Practica 1 y 2 Ingeniería en bioreactores, 6A

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA METROPOLITANA DE PUEBLA
Ingeniería en biotecnología
6to cuatrimestre
INGENIERÍA EN BIOREACTORES
Profesor: Olmo Dennis Quiñonez
Práctica 1: Diseño de un bioreactor a escala de laboratorio
Práctica 2: Estimación del tiempo de mezclado
Equipo:
Paulina Huerta Fuentes
Jesús Emmanuel Casique Musito
Irving Guillermo Cortes Fortino
Mariana Guadalupe Bernabe Sosol
Lesly Cortez Uroza
Ana Paola Clemente Gonzalez
PRÁCTICA 1: DISEÑO DE UN BIOREACTOR A ESCALA DE LABORATORIO
INTRODUCCIÓN
Un bioreactor es un sistema cerrado diseñado para proporcionar las condiciones necesarias
para el crecimiento y metabolismo de microorganismos, células animales o vegetales, con el
objetivo de producir compuestos biológicos de interés. En la investigación científica y el
desarrollo industrial, los bioreactores a escala de laboratorio desempeñan un papel crucial,
ya que permiten estudiar y optimizar procesos biotecnológicos antes de su escalamiento.
El diseño de un bioreactor a escala de laboratorio requiere un equilibrio entre la simplicidad
para facilitar la experimentación y la precisión en el control de parámetros críticos, como
temperatura, pH, oxigenación, velocidad de agitación y transferencia de masa. Estos
sistemas pueden adoptar diferentes configuraciones según el tipo de organismo cultivado y
el propósito del experimento, como bioreactores de tanque agitado, de lecho fluidizado o de
membranas.
Este trabajo se enfoca en los principios fundamentales del diseño de un bioreactor,
considerando los materiales, el control de variables operativas y la instrumentación
necesaria para simular procesos biológicos en condiciones reproducibles y escalables. El
diseño adecuado de un bioreactor no solo garantiza la viabilidad de los microorganismos o
células cultivadas, sino que también optimiza la productividad y la eficiencia del proceso
biotecnológico en estudio.
OBJETIVO
Armar un bioreactor casero y funcional para laboratorio
MATERIALES
-Recipiente de vidrio o plástico de volumen aproximado a 2 L o superior.
- Motorreductor de 6-12 V, aprox 100 rpm y cable calibre 14 AWG.
- Baterías de 1.2 V.
- Hélice, de preferencia propela o Rushton turbine.
- Eje de unión entre hélice y motor.
- Aireador oxigenador para pecera o similar.
- Mangueras, válvulas y conexiones a criterio.
- Pinzas corta cable.
- Cinta de aislar.
- Cautín.
- Pistola de silicón.
- Probeta de 100 mL.
-Vaso de precipitados de 500 mL.
PROCEDIMIENTO
1. Preparación del recipiente
1. Limpiar y desinfectar el recipiente por usar
2. Perforar la tapa del recipiente para introducir el motor y las mangeras, asegurarse de
que el agujero esté ajustado
2. Instalación del sistema
1. Colocar el motor en la tapa, asegurarse de que quede ajustado y firme con el silicón
2. Colocar el tubo en la parte superior del motor. En la parte de abajo se colocará la
hélice, asegurarlo con cinta y silicón
3. Instalación de la bomba de agua conectando la manguera que ira dentro del
recipiente y la manguera de salida, la cual permitirá la salida de gases como el
dióxido de carbono y la entrada de oxígeno
3. Montaje del sistema
1. Coloque la tapa en el recipiente y asegurarse que esté bien sellada
4. Preparación del medio
1. Calcular el volumen del recipiente para poder hacer el relleno del recipiente
recordando dejar un espacio
4. Monitoreo
1. Observar el burbujeo y el correcto trabajo de la bomba
Resultados
1. Instalación del Motor y Agitador:
El motor fue conectado correctamente a una batería de 1.2 V mediante cables caimán. Esto
facilitó la operación del motor de manera sencilla y eficiente.
El espacio entre el impulsor y el fondo del biorreactor debe ser 2.5 cm, si tomamos el 1/6 del
diámetro del tanque 15 cm. Esto garantiza que el impulsor esté lo suficientemente cerca del
fondo para una agitación efectiva, pero sin estar tan cerca como para crear turbulencias
innecesarias.
2. Instalación de la Oxigenación:
Se instaló un difusor en el fondo del tanque, conectado a un aireador tipo pecera (bomba de
aire externa). El difusor proporcionó una burbujeo constante de oxígeno en el medio de
cultivo, lo que favorece la aireación y asegura que los microorganismos reciban suficiente
oxígeno para su metabolismo.
La manguera que conecta el difusor con el aireador fue asegurada firmemente para evitar
fugas de aire, lo que permitió una distribución uniforme de oxígeno en el bioreactor.
La entrada fue sellada con una tapa a la que se le hicieron las correspondientes
perforaciones para la manguera y el motor.
4. Tapa Abierta y Entrada para Medición de Oxígeno Disuelto:
La parte superior del biorreactor fue diseñada para abrirse fácilmente mediante una tapa
removible, lo que facilitó la manipulación y el monitoreo del interior del reactor.
Perfecto, con la temperatura también incluida 24.8
Oxigenación: La oxigenación en el biorreactor fue un aspecto clave durante el proceso. Se
registró un valor de 0.43 en la tasa de oxigenación.. El aireador oxigenador, junto con las
mangueras y conexiones bien ajustadas, permitió mantener un flujo constante de oxígeno,
lo cual es esencial para los procesos biológicos.
CONCLUSION:
La creación y el uso de los bioreactores en la industria son de mayor de importancia en la
actualidad, ya que se busca mantener y fortalecer los beneficios para la humanidad al igual
que la protección del ambiente, en general, todo lo que se encuentre en el planeta. La
amplia gama de los bioreactores permite que se aprovechen los materiales por completo,
esto desde objetos reciclados hasta materiales de flora o fauna. Las aplicaciónes de los
bioreactores son variadas y en un futuro se podrán encontrar más.
PRÁCTICA 2: ESTIMACIÓN DEL TIEMPO DE MEZCLADO
INTRODUCCIÓN
La estimación del tiempo de mezclado en un biorreactor está influenciada por factores como
el diseño geométrico, la velocidad de agitación, el tipo de impulsor y las propiedades físicas
del fluido, como la densidad y viscosidad. Para sistemas a escala de laboratorio, esta
estimación no solo proporciona información valiosa para optimizar el diseño del biorreactor,
sino que también es clave para garantizar la reproducibilidad de los experimentos y facilitar
el escalamiento del proceso a niveles industriales.
Este estudio combina los principios fundamentales del diseño de bioreactores con la
evaluación del tiempo de mezclado, destacando su importancia en la mejora del rendimiento
de los procesos biotecnológicos y en la predicción de parámetros críticos para futuras
aplicaciones a mayor escala.
OBJETIVO
Medir los tiempos de el mezclador con respecto al voltaje
MATERIALES
-Reactor de tanque agitado.
- Potenciómetro.
- Termómetro.
- Medidor de oxígeno disuelto.
- Flexómetro, regla o cinta para medir.
- Multímetro.
- Agua o algún otro líquido para llenar el reactor.
- Probeta de 100 mL o superior.
- Vaso de precipitados de 500 mL o 1 L.
METODOLOGÍA
Preparación del sistema:
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Ensambla el reactor de tanque agitado, asegurándote de que todos los componentes
(motor, impulsor, y sensores) estén correctamente instalados.
Llena el reactor con agua o un líquido apropiado hasta el volumen indicado (100 mL
o más).
Ajuste de parámetros iniciales:
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Conecta el potenciómetro al sistema para regular la velocidad de agitación.
Establece una velocidad inicial baja y registra el voltaje correspondiente.
Ajusta la temperatura del sistema usando el termómetro para asegurar que se
mantenga constante durante el experimento.
Registro de datos:
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Utiliza el flexómetro, regla o cinta métrica para medir las dimensiones internas del
reactor (diámetro, altura del líquido, etc.) si es necesario.
Documenta las mediciones de voltaje, tiempo de mezclado, y cualquier observación
relevante.
Análisis :
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Usa el medidor de oxígeno disuelto si se requiere evaluar el nivel de oxigenación en
paralelo con el tiempo de mezclado.
Emplea el multímetro para verificar los valores eléctricos y evitar errores en la lectura
del potenciómetro.
Parámetro
Valor Medido
Volumen del reactor
3.180L
Diámetro del reactor
15 cm (0.15m)
Altura del líquido
18cm (0.18m)
Temperatura inicial
24.4T°C
Oxígeno disuelto inicial
0.43mg/L
Oxígeno disuelto después de oxigenar (5
minutos)
0.44mg/L
Voltaje
9V
Corriente
0.54A
rpm
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Cálculo del Volumen del Reactor (Verificación)
El volumen de un reactor cilíndrico se calcula con la fórmula:
V=π×(d/2)^2×h
V =pi* (0.15m/2)^2×0.18)
V= 3.180L
Cálculo de la Potencia Consumida por el Motor
La potencia consumida por el motor se calcula con la fórmula
P=V×I
V=9 V (voltaje)
I=0.5 A (corriente)
P=9 V×0.5 A=4.5 W
La potencia consumida por el motor es de 4.5 W.
Cálculo del tiempo de mezclado
tm = 5.9 DT ^⅔ (p VL / P) ^⅓ (DT / Di) ^⅓
tm= 5.9 (.015m)⅔ ((1000 Kg/m3 *(0.00318))/4.5W)^⅓ (0.15m/0.13m)^⅓ =1.55s
Este tiempo de mezclado es el tiempo necesario para alcanzar una homogeneización
eficiente dentro del reactor de tanque agitado bajo las condiciones especificadas
(dimensiones, potencia, densidad, etc.). Este modelo empírico considera diferentes factores
de diseño y operación para dar una estimación del tiempo de mezclado, y en este caso nos
da un resultado de 1.55 segundos.
Calcular el torque
M= P/(2*pi*Ni)
M= 4.5/(2*3.1416*(75 rpm/60))= 0.57 Nm
Estos resultados son importantes para optimizar la operación del bioreactor, asegurando
una mezcla eficiente para mantener las condiciones necesarias para los procesos
biotecnológicos o de cultivo.
CONCLUSIÓN:
La estimación del tiempo de mezclado es crucial en diversos procesos industriales,
especialmente en la ingeniería química, biotecnología y procesos de mezcla. El tener un
buen tiempo de mezclado permite que la homogenizacion sea adecuada para que el
producto final sea el correcto, de igual forma un mal tiempo de mezclado puede provocar la
creación de sustancias peligrosas o la liberación de sustancias toxicas. Por lo que el tiempo
de mezclado es crucial en diversas áreas, esto puede variar dependiendo del material,
costo, y el objetivo a alcanzar.