Este documento compara los biorreactores mecánicos y neumáticos, describiendo sus características de funcionamiento. Los biorreactores mecánicos utilizan agitación mecánica mientras que los neumáticos usan aireación; ambos pueden tener circulación interna o externa. Los mecánicos son eficientes en líquidos viscosos y se usan comúnmente en fermentación, mientras que los neumáticos son adecuados para cultivos delicados y procesos que no requieren alta transferencia de ox

1. ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO
INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL
DISEÑO DE BIORREACTORES
OBJETIVOS
GENERAL
Comparar las características operacionales de los
biorreactores mecánicos y neumáticos.
ESPECÍFICOS
• Puntualizar el mecanismo diferencial en el
funcionamiento de un biorreactor mecánico y un
neumático.
• Determinar la clasificación del biorreactor mecánico y
neumático, para verificar similitudes, en su
funcionamiento.
• Determinar las áreas de aplicación ambiental de los
biorreactores mecánicos y neumáticos.
INTEGRANTES:
• JHOANA BASTIDAS
• CHRISTIAN CAMACHO
• ANDREA ECHEVERRÍA
• ANA BELÉN MEJÍA
• CARMEN YAMBAY

2. INTRODUCCIÓN
El biorreactor es el centro de todo proceso biotecnológico. El
diseño y análisis del comportamiento dependen de la
cinética de las reacciones biológicas y de los balances de
mataría y energía.
El agitador neumático consiste en aplicar en el fondo del
estanque un tubo con perforaciones por las cuales se libera
una presión de aire obtenida de un compresor adicional que
debe tener el equipo. Es muy poco usado.
El agitador mecánico consiste en un eje provisto de una serie de paletas
ubicado el fondo del estanque las que producen turbulencia al girar a
unas 90 a 120 revoluciones por minuto. La única dificultad es que su eje a
la entrada al estanque y en el punto de apoyo presentan pérdidas de
líquido.

3. BIORREACTORES CON AGITACIÓN MECÁNICA
Biorreactores con agitación mecánica
Sin circulación interna.
*Velocidad de rotación del agitador entre
50-60 RPM
*Velocidad periférica en el extremo de la
paleta 5 m/s
*Efecto de cizalladura reducido
*Asegura transferencia de oxígeno necesaria
Con circulación interna
*Móvil de agitación diseñado como el rotor
de una bomba centrifuga
*El líquido de fermentación y el gas de
aireación se aspiran y mezclan hacia la parte
superior donde se expulsan de forma radial
*Buena capacidad de transferencia de
oxígeno

4. BIORREACTORES CON AGITACIÓN MECÁNICA
Biorreactores con agitación mecánica
Sin circulación interna. Con circulación interna

5. BIORREACTORES CON AGITACIÓN
NEUMÁTICA
BIORREACTORES CON AGITACIÓN NEUMÁTICA
Biorreactores con agitación neumática
Sin circulación
*Brindan una baja transferencia de
oxigeno y sensible acción de cizalladura
*Utiliza columnas de burbujas
* Su diseño permite aumentar el
tiempo de permanencia de las burbujas
de gas estableciendo una altura muy
superior a su diámetro
Con circulación interna
* Diseñados para fermentación
continua
* Un diseño pequeño brinda una
suspensión celular en la zona central
donde tiene lugar la alimentación del
medio de cultivo
* Un diseño grande brinda un sentido
de circulación inverso, la expansión y la
alimentación se hace en la zona
periférica.
Con circulación externa
* Circulación organizada en dos zonas
interconectadas, por un bafle o tubo de
draft
* La columna montante, ascendente o
riser brinda la fase de oxigenación
* El compartimiento descendente o
downcomer realiza una reinyección de
aire
* Provoca un aumento en la velocidad
de circulación contra la base
* Permite obtener un buen coeficiente
de intercambio térmico y una buena
recirculación basada en la diferencia de
densidad.

6. BIORREACTORES CON AGITACIÓN NEUMÁTICA
Biorreactores con agitación neumática
Sin circulación Con circulación interna Con circulación externa

7. Comparación entre los biorreactores
con agitación neumática y mecánica
A pesar de su uso extensivo
tradicional, los biorReactores
agitados mecánicamente tienen
un grupo de limitaciones
significativas, cuando se comparan
con los biorreactores neumáticos, o
sea los que son agitados por la
inyección de gas.
En la actualidad los biorreactores con
agitación neumática son mas
utilizados que los mecanicos, sobre
todo en las nuevas aplicaciones de la
Biotecnología Industrial relacionadas
con materiales frágiles como
las células animales y vegetales

8. Bioreactores Neumáticos
Columnas de
Burbujeo
Airlift
Bioreactores Mecánicos
1)Columnas más simples, al cual se le dispersa gas en su
parte inferior
2)Airlift que se han empleado exitosamente en casi todos los
tipos de fermentaciones
Son tanques cilíndricos con un motor que se
mueve una flecha central, la cual soporta uno o
mas agitadores, utilizan bafles y es
comúnmente utilizado en los años 40, durante
la segunda guerra mundial y es aplicado
especialmente en la industria farmacéutica por
ser económico

9. COMPARACIÓN ENTRE LOS BIORREACTORES CON
AGITACIÓN NEUMÁTICA Y MECÁNICA
Agitación Mecánica
• Mecánicamente complejos
• En muchas ocasiones provocan alta
cizalladura
• Carga de gas limitada por inundación del
impelente
• Flexibilidad de operación
• Difíciles de limpiar; mayores posibilidades
contaminación en operaciones extendidas
• En medios no-Newtoniano se crean
canales de gas a través de zona impelente
Agitación neumática
• Mecánicamente simples y robustos
• Muy baja cizalladura, adecuados para
cultivos frágiles
• Posibilidad de admitir altas cargas de gas
(especialmente los airlift)
• Limitada flexibilidad. Requieren de un
diseño más cuidadoso
• Fáciles de limpiar, posibilitan operación
aséptica extendida
• Distribución más uniforme de la
turbulencia

11. •Fundamentalmente por su aplicación en la producción de
compuestos de actividad farmacológica y vacunas. Salud
•En la producción de bebidas, enzimas, saborizantes, productos
lácteos, etc.
Industria de
alimentos
•Producción vegetal y animal por un conjunto variado de procesos
microbiológicos que se han enriquecido notablemente, con la
utilización de técnicas de ingeniería genética.
Agropecuaria
•Relacionada con la biolixiviación o la aplicación de
microorganismos en la extracción de metales de minerales de baja
ley.
Minería
•Se refiere fundamentalmente a la aplicación de microorganismos
en la purificación de efluentes, aspecto fundamental para el
mantenimiento de la calidad de vida.
Servicio

13. Mecánico
Son los más comúnmente utilizados en
fermentación, tienen alta eficiencia en
líquidos viscosos. Por ejemplo en la
producción de alcohol, antibióticos,
lácteos fermentados, biomasa, entre
otros.
Neumático
Se han utilizado para el cultivo de
células bacterianas y levaduras,
fermentaciones con hongos, cultivo de
células animales y vegetales, enzimas
inmovilizadas y biocatálisis celular,
cultivos de microalgas, en la producción
de vinagre y cerveza en gran escala y
para el tratamiento de aguas residuales

14. USO DE BIORREACTORES
Sin embargo en la actualidad los
biorreactores agitados con gas tienden a
ser preferidos a los tradicionales
agitados mecánicamente, sobre todo en
las nuevas aplicaciones de la
Biotecnología Industrial relacionadas
con materiales frágiles como las células
animales y vegetales

15. El microorganismo, Saccharomyces cerevisiae es una levadura a la que, para obtener el producto
deseado, se manipula el medio al controlar la cantidad de sustrato añadido en una fermentación
por lote alimentado.
Podemos controlar la cantidad de producto y el producto de nuestro interés.
A cantidades limitadas de sustrato, existe una mayor producción de biomasa, mientras que al
aumentar el sustrato, se tiene una mayor producción de etanol.
Por ello, para este microorganismo, se controla principalmente la cantidad de C02 que sale y el
02 que entra, para poder predecir el producto a obtener.
Generalmente, el microorganismo se coloca en un medio de cultivo nutritivo con extracto de
levadura, glucosa y minerales necesarios para su crecimiento.

16. EJEMPLO DE PRODUCCIÓN MEDIANTE EL USO DE SACCHAROMYCES CEREVISIAE,
EN UN AGITADOR MECÁNICO.

17. EJEMPLO DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DE LA CIUDAD DE MÉXICO EN EL
DISTRITO FEDERAL MEDIANTE EL USO DE UN BIORREACTOR NEUMÁTICO.
Las Aguas residuales municipales fueron depuradas mediante
lodos activados en un biorreactor neumático airlift. Con un
tiempo de residencia hidraúlica de 4 h y una recirculación de
lodos activados del 95%.
Los lodos se desarrollaron inicialmente por una aireación
prolongada bajo condiciones que favorecen el crecimiento de
organismos que tienen la habilidad especial de oxidar materia
orgánica, en este caso se usaron sepas de Spirobacterias,
Vitreoscilla, Spharerotilus y Beggiatoa.

18. EJEMPLO DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DE LA CIUDAD DE MÉXICO EN EL
DISTRITO FEDERAL MEDIANTE EL USO DE UN BIORREACTOR NEUMÁTICO.
Cuando los lodos que contienen estos organismos entran en
contacto con las aguas negras, los materiales orgánicos se
oxidan, y las partículas en suspensión y los coloides tienden a
coagularse y formar un precipitado que se sedimenta con
bastante rapidez.
Se tuvieron remociones de 97% de DQO y 90% de DBO.
Es necesario un control de operación muy elevado para
asegurar que se tenga una fuente suficiente de oxigeno, que
exista un contacto íntimo y un mezclado continuo de las aguas
negras y de los lodos.

19. CONCLUSIONES:
 Un Biorreactor mecánico difiere de un neumático en sus mecanismos de funcionamiento, descritos en
el presente trabajo, dichas diferencias los hacen útiles en diferentes áreas industriales y ambientales.
 Un biorreactor mecánico utiliza agitación mecánica ya sea por paletas o turbina (90 a 120 rpm Y 1HP
de potencia), lo que conlleva gasto de energía; por su parte un biorreactor neumático consiste
básicamente en un tubo con perforaciones por las que ingresa aire, generalmente ubicado en el
fondo del tanque, no demanda exceso en el gasto de energía.
 Ambos biorreactores, tanto mecánicos como neumáticos pueden presentar circulación (interna y
externa), así como también pueden ser sin circulación.
 Los biorreactores mecánicos son utilizados en fermentación, tienen alta eficiencia en líquidos viscosos.
Como la producción de biomasa, entre otros; los biorreactores neumáticos son útiles para procesos
microbiológicos que no requieren una transferencia de oxígeno importante: fermentaciones con
hongos, cultivo de células animales y vegetales, enzimas inmovilizadas y biocatálisis celular, cultivos de
microalgas.