CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE UN BIORREACTOR ARTESANAL

1. Biotecnología DOCENTE: SOTO GONZALES HEBERT HERNAN INTEGRANTES: - CERVANTES MAQUERA CAMILA - HUIZA LORENZO PAOLA - TARQUI CHÁVEZ MEL

2. CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN BIORREACTOR ARTESANAL TIPO TANQUE AGITADO PARA FERMENTACIONES SUMERGIDAS A ESCALA DE LABORATORIO Resumen En el presente trabajo se presenta la construcción de un biorreactor artesanal tipo tanque agitado, el cual está elaborado con instrumentos y recursos disponibles en cualquier laboratorio. Este biorreactor mostró una satisfactoria capacidad de mezclado. Los resultados obtenidos avalan la aptitud del biorreactor artesanal para su uso en el estudio de fermentaciones microbianas a escala de laboratorio. Los biorreactores de tanque agitado se han ido perfeccionando en busca del control más preciso de los ambientes de desarrollo de cultivos vivos.. Los biorreactores de pequeña escala han resultado vitales en procesos de escalado y desescalado, optimización de cepas, caracterización y desarrollo de procesos. El costo de los biorreactores comerciales suele ser muy elevado, el cual dificulta su adquisición, es por ello que se pretender elaborar un biorreactor artesanal a partir de materiales más accesibles y de bajo costo, a la ves que se cumple con los requisitos para el cultivo de microorganismos. Introducción Materiales y Métodos Diseño y Construcción del Biorreactor Sistema para la entrada de inóculo Vaso del Biorreactor Sistema para la toma de muestra Agitación El embudo de vidrio debe estar provisto con llave de rosca de teflón, la tapa debe de contar con dos orificios en donde se le introducen tubos de vidrio. Como reservorio del inóculo se dispuso de un Kitasato, a cuya salida lateral se conectó un filtro microbiológico (0.2), en la boca se coloco un tapón de goma en el que se insertó un tubo de vidrio. La agitación del sistema se estableció por medio de un agitador mecánico portable, el cual se acopló un impelente de acero inoxidable de cuatro paletas planas verticales, a una distancia del fondo del fondo del vaso y del dispersor de 3.5 cm y 2.5 cm. Balón de 2L., de diámetros en el interior de 16 cm, altura de cuello 14 cm. La boca se cerró con un tapón de goma multihoradado, en el cual se insertaron la flecha de agitador, el termómetro, el condensador y los tubos. Sistema de salida de gases Control de temperatura Sistema de suministro de aire Se conformó por un condensador de reflujo de 30x3 cm acoplado al vaso del biorreactor. Este se conectó a una trampa química, para evitar la entrada de contaminantes. La boca superior del balón se conectó al condensador y la lateral a un dispositivo soxhlet para garantizar el reflujo de la solución microbiana. La constancia de la temperatura se estableció por medio del dispositivo de calentamiento y recirculación de agua de un baño termostático y se midió mediante termómetros de mercurio convencionales sumergidos en el cultivo y en el agua. Se constituyó por una bomba de vacío, con capacidad de bombeo de 0.67L.min-1, el cual se conectó mediante una manguera de silicona a un filtro microbiológico de membrana hidrofóbica para garantizar esterilidad de aire.

3. CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN BIORREACTOR ARTESANAL TIPO TANQUE AGITADO PARA FERMENTACIONES SUMERGIDAS A ESCALA DE LABORATORIO Materiales y Métodos Prueba de esterilidad del Sistema Materiales utilizaos en la construcción del Biorreactor Determinación de la Capacidad de Mezclado de Sistema Determinación del coeficiente Volumétrico Global de Transferencia de Oxigeno (kla) El biorreactor se cargo con 1 L de caldo de nutrientes, se acoplaron demás accesorios y se esterilizo con autoclave. Al alcanzar la temperatura ambiente, se puso en funcionamiento a una temperatura de 37°C, flujo de aire de 0.67 L/min y agitación de 650 min-1. Se establecieron tres puntos temporales de control de esterilidad a las 0, 12 y 24 horas. Por el método del Sulfito, se lleno con 1 L de una solución de sulfito de sodio a 0.25 mol/L, como catalizador CuSO4*5H20 a 1 g/L. A una temperatura de 36°C, empleando diferentes condiciones de agitación, y aireación sostenida de 0.67 vvm. La concentración residual de sulfito se determino por el método yodimetrico. Instrumentos y accesorios construidos a base de vidrio borosilicato, tapones de caucho vulcanizado y mangueras de silicona. El sistema de agitación con acero ioxidable Mediante el análisis de comportamiento temporal de la concentración de un solido insoluble finamente particulado y con un alto coeficiente de sedimentación en el punto de toma de muestra, bajo diferentes comb8inaciones de aireación/agitación Resultados y discusión Agitación Aireación Diseño y Construcción del Biorreactor Se optó por un diseño en espiral del dispersor, portando tres líneas equidistantes de orificios de »3 mm de diámetro, en posicionamiento alterno. Las burbujas pequeñas presentan menor velocidad de ascenso y, en consecuencia, permanecen más tiempo en contacto con el líquido, todo lo cual deriva en una mejor transferencia de oxígeno al medio. Este parámetro crítico en el desempeño de un biorreactor. Los agitadores de palas y las turbinas de placas planas, producen buenos flujos radiales en el plano del rodete. En general, los impelentes tipo turbina de palas resultan los más usados, dada su capacidad de operar a velocidades de agitación altas y un amplio rango de viscosidades. La agitación excéntrica fue utilizada, al ser especialmente recomendable en biorreactores de pequeña escala, puesto que se evita el uso de deflectores. Se enfatizó en tres cuestiones esenciales de su funcionamiento: Capacidad de garantizar la esterilidad en su interior durante un intervalo de tiempo relativamente largo y la realización de muestreos periódicos Buena transferencia de oxígeno Mezclado uniforme de la suspensión celular

4. CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN BIORREACTOR ARTESANAL TIPO TANQUE AGITADO PARA FERMENTACIONES SUMERGIDAS A ESCALA DE LABORATORIO Resultados y discusión b. TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN EL BIORREACTOR Es el parámetro más importante implicado en el diseño, operación y escalado de biorreactores. Una concentración de oxígeno superior a la crítica es necesaria para conseguir un crecimiento microbiano y formación de productos óptimos. Por lo que el valor de coeficiente volumétrico de transferencia de masa es indispensable. Los valores aumentan cuando se incrementan los niveles de agitación. El optimo de del kla en el biorreactor es de 30-60%. El valor obtenido en el biorreactor artesanal a una velocidad de agitación de 850 por minuto, es eficiente para garantizar 20% de saturación de oxígeno. c. CAPACIDAD DE MEZCLADO DEL BIORREACTOR Los biorreactores deben garantizar un mezclado eficiente. El BaSO4 (Sulfato de Bario) posee una rápida cinética de formación, estabilidad morfológica y de tamaño de sus partículas, baja solubilidad en agua y alta densidad. El experimento busca determinar la eficiencia del biorreactor en el proceso de mezclado mediante la capacidad de mantener en suspensión uniforme bajo diferentes niveles de agitación y aireación. En las variantes evaluadas se registran comportamientos sinusoidales, el análisis de regresión lineal simple de la concentración de BaSO4 vs. Tiempo corrobora la apreciación. d. PRUEBA DE ESTERILIDAD El control se da a partir de la exposición continua del sistema en condiciones reales de fermentación microbiana. No hubo presencia de contaminantes en las placas Petri. Las muestras se propagaron en el caldo nutriente por 24h. y se sembraron en placas con agar nutriente. En 2h. la contaminación del orden probable es de 0.1-3 cél/mL, pero la negatividad observada en los resultados demuestra la esterilidad del biorreactor, lo que garantiza la fiabilidad del biorreactor. El biorreactor de tanque agitado se diseñó para que reuniera una adecuada capacidad de oxigeno, mezclado eficiente, control efectivo de la temperatura y mantenimiento de la esterilidad; y asi obtener éxito en la fermentación microbiana. Se construyó usando materiales e instrumentación de laboratorio en entradas y salidas del sistema. Los estudios mostraron la aptitud del biorreactor para investigaciones sobre fermentación dada la eficiencia observada en procesos de mezclado, transferencia de oxígeno y mantenimiento de esterilidad y temperatura en la duración de la fermentación. Conclusiónes