Un agitador o mezclador, es un dispositivo que se utiliza en los laboratorios de quimica y biología para mezclar líquidos o preparar disoluciones o suspenciones.

El éxito de muchas operaciones industriales dependen de varios factores, entre los más importantes tenemos, la agitación y mezcla de fluidos, que deben ser eficientes. Aunque con frecuencia tiende a confundirse, agitación y mezcla no son sinónimos.

Un agitador típico tiene una placa o superficie que oscila horizontalmente, propulsado por un motor eléctrico. Los líquidos que van a ser agitados están contenidos en vasos, tubos o matraces Erlenmeyer que se colocan sobre la superficie vibrante o, a veces, en tubos de ensayo o viales que se insertan en los agujeros de la placa. Un ejemplo de esto, es cuando en un único material homogéneo, como un tanque con agua fría, puede ser agitado pero no puede
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La agitación se refiere al movimiento inducido de un material en una forma específica, generalmente con un modelo circulatorio dentro de algún tipo de contenedor, por otro lado, la mezcla es una distribución al azar de dos o más fases inicialmente separadas, creando un cierto tipo de flujo dentro del sistema, haciendo que el líquido circule por todo el recipiente y vuelva al agitador; así nace la importancia en las industrias alimenticias, química, farmacéutica, cosmética, de pinturas, entre otras; en donde sus procesos de fabricación involucran operaciones como: suspensión, disolución, dispersión, emulsión, mezclado, homogeneización, circulación, dilución, empastado, rompimiento de partícula, etc.


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AGITACIÓN


Debido a la complejidad de los fenómenos de transporte involucrados, es uno de los procesos mas difíciles de analizar y caracterizar.
La Agitación hace referencia a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente; los líquidos se agitan con diversos fines, dependiendo de los objetivos de la etapa del proceso. Dichos fines comprenden:
  • Suspensión de partículas sólidas
  • Mezclado de líquidos miscibles
  • Dispersión de un gas en un líquido en forma de pequeñas burbujas
  • Dispersión de un segundo líquido, inmiscible con el primero, para formar una emulsión o suspensión de gotas diminutas
  • Transferencia de calor entre el líquido y un serpentín o encamisado

En la industria actual la Agitación se emplea en sin número de procesos, cuyos objetivos pueden ser:
  • Mezcla de líquidos miscibles, por ejemplo: alcohol y agua.
  • Contacto entre líquidos inmiscibles.
  • Procesos de emulsión para producir productos estables
  • Suspensión de partículas sólidas en líquidos de baja viscosidad
  • Dispersión de sólidos finos en líquidos de alta viscosidad
  • Dispersión de gases en líquidos
  • Contacto gas-sólido-líquido en reacciones químicas catalíticas

Generalmente el equipo de agitación consiste en un recipiente cilíndrico (cerrado o abierto), y un agitador mecánico, montado en un eje y accionado por un motor eléctrico. Las proporciones del tanque varían ampliamente dependiendo de la naturaleza del problema de agitación, el fondo del tanque debe ser redondeado con el fin de eliminar los bordes rectos o regiones en las cuales no penetrarían las corrientes del fluido. La altura del líquido, es aproximadamente 75%-80% del volumen total del tanque.

TIPOS DE AGITADORES


Los agitadores se dividen en dos clases: aquellos que generan corrientes paralelas al eje del agitador y los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Los primeros se llaman agitadores de flujo axial y los segundos agitadores de flujo radial.
Los tres tipos principales de agitadores utilizados en la industria son: de hélice, de paletas, y de turbina. Cada uno de estos comprende muchas variaciones y subtipos que no consideraremos aquí. En algunos casos también son útiles agitadores especiales, pero con los tres tipos antes mencionados se resuelve quizás, el 95% de los problemas de agitación de líquidos.

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  • Agitadores de hélice

Son de flujo axial y operan con velocidades elevadas. Son empleados en líquidos poco viscosos. Los agitadores más pequeños giran a 1.150-1.750 rpm y los más grandes giran a 400-800 rpm. Los agitadores de hélice más pequeños, giran a toda la velocidad del motor. Las corrientes de flujo, que parten del agitador, se mueven a través del líquido en una dirección determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque. La columna de remolinos de líquido de elevada turbulencia, que parte del agitador, arrastra en su movimiento al líquido estancado, generando un efecto considerablemente mayor que el que se obtendría mediante una columna equivalente creada por una boquilla estacionaria. Las palas de la hélice cortan o friccionan vigorosamente el líquido. Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice son eficaces para tanques de gran tamaño.

Tipos de agitadores de hélice
Tipos de agitadores de hélice

  • Agitadores de paletas

Para problemas sencillos, un agitador eficaz está formado por una paleta plana, que gira sobre un eje vertical. Son corrientes los agitadores formados por dos y 3 paletas. Giran a velocidades bajas o moderadas en el centro del tanque, la velocidad está comprendida entre 20 y 150 rpm, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas. Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y después siguen hacia arriba o hacia abajo. Las paletas también pueden adaptarse a la forma del fondo del tanque, de tal manera que en su movimiento rascan la superficie o pasan sobre ella con una holgura muy pequeña. Un agitador de este tipo se conoce como agitador de ancla. Estos agitadores son útiles cuando se desea evitar el depósito de sólidos sobre una superficie de transmisión de calor, como ocurre en un tanque enchaquetado, pero no son buenos mezcladores. Generalmente trabajan conjuntamente con un agitador de paletas de otro tipo, que se mueve con velocidad elevada y que gira normalmente en sentido opuesto.
Agitador de 4 palas
Agitador de 4 palas
  • Agitadores de turbina

La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, que giran con velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales. El rodete puede ser abierto, semicerrado o cerrado. Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen corrientes intensas, que se extienden por todo el tanque y destruyen las masas de líquido estancado. El agitador de turbina semiabierto, conocido como agitador de disco con aletas, se emplea para dispersar o disolver un gas en un líquido. El gas entra por la parte inferior del eje del rodete; las aletas lanzan las burbujas grandes y las rompen en muchas pequeñas, con lo cual se aumenta grandemente el área interfacial entre el gas y el líquido.

Para procesos microbiológicos sólo se pueden utilizar tipos específicos de agitadores desarrollados para la tecnología química. La Figura muestra los más importantes. El agitador de discos es el tipo más común; desde el eje del disco de diámetro apropiado salen 4-8 paletas radiales. Comparado con el agitador de disco, el tipo turbina requiere 50% menos de aire para el mismo consumo de energía y rendimiento. Dos tipos mas consisten en brazos agitadores MIG y INTERMIG requieren 25% y 40% menos energía respectivamente para rendimientos equivalentes.

Mantenimiento de la esterilidad. Para beneficiar el mantenimiento de la esterilidad debería haber un número mínimo de aberturas en el fermentador. Las pequeñas aberturas deben ser a prueba de pérdidas, con anillos O, orificios más grandes con juntas de culata planas. Siempre que un eje móvil entra en la pared del fermentador se producen problemas especiales de mantenimiento de la esterilidad. Se utilizan normalmente cierres mecánicos dobles sobre el eje del agitador y presentan ventajas notorias en comparación a los cierres más convencionales con prensaestopas. Si es posible la unión de todas las partes conectadas con el área estéril, así como todas las tuberías, tanto dentro como fuera del fermentador, deberían estar soldadas. No debería haber ninguna conexión directa entre el área no estéril y el área estéril, es decir, los mecanismos para toma de muestras y las puertas de inyección deben estar cubiertas de cierres esterilizables a vapor. Las tuberías estériles deben ser inclinadas para recoger y escurrir el material que se condensa.
Aunque la vasija del fermentador es el principal foco de interés en el sistema global de fermentación, en una instalación real debe ser considerado un gran conjunto de mecanismos adicionales para conseguir un sistema de fermentación que funcione.

CONSIDERACIONES PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE AGITADOR


Los criterios a considerar para elegir un sistema de agitación son el tipo de fluido, sólidos suspendidos, el objetivo que se desea alcanzar con la agitación, etc.
  • Para la dispersión de sólidos o polvos dentro de líquidos, el mas utilizado es un disco dispersor.Esta turbina se caracteriza por su corte elevado, turbulencia fuerte y gran eficiencia de mezcla.

  • Para suspender, homogeneizar, mezclar y diluir, el sistema más común es el de propela. Esta turbina se caracteriza por su corte débil, turbulencia media y un muy buen caudal.

  • Para la fabricación de emulsiones finas líquido-líquido, para la dispersión de productos hinchables (geles) y para el afinamiento y dispersión de pigmentos, los cabezales con rotor han indicado buenos resultados . Compuestas de un rotor que gira a alta velocidad en torno a un estator fijo. El rotor está provisto de un grupo de cuatro cuchillas que pasan por las aberturas del estator (diferentes tipos de abertura de acuerdo al producto) pulverizando partículas y gotas y expulsando el material a alta velocidad, promoviendo un flujo continuo y una mezcla rápida.

MEZCLADO


La mezcla es una de las operaciones más importantes en la ingeniería de bioprocesos, cuyo objetivo principal es que un fluido sea más uniforme, eliminando gradientes de concentración, temperatura y otras propiedades. El mezclado se da al intercambiar material entre diferentes localizaciones para producir homogeneidad entre los componentes. Para que ésta sea efectiva, el fluido impulsado por el rodete debe recorrer todo el recipiente en un tiempo razonable, además, la velocidad del fluido impulsado por el rodete debe ser suficiente para arrastrar al material hacia las partes mas alejadas del tanque y formar turbulencias.

El diseño de la agitación se ve influenciado desde dos perspectivas: el grado de homogeneidad y el tiempo de mezcla. Ya que el resultado de la mezcla nunca es perfecto, el grado de homogeneidad depende de la calidad deseada en el producto final, y el tiempo relacionado con la potencia requerida en la agitación depende del grado de homogeneidad, así como del rendimiento.

La eficiencia del proceso de mezclado depende de una efectiva utilización de la energía que se emplea para generar el flujo de componentes. Para lograr proporcionar un suministro de energía adecuado hay que considerar las propiedades físicas de los componentes, el diseño del agitador que transmite la energía y la configuración del tanque de mezclado.

El mezclado depende de la densidad del fluido, el volumen del contenedor, la geometría del contenedor, la velocidad de agitación, la geometría del agitador, la posición del agitador en el tanque, etc.

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Figura N° 1: Representación de un reactor mezclado (Software: Visimix Turbulent 2.0)

Incluye:
  • Combinación de los componentes solubles del medio, como los azúcares
  • La dispersión de gases, como el aire, cuando atraviesa el líquido en forma de pequeñas burbujas
  • Mantenimiento de la suspensión de partículas sólidas, como las células
  • Formación de emulsiones o suspensiones de gotas finas
  • La mejora de la transferencia de calor hacia o desde el líquido

El mezclado es una de las operaciones más importantes en bioprocesado. Para crear las condiciones ambientales óptimas para la fermentación, los biorreactores deben proporcionar a las células acceso a todos los sustratos, incluyendo el oxígeno en los cultivos aerobios. no es suficiente con llenar el fermentador con el medio rico en nutrientes, ya que a menos que el cultivo se encuentre bien mezclado se formarán zonas sin nutrientes en aquellos puntos de mayor consumo por parte de las células.

Otra función importante del mezclado es la transmisión de calor. Los biorreactores deben ser capaces de transmitir calor hacia o desde el cultivo lo suficientemente rápido como para mantener la temperatura deseada. La velocidad de transmisión de calor del cultivo a través de las paredes del recipiente hacia el agua de refrigeración depende de las condiciones de mezcla en el recipiente, y la efectividad de la mezcla depende a su vez de las propiedades reológicas del fluido del cultivo.

Algunas de las dificultades que aparecen a la hora de caracterizar la mezcla y agitación es la gran cantidad de sustancias (líquidos y sólidos) que se pueden encontrar en la industria química. Por tanto, el diseño y la optimización de agitadores están confiados en gran medida, a la experimentación.
Existen varios tipos de software de posible uso académico para simulación y diseño de tanques y agitadores; como ejemplos encontramos ReyNo, Inc y VisiMix.
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Figura N° 2: Agitador

En el siguiente video se muestran algunos diseños de rodetes existentes en el mercado, dependiendo de las propiedades fisicoquímicas del fluido (vicsocidad, densidad, volumen, etc) asi como tambien de la geometría del tanque y las condiciones de flujo.















MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS



Separación de mezclas homogéneas
  • Líquidos inmiscibles = Decantación
  • Solido- Líquido = Filtración
  • Sólidos = Extracción de uno de los componentes con un disolvente en condiciones apropiadas

Separación de mezclas homogéneas
  • Líquidos o gases = Cromatografía de líquidos o de gases
  • Líquidos = Destilación
  • Sólidos en líquido = Extracción de un soluto con otro disolvente en el que sea más soluble.
Cristalización por evaporación parcial del disolvente o descenso de la temperatura.

Purificación de coloides
  • Sólido en líquido = Filtración (partículas grandes), ultrafiltracíón(filtración a presión a través de membranas muy pequeñas),


EQUIPO DE MEZCLA


La mezcla se realiza generalmente en tanques agitados, mediante el empleo de rodetes o agitadores sobre el tanque; los agitadores permiten el intercambio de materia entre diferentes localizaciones para producir una mezcla final de los componentes, logrando una distribución homogénea en el sistema o en el fluido. Los agitadores más comunes empleados en la industria y sus parámetros de diseño se encuentran mas detallados en la hoja de bioreactor- agitador.

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Estos tanques agitados se construyen generalmente cilíndricos, con base redonda con el fin de eliminar las esquinas donde las corrientes del fluido no pueden penetrar y proporcionar la formación de regiones estancadas, también llamados puntos muertos.
Un tanque agitado esta provisto de:
  • Deflectores o bafles: elementos soldados dentro del tanque por medio de unos corches, y reducen los vórtices en el fluido. Se recomienda colocarlos en números pares. La anchura de los deflectores depende del diseño del rodete y la viscosidad del fluido. Tambien estos suelen estar adheridos o separados de la pared del tanque e incluso tener un ángulo de inclinación con respecto al eje del tanque.

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Disposición de los deflectores. (Doran, 1998)
.


Reactor Anaerobico con Deflectores

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Anaerobic baffled reactor.png


MEJORA DE LA MEZCLA


Al aumentar la escala en los reactores ocurren problemas en el mezclado, por lo general no es posible disminuir los tiempos de mezcla con solo aumentar la potencia del agitador, por lo que es necesario recurrir a otras soluciones más viables como el uso de un simulador para examinar los posibles cambios que se puedan dar en el escalado. La mezcla también puede mejorarse cambiando la configuración del sistema con el aumento de deflectores que aumenten la turbulencia. Otro dispositivo para mejorar la mezcla consiste en colocar varios agitadores si el reactor a usar es demasiado alargado como se muestra en el siguiente video, aunque esto conlleva a un aumento en la potencia del motor.













TIPO DE FLUJO EN TANQUES AGITADOS


El tipo flujo existente en un tanque agitado depende del diseño del rodete, de las propiedades del fluido, del tamaño, proporciones geométricas del recipiente, de los deflectores y del agitador, estos son:
  • Flujo circular
  • Flujo radial
  • Flujo axial

Flujo circular: alrededor del eje del agitador es perjudicial debido a la formación de vórtices ya que su movimiento de forma laminar no produce mezcla suficiente entre el fluido situado a diferentes alturas del tanque.
Flujo axial.- Generan corrientes paralelas al eje del agitador, las palas de estos agitadores están situadas de forma paralela al eje vertical y del tanque, como puede apreciarse en la turbina de disco de seis palas planas.
Estos agitadores son especialmente útiles cuando se necesitan formar corrientes verticales fuertes. Por ejemplo: si el fluido contiene sólidos, un flujo axial grande del líquido que sale del rodete impedirá que se deposite en el fondo del tanque.
En estos agitadores, el líquido es despedido radialmente desde el rodete contra las paredes del tanque donde se divide en dos corrientes, una que fluye hacia la parte superior del tanque y otra hacia el fondo; cada cierto tiempo estas corrientes alcanzan el eje central del tanque y retornan al rodete.

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Gráfico Nº.1: Flujo axial
Agitadores de flujo radial.-Generan corrientes tangenciales, emplean palas que forman un ángulo inferior a 90° con el plano de rotación y generan un movimiento axial techo-fondo. Estos agitadores pueden crear también cierto flujo circular, que se reduce mediante la colocación de deflectores.
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Gráfico Nº.2: Flujo radial
MECANISMOS DE MEZCLA

Para que la mezcla sea efectiva, el fluido impulsado por el rodete debe recorrer todo el recipiente en un tiempo razonable. Además la velocidad del fluido impulsado por el rodete debe ser suficiente para arrastrar al material hacia las partes mas alejadas del tanque y formar turbulencia. La mezcla no es buena a menos que el flujo en el tanque sea turbulento. Todos estos factores son importantes en el mezclado de fluidos, los cuales pueden describirse como una combinación de tres procesos físicos:

  • Distribución
Denominada algunas veces macromezcla, es un proceso importante en el mezclado pero es relativamente lento. En grandes tanques, el recorrido de circulación es grande y por tanto también el tiempo que tarda en recorrerlo. Esto junto con la regularidad del bombeo del fluido por el rodete, impide una mezcla rápida. Por ello la distribución es a menudo la etapa mas lenta del proceso de mezclado.

  • Dispersión
Facilita una transferencia más rápida de materia a través del recipiente. El grado de homogeneidad que es posible alcanzar como resultado de la dispersión viene limitada por el tamaño de los remolinos más pequeños que pueden formarse en un determinado fluido

  • Difusión
Denominada micro o macromezcla dependiendo de la escala del movimiento del fluido

EFECTIVIDAD DE LA MEZCLA

La valoración de la efectividad de la mezcla puede realizarse en la mayoría de los casos midiendo la velocidad del flujo del líquido; el tiempo de mezcla es un parámetro útil, aplicado para la caracterización del flujo en fermentadores y reactores.
El tiempo de mezcla es el tiempo necesario para alcanzar cierto grado de homogeneidad partiendo de un estado completamente segregado.
Los tanques agitados a escala industrial que trabajan con volúmenes entre 1 y 100 m3 presentan tiempos de mezcla entre 30 y 20 segundos.
Para lograr una buena mezcla el rodete debería colocarse por debajo del centro geométrico del recipiente, el rodete se coloca a una distancia sobre el fondo del tanque que corresponde aproximadamente a un diámetro del rodete o a un tercio del diámetro del tanque.
A continuación se observa un video experimental de uno de los mezcladores con mayor efectividad:



















Agitacion
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POTENCIA DE MEZCLADO

La potencia depende de la resistencia ofrecida por el fluido a la rotación del rodete, el consumo medio de potencia por unidad de volumen en bioreactores industriales varia desde 10 kWm-3 para recipientes pequeños hasta 12 kW m-3 para recipientes grandes.
El rozamiento producido en la caja del motor del agitador y las juntas reducen la energía transmitida al flujo, por lo que la potencia eléctrica consumida por los motores de los agitadores es mayor a la necesaria para la mezcla.Las variables que pueden ser controladas y que influyen en la potencia consumida por el agitador son:
  • Dimensiones principales del tanque y del rodete: Diámetro del tanque (Dt)
  • Diámetro del rodete (Da ), altura del líquido (H), ancho de la placa deflectora (J)
  • Distancia del fondo del tanque hasta el rodete (E), y dimensiones de las paletas.
  • Viscosidad (m) y densidad (r) del fluido.
  • Velocidad de giro del agitador (N).

Para fluidos Newtonianos sin aireación:
La potencia de mezcla para fluidos no aireados depende de la velocidad del agitador, del diámetro y geometría del rodete y propiedades del fluido como la viscosidad y densidad.

TASA DE MEZCLADO

El grado de mezclado logrado en un tanque agitado no es tan solo función de la potencia suministrada. Ha resultado sumamente difícil el definir una escala para expresar el grado de mezclado a un tiempo dado, y la decisión final de cuando un material se encuentra mezclado está todavía sujeta a la habilidad, experiencia y juicio del operador. Por ello se ha recurrido al uso de pruebas empíricas como el mejor método para estimar el grado de mezclado obtenido. No existe un criterio generalizado para determinar la efectividad del mezclado. Algunos métodos que han sido empleados son:

a) la tasa de dispersión de un electrolito, tal como una solución salina, en agua.
b) la tasa de distribución de arena en agua, y
c) la tasa de disolución de sólidos en distintos solventes.


APLICACIÓN BIOTECNOLÓGICA


Uso de bioreactores en la producción de metabolitos secundarios en cultivos vegetales in vitro, mediante la agregación celular.

Las plantas son fuente de gran variedad de compuestos químicos, denominados metabolitos secundarios, los mismos que se utilizan de diversas formas tales como: fármacos, pesticidas, colorantes, saborizantes, fragancias, entre otros. Su extracción generalmente representa un problema, debido a que la acumulación de estos compuestos en las especies vegetales es baja y lenta , ya que está regulada espacial y temporalmente; es decir, ocurre en células, órganos y tejidos específicos, en fases determinadas del ciclo de vida de la planta, bajo condiciones estacionales o de estrés (Verpoorte et al., 2002). Además, en el caso de plantas silvestres, su explotación comercial, ha provocado que muchas especies se encuentren amenazadas o en peligro de extinción.
El cultivo masivo de células vegetales se ha propuesto como una alternativa biotecnológica para el desarrollo de sistemas de producción de metabolitos secundarios (Sharp y Doran, 2001); donde las suspensiones celulares son los sistemas que operan a nivel comercial; debido a que la formación de agregados celulares permiten la comunicación intercelular, que a su vez facilita el transporte de intermediarios, necesariopara la biosíntesis de metabolitos secundarios; además este sistema resulta el más práctico para el cultivo a gran escala y presenta múltiples ventajas para el control de parámetros en los bioreactores (Kieran et al., 1997).

Los biorreactores para el cultivo de células vegetales pueden clasificarse en tres grandes grupos dependiendo del tipo de cultivo: células en suspensió, células inmovilizadas y reactores de biopelícula (Kargi y Rosenberg,1987).

Reactores con células en suspensión. En este tipo de reactor las células están suspendidas y se pueden mezclar libremente en el fluido, bien sea como células individuales o en forma de agregados. La principal ventaja es proporcionar un ambiente de cultivo uniforme para las células de las plantas. Una de sus principales desventajas es el relativo bajo control sobre el tamaño de agregado de las células. Se requiere cierto grado de agregación (contacto célula-célula) y puede ser necesaria la diferenciación celular para la producción de los metabolitos secundarios.


Cuando los agregados formados son grandes, los niveles de nutrientes en el centro de los agregados puede no ser adecuado para soportar la actividad metabólica. El tamaño de los agregados puede cambiar durante un cultivo batch, dependiendo del esfuerzo de corte y otros parámetros como la concentración de iones calcio y la concentración de compuestos de carbono (Kargi y Rosenberg, 1987).

Ejemplos de este tipo de reactor lo constituyen el reactor de tanque agitado, la columna de burbujeo o el reactor airlift. Este último reactor, junto con el de burbujeo, parecen ser el tipo de reactor más apropiado para el cultivo de células vegetales en suspensión, debido a la sensibilidad frente al esfuerzo de corte de las células. Con el fermentador airlift se ha obtenido una mayor producción de metabolitos secundarios comparado con los reactores agitados mecánicamente (Kargi y Rosenberg, 1987; Kreis, and Reinhard, 1989), aunque para cultivos de alta densidad celular (20 – 30 kg células secas / m3) son apropiados los reactores agitados y para cultivos con densidades celulares moderadas (15 – 20 kg células secas / m3 son adecuados los reactores air – lift (Doran, 1999; Hu y Zhong, 2001), los cuales presentan la ventaja del bajo costo de agitación (Futamura et al, 2001).

Reactores con células inmovilizadas. Este tipo de rectores contiene células inmovilizadas, cuya película de células no tienen un espesor definido. Algunas de las ventajas de la movilización son las siguientes (Kargi y Rosenberg, 1987; Kreis and Reinhard, 1989).

La inmovilización proporciona un mejor contacto célula – célula y una mejor diferenciación de células, resultando en una producción mayor de metabolitos secundarios.

Se han desarrollado varios métodos de inmovilización: atrapamiento en gel, enlace También se podrían clasificar en este grupo los reactores de tambor rotatorio o cilindros horizontales, en los cuales se logra la transferencia de masa con un relativo menor consumo de potencia; son útiles para procesos con t ejidos sensibles al esfuerzo de corte y favorece las fotobiorreacciones, si el reactor es irradiado con luz, o los procesos con altas viscosidades (Salisbury y Ross,1994).

· La inmovilización proporciona una mayor concentración de células por unidad de volumen del reactor, obteniendo una alta productividad volumétrica de células y producto.
· La inmovilización elimina el problema del lavado de células (washout) y permite el re-uso de las células vegetales en un sistema continuo y por largos periodos de tiempo.
· Las células están protegidas contra los esfuerzos de cizalladura covalente e inmovilización en membranas y en reactores de fibras huecas.

Pueden usarse reactores airlift o de lecho fluidizado conteniendo burbujas de gel con células inmovilizadas y aunque estos reactores mejoran las condiciones transferencia de masa con respecto a otros reactores de lecho inmovilizado, se obtiene un crecimiento de células y producción de metabolitos muy lenta. Se han realizado numerosos estudios para mejorar esta producción, por ejemplo, una duplicación en la densidad del inóculo (células inmovilizadas en alginato) en un reactor de Catharanthus roseus, duplicó la concentración de ajmalicina (Lee, 2000).

En los reactores con lechos poliméricos porosos (polifenileneóxido activado con glutaraldehido) las condiciones micro-ambientales son el principal problema. Los reactores empacados tienen una alta producción debido a la alta relación superficie/ volumen.Los reactores de fibras huecas han sido ampliamente usados para la inmovilización de células microbiales y mamíferas. También se usa la microencapsulación de célula de plantas mediante microcápsulas de membranas poliméricas (poliestireno, nylon, polilisina-alginato).

Reactores de biopelículas de células. Estos reactores tienen un espesor definido de la película de células inmovilizadas, lo cual puede proporcionar un mejor ambiente para el crecimiento de células y formación de metabolitos secundarios (Kargi y Rosenberg,1987). Se reporta el cultivo de callos de células de plantas con una cantidad mayor de producción de alcaloides comparado con cultivos en suspensión (Lindsey y Yeoman, 1983). La unión de las células a superficies de vidrio se obtiene con altas concentraciones de calcio (se cree que los iones calcio forman puentes entre las moléculas poliméricas, e.g. pectina, y la superficie de vidrio). Algunas de las ventajas de los reactores de biopelícula son las siguientes (Kargi y Rosenberg, 1987):

· Las células inmovilizadas sobre superficies de partículas inertes tienen un contacto directo con los nutrientes de una fase líquida bien mezclada y controlada. Se puede cambiar el grado de diferenciación de las células, manupulando el espesor de las películas y las condiciones microambientales.
· Las células tienen un contacto directo unas con otras, lo cual permite una mayor producción de metabolitos Se puede obtener una alta concentración de células si se usa una configuración de reactor con una alta relación superficie/volumen.
· Debido a que se diferencia claramente la fase líquida de la fase sólida, se simplifican las operaciones de recuperación de producto.
· Se elimina el problema del lavado de células.
· Los efectos de cizalladura son reducidos con respecto a los reactores en suspensión.
La Tabla 1 presenta un resumen de los tipos de cultivo, tipos de biorreactores y principales desventajas


Tabla 1. Resumen de los tipos de cultivo, tipos de biorreactores y principales desventajas.

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La agitación en estos sistemas es un punto clave en el éxito del proceso, debido a que proporciona una mezcla homogénea en todo el tanque, lo que permite la difusión y transporte tanto de nutrientes como de oxígeno hacia las suspensiones celulares, por otro lado, depende de la potencia, tipo y velocidad del agitador la formación de agregados, ya que puede darse el caso de la formación de vórtices, estrés de corte, sedimentación o reducción de la biomasa. Es decir, en el momento del diseño de un bioreactor, es indispensable el análisis de todos los factores mencionados anteriormente para lograr la máxima eficiencia en el sistema, en este caso en la producción de metabolitos secundarios.

Utilización comercial de reactores con células vegetales. El primer proceso comercial que utilizó células vegetales fue la producción del colorante y antibacterial shikonina, utilizando Lithospermum erythrorhizon en 1983.
Algunos productos reportados con un potencial comercial se aprecian en la Tabla 3. Hay muy pocos procesos comerciales reportados a escala industrial, incluyendo la producción de shikonina, fosfodiesterasa, ácido rosmarínico, gingseng (Zhong, Yu; y Yoshida , 1995) y berberina (Sajc, Grubisic, y Vunjac-Novakovic, 2000).
La productividad de compuestos en base seca, de células vegetales, se puede incrementar considerablemente en los cultivos celulares con respecto a la productividad con plantas intactas.

Tabla 2. Algunos metabolitos secundarios de plantas con un potencial comercial para obgtenerse en cultivos celulares.

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La Tabla 3 muestra algunos ejemplos que comparan el incremento en la productividad de ciertos metabolitos en biorreactores, con respecto a las plantas in vivo.
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Se esperaría obtener la síntesis de cualquier producto natural en biorreactores, pero no todos los cultivos de células producen los compuestos naturales y en general éstos se acumulan en pequeñas cantidades. Por esto los mejores candidatos para la producción comercial son los metabolitos secundarios con un alto costo en el mercado. Las células cultivadas son diferentes a las células en la planta intacta en términos de fisiología, citología y morfología (Lee, 1996).
Esto implica que en muchos casos es preciso la inducción de los metabolitos de interés en los cultivos celulares (elicitación) e inclusive la extracción de los metabolitos del interior de las células, ya que algunos no son excretados al medio extracelular.
La inducción de los metabolitos depende de múltiples factores tal como se presenta en las secciones posteriores y la concentración de las sustancias de interés en el medio de cultivo va a determinar en gran medida el costo del producto.

Mientras más diluido se encuentre el producto, más etapas unitarias de purificación se requerirán y más costoso será el proceso productivo y en este caso se puede recurrir a resinas o polímeros para extraer o concentrar los metabolitos secundarios (Ju et al, 1999; Lee, 2000).
El tipo de fermentador que se utilice, si es de lecho empacado, columna de burbujeo o tanque agitado, también está relacionado con las variables de operación y el costo de producción.



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OPERACIONES ASÉPTICAS EN FERMENTADORES


En reactores agitados, otro potencial punto de entrada de contaminantes es la unión entre el eje del agitador y el reactor. El espacio existente entre el eje delagitador y el cuerpo del fermentador debe estar sellado. Si el fermentador opera durante largos períodos de tiempo, el desgaste de la unión facilita la entrada de los contaminantes existentes en el , medioambiente.
Para prevenir este tipo de contaminantes se han diseñado varios tipos de cierres de agitador. En los fermentadores de gran tamaño se utilizan normalmente cierres mecánicos.(Doran,1998)

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REFERENCIAS


los que generan corrientes paralelas al eje del agitador y los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Los primeros se llaman agitadores de flujo axial y los segundos agitadores de flujo radial.incipales de agitadores utilizados en la industria son, de hélice, de paletas, y de turbina. Cada uno de estos tipos comprende muchas variaciones y subtipos que no consideraremos aquí. En algunos casos también son útiles agitadores especiales, pero con los tres tipos antes citados se resuelven, quizás, el 95% de los problemas de agitación de líquidos.