CH₄ + 2CO ₂	Microrganismos fermentativos, bacterias metanogénicas
Fermentación Oscura de alto rendimiento	C₆ H₁₂O₆ + 6H₂O → 12H₂ + 6CO ₂	Microrganismos fermentativos

Enzimas Hidrogenasa y Nitrogenasa

Todos los bioprocesos metabólicos de la biofotólisis están controlados por enzimas que producen hidrógeno; de cuales existen dos tipos: hidrogenasa y nitrogenasa.

Las hidrogenasas existen en la mayoría de los microrganismos fotosintéticos y se clasifican en dos categorías:

1. Hidrogenasas de captación o irreversibles

2. Hidrogenasas reversibles.

Producción de Hidrógeno mediada por la Hidrogenasa

Las hidrogenasas de captación actúan únicamente como catalizadores para el consumo de hidrógeno; por eso son irreversibles. Las hidrogenasas reversibles como su nombre lo indica, tienen la capacidad tanto de producir hidrógeno como de consumirlo, en función de las condiciones de reacción y de iluminación.

La hidrogenasa reversible es la enzima responsable de la producción de hidrógeno, catalizada por la siguiente reacción:

2H ⁺ + 2X_red↔ 6H₂ + 2X_oxdEl portador de electrones (X) usualmente es la ferredoxina (Fd) esta se reduce con el agua como donador de electrones por la reacción fotoquímica de la biofotólisis.

Producción de Hidrógeno mediada por la Nitrogenasa

Las nitrogenasas son responsables de la fijación del nitrógeno, se distribuyen principalmente entre los procariotas (incluyendo cianobacterias) y no se producen en las células eucariotas (bajo las cuales se clasifican microalgas). El nitrógeno molecular se reduce a amoniaco por el consumo de poder reductor (mediado por ferredoxina) y ATP. La reacción es sustancialmente irreversible y produce amoníaco:

N2 + 6H1⁺ + 6e^–2HN₃

12ATP 12 (ADP + Pi)

Luego, en una reacción secundaria la nitrogenasa cataliza la reducción de protones en la ausencia de nitrógeno

2H⁺ + 2e^–H₂

Esquema del mecanismo fotosintético que genera poder reductor (NADPH) y ATP para la posterior fijación de CO2

4ATP 4 (ADP + Pi), atmósfera de argón.

La nitrogenasa es extremadamente lábil en presencia de oxígeno gaseoso; a diferencia de, la hidrogenasa, que lo produce. Sin embargo, las cianobacterias han desarrollado mecanismos de protección de nitrogenasa del gas oxígeno. Otros factores son: el alto suministro de energía ATP dependiente y la reducción de potencia. Para contrarrestar todas estas deficiencias los microrganismos han desarrollado diferentes mecanismos; el mecanismo más exitoso es la localización de la nitrogenasa en los heterocistos de las cianobacterias filamentosas; durante la fotosíntesis oxigénica, los compuestos orgánicos producidos por la reducción del CO2, se transfieren a los heterocistos y se descomponen para proporcionar nitrogenasa con la reducción de potencia (se genera poder reductor); el ATP es proporcionado por la PSI-dependiente dentro de heterocistos en la fotosíntesis anoxigénica.

Biofotólisis del Agua

Esquema de la Biofotólisis

La biofotólisis es la foto disociación del agua por microrganismos vivos; es decir, la disociación de agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía solar y microrganismos fotosintéticos (microalgas verdes y cianobacterias); la reacción global es: H2O + 2H+ —> H2 + 1/2(O2) + 2H+; G° = 238 kJ/mol. Los microrganismos capturan la energía de la luz a través de sus clorofilas y pigmentos fotosintéticos. Estos últimos, son los encargados de absorber los fotones (partículas de luz) y generar el poder oxidante (gradiente de protones) capaz de descomponer el agua en protones (H+) y electrones (e-) y oxígeno gaseoso (O2) en el proceso iluminado de biofotólisis directa.

Los electrones producidos generan un gradiente que favorece la reducción de la ferredoxina (Fd) y de otros intermediarios energéticos en la fotosíntesis. Ese poder reductor es utilizado para reducir el CO2 hasta la formación de carbohidratos (almidón en microalgas y glicógeno en cianobacterias) y lípidos (usados para crecimiento celular y como reserva energética y de sustrato); como parte del metabolismo celular de los microrganismos. A partir de estos sustratos metabólicos (metabolitos) los diferentes microrganismos pueden producir hidrógeno (H2) por biofotólisis indirecta.

Los microrganismos generan hidrógeno por dos razones:

1. Para eliminar el exceso de equivalentes reducidos,

2. Como bioproducto de la fijación del nitrógeno.

La producción de H2 mediante biofotólisis (directa o indirecta) depende de la presencia o ausencia de luz. La biofotólisis directa se lleva a cabo bajo una radiación luminosa; en tanto que la indirecta, en la oscuridad.

Esquema de la Biofotólisis Directa

Biofotólisis Directa

En la biofotólisis directa se eleva el nivel energético de los electrones del agua y enseguida ocurre de manera simultánea, la desintegración del líquido y la transferencia de electrones a la Fd, produciéndose de manera continua H2; no obstante, este no es utilizable como fuente de hidrógeno, ya que, sirve como almacén de una parte de la energía proveniente de la luz. Las cianobacterias filamentosas utilizan la enzima nitrogenasa para realizar la biofotólisis directa, mientras que, las microalgas unicelulares utilizan la enzima hidrogenasa reversible para realizar el mismo bioproceso. Se generan 2 moles de H2 por cada mol de O2 liberado, siendo las microalgas unicelulares las mejores productoras de H2 por esta vía (Brentner et al., 2010).

Biofotólisis Indirecta

Bajo condiciones especiales de oscuridad y ausencia de oxígeno (anoxigenia) la ferredoxina puede ser utilizada por las enzimas hidrogenasa y/o nitrogenasa para reducir protones y generar hidrógeno molecular: 2H+ + 2〖Fd〗– ↔ H2 + 2Fd. La biofotólisis indirecta consiste en la primera etapa de fotosíntesis útil para la acumulación de carbohidratos; los cuales son utilizados en una segunda etapa de fermentación oscura; en la que, se produce hidrógeno, a partir de estos (carbohidratos).

Producción de Hidrógeno por Biofotólisis Indirecta

Esquema del mecanismo de producción de bio-hidrógeno de la cianobacteria Cyanothece 51142 por medio de energía solar y CO2 atmosférico. El CO2 se fija durante el día para sintetizar glucógeno que sirve como una reserva de energía y la fuente de electrones para la producción de H2 por la noche.

Una cepa de un microrganismo marino de fijación de nitrógeno Cyanothece 51142 ha demostrado ser la forma más eficiente de producción de bio-hidrógeno hasta la fecha. Cyanothece 51142 es capaz de producir hidrógeno aeróbicamente ya que, controla sus procesos metabólicos por un reloj circadiano interno. Fotosintetiza durante el día y almacena carbono (CO2) como glucógeno; pero por la noche, realiza la fijación de nitrógeno mediante el glucógeno obtenido como fuente de energía y utilizando la nitrogenasa para convertir N₂ a NH₃con H₂ como subproducto. Aun cuando, el oxígeno esté presente, las altas tasas de respiración de Cyanothece son capaces de crear un ambiente anaerobio dentro de las células que permiten a la nitrogenasa poder funcionar. Biotecnológicamente se ha encontrado que para optimizar la producción de hidrógeno, las cianobacterias producen más si se cultivan en presencia de fuentes de carbono adicionales; siendo el glicerol, la más efectiva; con la enorme ventaja de que también es un producto de desecho de la producción industrial de biodiésel.

Mecanismos Combinados

Esquema de producción combinada de hidrógeno Alga: Bacteria Fotosintética

Mecanismos Combinados de Biofotólisis

Como parte de su esquema evolutivo y adaptativo, los micro-organismos generan el H2 y el O2 de manera separada y utilizando diferentes espacios y distintos tiempos. La finalidad es proteger las enzimas hidrogenasa y nitrogenasa de la acción del oxígeno; sobretodo la enzima hidrogenasa que es sumamente sensible a ese gas. Las cianobacterias y microalgas unicelulares utilizan ciclos de luz-oscuridad para proteger a las hidrogenasas reversibles; mientras que, las cianobacterias filamentosas, dado que son fijadoras de nitrógeno, poseen células especializadas (heterocistos) que son impermeables al O2 y que protegen a las nitrogenasas. Teniendo en cuenta que las microalgas son capaces de generar hidrógeno, produciendo ácidos orgánicos mientras que, las bacterias fotosintéticas, necesitan dichos ácidos orgánicos para la síntesis de hidrógeno; entonces, resulta lógico combinar ambos procesos de tal forma que, las microalgas generan hidrógeno y ácidos orgánicos o alcoholes de forma anaerobia, en la oscuridad, a partir de la materia orgánica presente ; de forma que, las bacterias fotosintéticas puedan emplear dichos compuestos orgánicos, para generar hidrógeno en condiciones de iluminación anaerobia. En este sentido, se debe implementar un sistema en dos fases. La Tabla 2 muestra un esquema general de las reacciones bioquímicas involucradas en la producción de H2 mediante estos mecanismos.

Tabla 2. Mecanismos de producción de bio-hidrógeno

Biofotólisis y Bioprocesos

A pesar de la alta eficiencia de conversión del sustrato y la elevada pureza del H2 producido (99.5%) mediante biofotólisis (Brentner et al., 2010) es necesario mejorar los rendimientos de productividad de los bioprocesos fotoquímicos, principalmente debido a la baja eficiencia fotoquímica que presentan la mayoría de los microrganismos fotosintéticos, en relación a la biofotólisis y la producción fotoquímica de hidrógeno. El problema se ha resuelto parcialmente diseñando fotobioreactores que permitan la adecuada penetración de la luz y la transferencia de energía entre las células y hacia los sistemas fotosintéticos relacionados.

También se investiga el uso de cepas mutantes de microalgas y cianobacterias; o el desarrollo de cepas transgénicas, a las cuales, por ingeniería genética, se les ha inhibido el funcionamiento de los complejos cosechadores de luz con la finalidad de mejorar el rendimiento del quantum fotosintético.

Con ingeniería metabólica se han diseñado cepas de cianobacterias deficientes de los genes que codifican para la hidrogenasa de respuesta, y con la capacidad aumentada de almacenaje de glicógeno (Brentner et al., 2010; Yu y Takahashi, 2007).

Diagrama propuesto para la generación de biohidrógeno por fotobioreactores de dos etapas.

Además, la sensibilidad de las hidrogenasas de microalgas al O2, se ha disminuido utilizando fotobioreactores de dos etapas:

1) Etapa 1 Aeróbica: en la primera etapa se produce la biomasa y se fotosintetiza (lumínica)

2) Etapa 2 Anaeróbica: en la segunda se produce H2; ésta se realiza en la oscuridad, al mismo tiempo que se mantiene con privación de azufre, lo que inhibe la producción de oxígeno.

Diseño del Bioproceso de Biofotólisis Indirecta

A nivel conceptual el diseño del bioproceso para la producción de biohidrógeno debe tomar en cuenta las siguientes operaciones:

1. Crecimiento de las microalgas o de las bacterias fotosintéticas

2. Concentración celular

3. Inducción de la hidrogenasa o la nitrogenasa

4. Control y Regulación del Fotoperiodo

5. Producción de Biohidrógeno en Foto Bioreactor

6. Operación Continua

1. Crecimiento de las microalgas o de las bacterias fotosintéticas

El crecimiento de la biomasa (microalgas o bacterias fotosintéticas) consiste en cultivar las microalgas o las bacterias fotosintéticas en estanques abiertos o lagunas y suministrarles los adecuados y requeridos nutrimientos para que se realice el proceso natural de fotosíntesis. La ecuación cinética de crecimiento de los microrganismos bacterianos, se rige mediante una reacción autocatalítica (reacción de primer orden): Donde: X = concentración de biomasa, kg/m³; t = tiempo, h; µ = tasa específica de crecimiento, h^-1. La tasa específica de crecimiento puede ser modelada según el Modelo Conjunto de Primer Orden y Orden Cero (Cinética de Blackman): µ = K_II Donde: µ = µ_max; cuando I>I_s e I<I_s, respectivamente. Recordando que la hidrogenasa es inhibida en presencia de oxígeno, el Modelo Hiperbólico Rectangular (similar al modelo de Monod y de Michaelis-Menten) es el que debe aplicarse para cinética enzimática: Donde: µ = tasa específica de crecimiento, h^-1; µ_max = tasa específica máxima de crecimiento, h^-1; I = intensidad de la luz, W/m²; K_I = coeficiente de saturación (modelo Monod) para la intensidad de luz, W/m². Alternativamente se puede aplicar el Modelo de Bannister: Donde µ es un factor de corrección empírico para el modelo. O el Modelo de Aiba: Donde K_i corresponde a una constante de inhibición, m²/W. El modelo de Aiba es el modelo más utilizado por simplicidad y adecuada descripción del comportamiento cinético de los microrganismos fotosintéticos; corresponde a un modelo tipo Monod, y puede ser fácilmente corregido para incorporar el efecto de inhibición mostrado por los cultivos frente a altas intensidades de luz. Para efectos de estudio, se ha considerado como ejemplo práctico una cinética de crecimiento tipo Monod, en que el sustrato limitante corresponde a la intensidad de la luz y para el que el coeficiente de saturación K_I y la tasa máxima de crecimiento específico, puede ser obtenidos gráficamente, utilizando los datos reportados por Janssen et al. (2000) que son presentados en la Figura 1.

Figura 1 Tasa de crecimiento específico (µ) de Chlamydomonas reindhardtii como función de iluminación continua de distintas densidades de flujo de fotones (PFDs)

A partir del gráfico presentado puede obtenerse: Chlamydomonas reindhardtii, al igual que la mayoría de los microrganismos fotosintéticos, responde a la luz de acuerdo a la ecuación: I(d) = I_o exp(-eXd) que describe la absorción de una luz incidente de intensidad I₀ a una profundidad d en el reactor. Donde: I(d) = intensidad de la luz absorbida a una profundidad d, W/m²; I₀ = intensidad de luz incidente, W/m²; e = coeficiente de extinción, m²/kg; X = concentración de la biomasa, kg/m³; d = profundidad, m. Estrictamente, esta relación es válida sólo para luz monocromática; pero puede ser utilizada para luz policromática, si se corrige el coeficiente de extinción (al considerar su dependencia con la longitud de onda).

Relaciones con la Luz

Cuando la luz pasa a través de un cultivo denso, la intensidad de luz absorbida decae rápidamente conforme aumenta la profundidad del foto-bioreactor; a nivel de superficie, la intensidad de luz absorbida debería ser igual al de la luz incidente; sin embargo, gracias a su aparato fotosintético, los microrganismos fotosintéticos son capaces de utilizar un máximo de luz incidente (denominado intensidad de saturación I_s), mediante el uso de mecanismos especializados en sus fotosistemas. Es = Ecuación de Bush corresponde a una razón corregida entre la luz aprovechada por el aparato fotosintético de las microalgas (I_s) y la luz incidente (I₀). Si la intensidad de luz incidente es mayor que la intensidad de saturación, la diferencia de energía se pierde como calor y el proceso disminuye la eficiencia.

2. Concentración Celular

Dado el gran volumen de líquido contenido en el cultivo celular y el microscópico tamaño de los microrganismos, es necesario concentrar la biomasa (separación líquido-sólido), a fin de evitar el sobredimensionamiento de los equipos en las etapas siguientes del proceso. La concentración de diseño del bioreactor debe ser óptima, de forma que permita una alta tasa de producción de biohidrógeno y un tamaño adecuado de los equipos (costo operacional versus costo de equipos). Si bien esta concentración no está especificada en la literatura, de acuerdo a Benneman (1998) debe ser entre 30-45 kg/m³. No obstante, estudios más recientes apoyan que se pueden obtener concentraciones 50 kg/m³ y mayores (hasta 50 kg/m³), manejando adecuadamente las condiciones de crecimiento y ambientales del cultivo microrganismos.

Fases de Crecimiento de Microalgas Fotosintéticas

Microalgas Fotosintéticas en Diferentes Fases de Crecimiento

3. Inducción de la Hidrogenasa y la Nitrogenasa

Una vez concentrada la biomasa, deben inducirse los mecanismos para que los microrganismos produzcan biohidrógeno por biofotólisis indirecta, mediante la activación de las enzimas hidrogenasa y nitrogenasa.

Inducción de la Hidrogenasa: la inducción de la hidrogenasa pasa por dos etapas; a saber:

Etapa Luminosa: de fotosíntesis, en donde se acumulan carbohidratos que se utilizarán en;

Etapa Oscura: o de fermentación oscura, en donde el cultivo debe ser sometido a condiciones de anaerobiosis y de oscuridad, que inducen la síntesis y actividad de la hidrogenasa.

Producción de Hidrógeno mediada por la Hidrogenasa

El biohidrógeno es producido por la hidrogenasa en la etapa luminosa, mediante la siguiente reacción: 2H ⁺ + 2X_red↔ 6H₂ + 2X_oxdel portador de electrones (X) usualmente es la ferredoxina (Fd); ésta se reduce con el agua como donador de electrones por la reacción fotoquímica de la biofotólisis.

Inducción de la Nitrogenasa: la inducción de la nitrogenasa, también pasa por dos etapas: Luminosa y Fermentación Oscura; la diferencia estriba en que la nitrogenasa es extremadamente lábil en presencia de oxígeno gaseoso; a diferencia de la hidrogenasa que lo produce; es por eso que la fermentación oscura con la nitrogenasa, debe darse en condiciones estrictamente anoxigénicas y sin presencia de nitrógeno; esto es, en una atmósfera de argón.

Etapa Luminosa: en la etapa luminosa se el nitrógeno molecular se reduce a amoniaco por el consumo de poder reductor (mediado por ferredoxina) y ATP. La reacción es sustancialmente irreversible y produce amoníaco:

N2 + 6H1⁺ + 6e^–2HN₃

12ATP 12 (ADP + Pi)

Producción de Hidrógeno mediada por la Nitrogenasa

Etapa Oscura: en una reacción secundaria la nitrogenasa cataliza la reducción de protones en la ausencia de nitrógeno

2H⁺ + 2e^–H₂

4ATP 4 (ADP + Pi) Eso es, en una atmósfera de argón.

4. Control y Regulación del Fotoperiodo

El fotoperiodo es el tiempo de exposición a los ciclos de luz/oscuridad a los que son sometidos los microrganismos fotosintéticos durante su cultivo. El control y regulación del fotoperiodo es de especial importancia para optimizar la producción de biohidrógeno ya que, como vimos, la biofotólisis se realiza en dos etapas: una iluminada donde se producen carbohidratos y una oscura donde se genera el hidrógeno. Para optimizar la producción de biohidrógeno es necesario determinar cual es el fotoperiodo óptimo; el cual varía según la especie de microrganismo.

Por ejemplo, para determinar el fotoperiodo optimo para la producción de hidrógeno por Chlorella vulgaris; se expuso el cultivo a cuatro patrones de luz diferentes: en la oscuridad durante 72 horas, en la oscuridad durante 24 horas antes de ser expuesto a la luz (intensidad de 120 μ mole/m2/s) durante 72 horas, expuestos a la luz durante 72 horas, y expuestos a la luz durante 24 horas antes de ser sometida a la oscuridad durante 48 horas. La última condición fue la que mostró la mayor producción de hidrógeno total (530 ± 5 ml/l de medio) y una tasa de liberación de hidrógeno máxima (34,8 ml/h/l). Además, los cultivos de células se inmovilizaron, el medio fue privado de azufre y se purgó con N2. El crecimiento durante 72 horas bajo condiciones de luz parcial fue esencial para que la producción de hidrógeno fuera continua y más enérgica. La adición de glucosa al medio azufre-deficiente, aumento de la producción de hidrógeno por 18 veces, bajo condiciones de luz parcial. Como conclusiones: para aumentar la productividad de hidrógeno es necesario:

Determinar el fotoperiodo óptimo;
Operar bajo condiciones de luz parcial;
Un medio de cultivo líquido azufre-deficiente;
Añadir una fuente de carbono alternativa.

5. Producción de Biohidrógeno en Foto Bioreactor

El dimensionamiento del bioreactor se efectúa de acuerdo a las siguientes relaciones: Donde: t = tiempo de residencia característico para las microalgas, h; t^* = tiempo de residencia en el foto bioreactor, h; V = volumen del foto bioreactor, m³; V^* = volumen del foto bioreactor para la nueva situación, m³; F = caudal a tratar, m³/h. El tiempo de residencia t determina la tasa específica de producción de hidrógeno mediante las siguientes relaciones: Donde: t = tiempo de residencia; P = producto (_H2); q_p = tasa específica de producción de hidrógeno; X = biomasa. La producción de hidrógeno por biofotólisis indirecta como indica la ecuación (2) es un compromiso entre la concentración celular X y la capacidad biosintética de la misma (q_p). El concepto que resume ambos aspectos es el de productividad; esto es, la cantidad de producto obtenido dividido el tiempo necesario para obtenerlo. La productividad puede ser mejorada aumentando X, q_p o ambos; pero un gran aumento de X causa una disminución de q_p; por lo que, es necesario, encontrar una solución de compromiso para lograr la máxima productividad.

La Producción de Biohidrógeno en Foto Bioreactor debe transitar por los siguientes 4 pasos:

6. Operación continua

Una planta biotecnológica para producir hidrógeno (basada en el proceso de biofotólisis indirecta) requiere de un modelo de operación continua como el que se muestra en el diagrama. El dimensionamiento de los equipos asociados a las principales operaciones; así como, el de cualquier otro equipo, se sustenta en la realización de los respectivos balances de masa y energía. En base a estas consideraciones los balances de materia para X, S y P son: En estado estacionario las concentraciones dentro del bioreactor permanecerán constantes en el tiempo, lo que significa igualar a cero las ecuaciones. De la primera y teniendo en cuenta que rX = µx, resulta: donde D es la velocidad de dilución. La relación F/V se denomina velocidad de dilución (D) y como se observa tiene como unidad la recíproca de tiempo (1/t). Así, la velocidad de dilución es el inverso del tiempo promedio de residencia (t) y es igual al número de veces que una cantidad de mezcla de reacción (X) equivalente al volumen del reactor (V) pasa a través del recipiente de reacción por unidad de tiempo. En estado estacionario (EE) las derivadas con respecto al tiempo son iguales a cero y la ecuación para la concentración celular tiene la solución:

Formación de Producto:

En estado estacionario, la 3° ecuación se reduce a: O bien a: Donde P representa la concentración de producto en estado estacionario. Dependiendo de como sea la cinética de formación del producto será la forma de la curva P vs. D.

Efecto de la tasa de dilución en la producción de biomasa de Kluyveromyces marxianus.

Como Construir un Biodigestor Casero

Introducción

Buscando información encontré una página en internet realizada por también autores e investigadores costarricenses; ésta aborda el proceso de diseño y de construcción de un biodigestor de bolsa, en forma impecable y ajustada al formato de diseño práctico de mi página por lo que, recomiendo que la visiten. El link es: http://www.ruralcostarica.com/biodigestor-2.html El diseño y construcción del biodigestor está perfectamente explicado en dicha página; por lo que, únicamente me limitaré a ampliar un poco la teoría para aquellos que deseen más conocimiento.

Diseño y Construcción del Biodigestor

Esquema del perfil de un biodigestor que da una idea básica de su concepto. En el dibujo: A representa el tanque donde se va a digerir la biomasa (mezcla de agua y estiércol).

El volumen de operación del tanque es relativo al tipo de mezcla: cuando se trabaja con estiércol de vaca, el tanque del biodigestor puede tener un tamaño de 1.9m de hondo x 1.5m de ancho x 3m de largo. Para no tener que modificar (disminuir) las dimensiones del tanque, podemos duplicar el volumen diario de carga cuando utilizamos desechos porcinos (10gal de desechos).

El volumen promedio diario de la carga para esa capacidad es de: 10gal de agua + 5gal de estiércol vacuno por día. Con el uso de los desechos porcinos, la relación es 1:1 o sea, 5gal de agua por el mismo volumen de desechos.

En el dibujo, B y C representan el tubo de entrada y el tubo de salida respectivamente. El tubo de entrada debe entrar el tanque cerca del fondo, y el tubo de salida debe entrar el tanque justo por debajo de la primera fila de block de cemento. D y E representan la pila de carga y la pila de descarga respectivamente. La pila de carga debe tener un volumen mayor de 15 galones para poder mezclar el agua con los desechos antes de ingresar la mezcla al tanque.

También, en el dibujo los círculos verdes representan los pines que van a sostener el marco del plástico en el caso de una bajada en el nivel de la mezcla en el tanque. Los círculos morados representan los ganchos que van a estar contra el marco del plástico mientras que intenta flotarse hasta la superficie. Los tubos con curvas que están en los dos lados del tanque son los tubos por los cuales pasa la soga delgada que es para mezclar el contenido del tanque para que no se forme una capa sólida por la superficie que puede ahogar a las bacterias que digieren adentro. Atados a esta soga estarán desde 3 hasta 5 envases (un galón cada uno) llenos hasta la mitad con arena que van a ayudar a batir la mezcla.

En el dibujo, la raya amarilla suspendida representa el nivel de la mezcla líquida dentro del tanque. Nótese que el nivel está parejo con el nivel del tubo de salida. Esta paridad es importante porque cada día, cuando se echa la mezcla, el mismo volumen debe salir del tubo de salida que entró por la pila de carga. Este líquido que sale de la salida se recoge en un balde (pila de descarga) para echar a cualquier planta como fertilizante. La bolsa negra sobre el tanque es el plástico y su marco que se intenta flotar, se acomoda contra los ganchos y que coge el biogás que se escapa de la superficie de la mezcla. Las flechas representan el biogás que luego se escapa por el hoyo en el medio del plástico y se va por el tubo PVC hasta la cocina donde se quema para cocinar.

Materiales de Construcción del Biodigestor

Cantidad	Descripción
2	Metros cúbicos de arena fina para mezclar con el cemento para hacer las paredes del tanque y pegar las tres filas de block de cemento
1	Metro cúbico de piedra cuarta para mezclar con el cemento y arena ya mencionados
5.5	Metros de un plástico salinero que sea por lo menos 2.8 metros de ancho para cubrir el tanque y formar la bolsa que coge el biogás que se produce en el biodigestor
4	Metros de tubo PVC de 3″ para hacer los tubos de entrada y salida del tanque del biodigestor
9	Sacos de cemento que pesan 50 kilos cada uno para hacer las paredes y el piso del tanque, tanto como para pegar el block de cemento. Tal vez haya que usar el cemento para montar la pila de carga sobre el tubo de entrada.
60	Blocks de cemento midiendo 12 cm X 20 cm X 40 cm para hacer las tres filas en las cuales se meten los pines y los ganchos que sostienen el plástico
*	Tubo PVC de 1/2″ suficiente para hacer un marco rectangular de 16.6 metros y para llevar el biogás a la cocina donde se va a quemar
*	Varilla de hierro suficiente para pegar las tres filas de block de cemento
2	Tubos con codos redondos dentro de los cuales se va a meter la soga para mezclar la superficie de la mezcla de agua y desechos
5	Metros de una soga delgada que va a mezclar el contenido del tanque para que no haya una capa por la cima que impida la producción y escape del biogás
3-5	Envases de un galón cada uno que están llenos hasta la mitad con arena para ser atados a la soga para mezclar. Los envases se van a sumergir parcialmente para romper la capa que forma por encima de la mezcla de agua y desechos.
20	Tubos para los ganchos que sostienen hundido al marco del plástico. Véase la foto abajo para ver los tubos que utilizó el Grupo de Mujeres.
12	Tubos lisos para los pines que sostienen el marco en el caso de una caída del nivel del contenido del tanque
Hay otros materiales que tal vez va a necesitar como madera, clavos y hojas de zinc para hacer la casita para el biodigestor, pero no están incluidos en la lista porque se pueden usar otros materiales en otras cantidades para proteger el biodigestor. También, la lista no incluye los materiales para conectar el tubo PVC que tiene el biogás con la plantilla de gas que tiene, porque hay varias clases de plantillas que van a requerir otras clases de materiales. También entiendo que tal vez yo no sea la persona indicada para explicar muy bien todos los pasos de la construcción, especialmente por las limitaciones explicativas que tiene la página de web. Por eso, será bien recibida cualquier pregunta que me mande por correo electrónico.

Construcción del Biodigestor

Ahora que sabe un poco de cómo funciona un biodigestor (tal vez ya sepa mucho) y los materiales que necesita, Va a tener menos dificultad en seguir con la construcción. Para construir un biodigestor de esta clase, hay que cavar el hueco primero. El hueco debe ser de 1.5 metros de ancho, 1.3 metros de hondo (con las tres filas de block hay 1.9 metros de hondo en total) y 3 metros de largo (o más si puede abastecer un tanque más grande). Luego, hay que cavar las dos zanjas—una para el tubo de entrada y otra para el tubo de salida. La zanja de entrada se debe cavar a un ángulo de unos 45°, entrando el tanque tan cerca del fondo posible, dejando no más de 30 centímetros entre el punto de la entrada y el fondo del tanque. El tubo de entrada debe estar por encima del tanque por lo menos unos 70 centímetros. El tubo de salida se debe cavar a un ángulo de 30° con la zanja entrando el tanque no por debajo de 30 centímetros desde la cima del hueco de 1.3 metros. También, con el tubo de salida, hay que dejar un pedazo de tubo que va 40 centímetros sobre el nivel del tanque para ser cortado más tarde ajustar el nivel del líquido dentro del tanque.

Luego, hay que hacer las paredes de cemento. La cantidad de materiales se puede variar para hacer esto, porque hay gente que usa diferentes proporciones de cemento, arena y piedra para hacer la mezcla. El Grupo de Mujeres normalmente usó 9 sacos de cemento, 2 metros de arena y 1 metro de piedra para hacer las paredes y para poner las tres filas de block de cemento. Cuando estén listas las paredes, Ud. puede pegar las filas de block por la orilla del tanque. En la primera fila se pone un pin por cada dos blocks en el medio de lo alto del block. Los pines deben meterse unas 2-3 pulgadas para poder sostener el marco del plástico en el caso que se baje el nivel del contenido del tanque. Mientras que pone la primera fila, Ud. puede meter los tubos para la soga para mezclar por debajo de los blocks en el medio de cada uno de los dos lados más cortos del tanque. (Véase la foto abajo para ver el tubo con la soga) Luego, en la segunda fila de block, hay que meter un gancho en cada espacio entre los blocks por cada lado del tanque. Después de poner la tercera fila de block, lo único que queda para hacer el tanque es el piso que puede ser de la misma mezcla de cemento que se usó para las paredes, requiriendo más o menos un saco de cemento.

Ahora que tiene el tanque listo, Ud. puede hacer la casita que va a proteger el biodigestor. No voy a explicar cómo hacer esto, porque hay varias maneras de hacerlo con los materiales que más le convengan. Sin embargo, le voy a decir que es importante cubrir el tanque completamente y hasta un poco más para evitar que se meta agua en el tanque que puede diluir la mezcla que está adentro, tanto como contacto directo con rayos de sol que pueden hacer daño al plástico.

Otra parte que se puede hacer en este momento es la pila de carga. Esto es algo que también se puede hacer con los materiales que mejor le convengan. El Grupo de Mujeres usó varias formas de pilas de carga, pero cualquier cosa que tenga más de 15 galones de volumen va a servir para montarse en el tubo de entrada. Va a necesitar algo para tapar el hueco del tubo de entrada para poder mezclar el agua y el estiércol. Se puede meter algo para tapar el hueco, pero hay que tener una cadena o una soga atada para no tener que meter la mano en la mezcla para introducir el líquido al tanque. Otra forma de hacerlo que tal vez sea mejor es de ponerle una llave de paso al tubo de entrada para poder tenerlo cerrado mientras que se mezcla el líquido.

Ahora puede preparar el plástico para poner sobre el tanque. Primero, hay que poner el plástico en un piso plano y limpio. (Piedras y otra basura pueden hacer daño al plástico. Cuando el plástico esté en el piso y cortado a las dimensiones de 5.5 metros por 2.8 metros, Ud. puede marcar una línea 20 centímetros dentro del plástico a lo largo de su orilla. (Véase el dibujo abajo) Luego, corte cuatro formas pentagonales en cada una de las cuatro esquinas. Cada lado de los pentágonos debe medir unos 10 centímetros. Guarde estos pedazos para utilizar más tarde. Luego, use pegamento para tubo PVC para pegar las orillas del plástico parejamente con la raya que ya hizo 20 centímetros adentro. Esto va a formar unos bolsillos por las orillas con unos huecos en cada esquina donde se van a meter los tubos para formar el marco del plástico.

Luego, hay que hacer un hueco pequeño en el medio del plástico. Para hacer esto hay que doblar el plástico como una cobija unas dos veces. (El resultado será un plástico que es cuatro pedazos de grueso) Luego, en la esquina que corresponde al puro medio del plástico, hay que cortar un poco en la pura punta. Desdoble el plástico y verá un hoyo muy pequeño en el medio del plástico. Luego, tome dos de los pentágonos de antes y córtelos para ser dos cuadrados con los lados de 10 centímetros. Haga un hueco igual que el hueco en el plástico en el puro medio de cada uno de los dos cuadrados. Luego, usando el pegamento PVC, pegue los cuadrados al plástico, uno por un lado y el otro por el otro lado. Estos cuadrados van a evitar que se rompa el plástico en este punto más vulnerable. Luego, en por el lado del plástico que Ud. escoja como la parte abajo, ponga una arandela y luego un adaptador hembra. Por el otro lado, la parte de arriba, ponga otra arandela y un adaptador macho que va a conectarse con la hembra y, por el otro lado, con el tubo PVC de 1/2″ dentro del cual se va el biogás para la cocina.

Ahora puede preparar el marco de tubo PVC de 1/2″ que sostiene dentro de la orilla del tanque el plástico de ya se ha preparado. Para hacer esto hay que cortar los cuatro lados del marco para caber dentro de las filas de block. Los cuatros lados se van a conectar a cuatro codos para ser un solo marco; entonces, hay que tomarlos en cuenta cuando se miden los lados del marco. Ya cuando estén cortados los tubos, se puede meter por los bolsillos ya hechos en las orillas del plástico. Luego, hay que conectar los codos a las cuatro esquinas para terminar el marco. Ahora puede acomodar el marco por debajo de los ganchos. Luego, se puede conectar un pedazo de tubo al adaptador que está en el medio del plástico. Si lo necesita, Ud. puede poner un codo para guiar el biogás en una dirección predilecta para ir a la cocina. (Como se ve en la foto) Ahora, a poca distancia del biodigestor, pero todavía dentro de la casita del biodigestor, Ud. tiene que poner un sello de agua dentro de una botella de Coca-Cola por si se infla demasiado la bolsa, el agua tiene donde emitir la presión excesiva. Como en la foto, hay que meter un tubo por lo menos dos pulgadas por debajo de la superficie del agua dentro de la botella. Luego, hay que poner una llave de paso para cerrar el biogás cuando hay un periodo prolongado sin uso. Luego, hay que ponerle a la tubería un tubo de 1″ suficientemente largo para meterle 3 o cuatro pedazos de alambrina. Esto va a ser el filtro que quita eso del biogás que puede manchar las ollas de la cocina. Luego, hay que ponerle otra vez la tubería de 1/2″ para pasar el biogás hasta la cocina.

Ya cuando el tubo alcance la cocina, Ud. tendrá que hacer la conexión a la plantilla que tiene. Esto no va a ser necesariamente difícil, pero por la variedad de plantillas y materiales para meter los tubos, no voy a prescribir un método para usar en este paso. Cuando tenga los tubos conectados, Ud. puede subir el nivel del agua unos 15 centímetros por encima de los ganchos del tanque. También, puede echarle al tanque la mezcla de agua y desechos animales en las proporciones ya indicadas. El tanque va acumulando y digiriendo los desechos animales, y dentro de unas tres semanas de cuidado continuo, va a tener buena producción de biogás para empezar a cocinar con su nuevo biodigestor.

http://www.ruralcostarica.com/biodigestor-2.html

El Proceso Fermentación Anaeróbica para Producción de Biogás (Fases)

La materia prima utilizada es el estiércol o los desechos porcinos más agua. Esta biomasa tiene la siguiente formula empírica: (Cc Hh Oo Nn Ss + y H2O = x CH4 + (c‐x) CO2 + n NH3 + s H2S )

Fases

El proceso de fermentación anaeróbica se realiza en tres fases perfectamente definidas en las que intervienen cuatro grupos poblacionales de microorganismos bacteriales y descomponedores.

Figura 1. Esquema de reacciones de la digestión anaerobia de materiales poliméricos. (Pavlostathis y Giraldo‐Gómez, 1991)

Los números indican la población bacteriana responsable del proceso: 1: bacterias fermentativas; 2: bacterias acetogénicas que producen hidrógeno; 3: bacterias homoacetogénicas; 4: bacterias metanogénicas hidrogenotróficas; 5: bacterias metanogénicas acetoclásticas.

Fase hidrolítica: la primera fase es la hidrólisis de partículas y moléculas complejas que componen la biomasa; éstas son hidrolizadas por las enzimas extracelulares (digestivas) que producen los microorganismos fermentativos. Como resultado, las macro moléculas son separadas en sus bloques estructurales (micro moléculas) y se producen compuestos solubles que serán metabolizados luego por las bacterias anaerobias en el interior de las células. Es de suma importancia decir que, la etapa hidrolítica es la etapa limitante de la velocidad del proceso global; sobre todo, cuando se trata de residuos con alto contenido en sólidos como los porcinos.

Reacciones Bioquímicas y Fases de la Formación del Biogás

BIOMASA (ESTIERCOL)

MATERIA ORGÁNICA COMPLEJA + AGUA

FASE HIDROLITICA

HIDRÓLISIS DE LA BIOMASA

MICROORGANISMOS

HIRÓLISIS

DEGRADACIÓN ENZIMÁTICA

Macro Moléculas: Carbohidratos, Grasas, Proteínas

Aeróbicos y Facultativos: Bacterias

HIRÓLISIS

METABOLISMO ENZIMÁTICO

Micro Moléculas: Azucares Simples, Ácidos Grasos, Aminoácidos

Anaeróbicos y Facultativos: Bacterias

FASE ACIDOGÉNICA

SUBSTRATO ORGÁNICO

MICROORGANISMOS

FERMENTACIÓN

Aminoácidos, Azúcares: son la base alimentaria de su metabolismo

Fermentativos: Anaeróbicos y Facultativos: Hongos y Levaduras

OXIDACIÓN ANAERÓBICA

Ácidos Grasos, Alcoholes: son la base alimentaria de su metabolismo

Acidogénicos: Anaeróbicos Estrictos: Bacterias

HOMOACETOGÉNESIS

Ácido acético, Hidrógeno y CO2: los ácidos grasos de cadena corta son transformados en ácido acético, hidrógeno y CO2, por el metabolismo de los microorganismos acetogénicos.

FASE METANOGENICA

SUBSTRATO ORGÁNICO

MICROORGANISMOS

ACETOCLÁSTICA

Ácido acético: son la base alimentaria de su metabolismo

Acetogénicos: Anaeróbicos Estrictos: Bacterias

HIDROGENOTRÓFICA

Hidrógeno y CO2: son la base alimentaria de su metabolismo

Metanogénicos: Anaeróbicos Estrictos: Bacterias

FORMACION DE METANO

BIOGAS: Metano (70%), Dióxido de Carbono (29%), Disulfuro de Hidrógeno (1%)

Fuente: Hohlfeld/ SASSE – 1986

Factores Determinantes en la Producción de Biogás y Tablas Útiles

SUSTRATO	RELACION C/N
Orina	0.8
Excreta de vacuno	10 – 20
Excreta de Porcino	9 – 13
Excreta de Gallina	5 – 8
Excreta de caprino / ovino	30
Excreta de Humanos	8
Paja de cereales	80 – 140
Paja de maíz	30 – 65
Gras fresco	12
Desperdicios de verduras	35

Como se observa de las actividades agropecuarias tradicionales, la avícola es la que genera más biogás en promedio; algo a considerar cuando se sabe que, la mayoría de estos residuos son botados por las empresas productoras. Otro punto a considerar los residuos vegetales de la producción agrícola; algunos de los cuales, como la paja de maíz y los desperdicios de verduras, tienen un alto potencial de generación. Es más, es recomendable combinar o incorporar este tipo de residuos y otros, a la biomasa derivada del estiércol para lograr un aprovechamiento máximo de recursos (desperdicios).

La relación Carbono: Nitrógeno (C: N) de forma indirecta la capacidad de utilización del substrato; entre mayor sea la C y menor la N, más fácilmente se degradará la biomasa y con menor emisión de óxidos nitrosos (NO)x

Valores de Generación de Biogás Según Diferentes Sustratos Relación (C/N) para Diversos Sustratos

SUSTRATO	GENERACION DE GAS (L/Kg. Biomasa seca)	PROMEDIO (L/Kg. Biomasa seca)
Excreta de Porcino	340 – 550	450
Excreta de vacuno	150 – 350	250
Excreta de Aves	310 – 620	460
Guano de caballo	200 – 350	250
Guano de oveja	100 – 310	200
Guano de establo	175 – 320	225
Paja de cereales	180 – 320	250
Paja de maíz	350 – 480	410
Paja de arroz	170 – 280	220
Gras fresco	280 – 550	410
Gras de elefante	330 – 560	415
Bagazo	140 – 190	160
Desperdicios de verduras	300 – 400	350
Jacintos	300 – 350	325
Algas	380 – 550	460
Lodos de aguas servidas	310 – 640	450

Rango de valores de pH en la Generación de Biogás

Valor pH	Característica
7 – 7.2	OPTIMO
Menor de 6.2	Retardo por ácidos
Mayor a 7.6	Retardo por amonios

Fuente: OEKOTOP

Rangos de Temperatura y Tiempo de Fermentación Anaeróbica

FERMENTACION	MINIMO	OPTIMO	MAXIMO	TIEMPO DE FERMENTACION
Psycrophilica	4-10 °C	15-18°C	25-30°C	Arriba de 100 días
Mesophilica	15-20 °C	28-33°C	35-45°C	30-60 días
Thermophilica	25-45°C	50-60°C	75-80°C	10-15 días

El proceso global de fermentación anaeróbica para la producción de biogás (bioproceso) es típicamente mesofílico para cualquier biodigestor.

Fuente: OEKOTOP

Producción y Composición Teórica del Biogás

SUBSTRATO	PRODUCCION DE GAS (L/Kg. de materia seca)	CONTENIDO DE METANO (CH4) %	CONTENIDO DE CO2 %
Carbohidratos	800	50	50
Proteínas	700	70	30
Grasas	1,200	67	33

Fuente: OEKOTOP

Energía Equivalente (valor energético) del Biogás vs. Otras Fuentes

VALORES	BIOGAS*	GAS NATURAL	GAS PROPANO	GAS METANO	HIDROGENO
Valor Calorífico (Kwh/ m3)	7.0	10	26	10	3
Densidad (Kq/m3)	1.08	0.7	2.01	0.72	0.09
Densidad con respecto al aire	0.81	0.54	1.51	0.55	0.07
Limite de explosión (% de gas en el aire)	6-12	5-15	2-10	5-15	4-80
Temperatura de encendido	687	650	470	650	585
Máxima velocidad de encendido en el aire (m/s)	0.31	0.39	0.42	0.47	0.43
Requerimiento teórico de aire (m3/m3)	6.6	9.5	23.9	9.5	2.4

Fuente: Lipp/GMBH: * Biogas: 70% CH4, 28% CO2 y 2% otros gases

	Principios Básicos D… en Principios Básicos del Diseño…
	Reinhardt Acuña Torr… en Principios básicos del…
	Richard Sánchez en Principios básicos del…
	Reinhardt Acuña Torr… en Principios básicos del…
	Reinhardt Acuña Torr… en Proyecto Integrado de Síntesis…

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