1. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL
PERÚ
ESCUELA DE POST GRADO
MAESTRÍA EN DIDÁCTICA Y GESTIÓN
EDUCATIVA
ESCRITO POR:
PROFESOR ENRIQUE GREGORIO NÚÑEZ YAPIAS
TARMA, JULIO DE 2013
BIORREACTORES

2. INDICE
I. BIORREACTORES ....................................................................................................................... 4
1.1. DEFINICIÓN........................................................................................................................... 4
1.2. CLASIFICACIÓN:.................................................................................................................. 4
1.2.1. DE ACUERDO A SUS FASES:................................................................................... 4
1.2.2. DE ACUERDO AL METABOLISMO (CLASIFICACIÓN BIOLÓGICA). ................ 4
1.2.3. DE ACUERDO A SU PROCESO DE OPERACIÓN:............................................... 5
1.2.4. DE ACUERDO A LA MEZCLA: ................................................................................... 5
1.3. ELECCIÓN DEL TIPO DE REACTOR:.............................................................................. 5
1.4. DISEÑO DE BIORREACTORES........................................................................................ 5
PRINCIPIOS EN EL DISEÑO DE BIORREACTORES. .......................................................... 6
DESVENTAJAS:........................................................................................................................... 6
DESVENTAJAS:........................................................................................................................... 7
VENTAJAS: ................................................................................................................................... 7
VENTAJAS: ................................................................................................................................... 7
DESVENTAJAS:........................................................................................................................... 7
1.5. CULTIVOS Y FERMENTACIONES.................................................................................... 8
1.6. BIORREACTORES Y TIPOS DE CULTIVO ..................................................................... 9
A. CÉLULAS Y MICROORGANISMOS ANAERÓBICOS.................................................... 9
B. CÉLULAS Y MICROORGANISMOS FACULTATIVOS................................................... 9
C. CÉLULAS Y MICROORGANISMOS AERÓBICOS. .................................................. 10
1.7. TIPOS DE CULTIVO QUE SE PUEDEN REALIZAR: ................................................... 10
CULTIVOS MICROBIANOS ANAERÓBICOS – FERMENTADOR BACTERIAL
(CO2).............................................................................................................................................. 10
CULTIVOS MICROBIANOS FACULTATIVOS – FERMENTADOR BACTERIAL..... 10
CULTIVOS MICROBIANOS AERÓBICOS – FERMENTADOR BACTERIAL (O2). 10
CULTIVOS CELULARES AERÓBICOS Y FACULTATIVOS – FERMENTADOR
MICÓTICO (CO2)........................................................................................................................ 10
CULTIVOS CELULARES AERÓBICOS ESTRICTOS – FERMENTADOR CON
AIREACIÓN (O2)......................................................................................................................... 10
CÉLULAS VEGETALES EN SUSPENSIÓN – BIORREACTOR DE ELEVAMIENTO
POR AIRE (O2) EN RÉGIMEN TURBULENTO (Re ≥ 3000)............................................... 11

3. PROTOPLASTOS VEGETALES – BIORREACTOR DE LEVATAMIENTO POR
AIRE (O2) EN RÉGIMEN LAMINAR (Re ≤ 2300).................................................................. 11
CÉLULAS ANIMALES – BIORREACTOR DE LECHO FLUIDIZADO (O2). .............. 11
CÉLULAS INMOBILIZADAS – BIORREACTOR DE FIBRA HUECA (O2). ............... 11
CÉLULAS EMPAQUETADAS – BIORREACTOR DE LECHO EMPACADO (O2)... 12
CULTIVOS ENZIMÁTICOS – REACTORES DE LECHO CATALÍTICO.................... 12
1.8. MODO DE OPERACIÓN Y SISTEMAS DE CULTIVO. ............................................... 12
1.8.1. DISCONTINUO (batch). ............................................................................................. 13
1.8.2. SEMICONTINUO (Fed – batch)................................................................................ 13
1.8.3. CONTINUO. ................................................................................................................. 13
1.9. BALANCES Y ECUACIONES ........................................................................................... 13
1.9.1. BALANCE GENERAL BIOMASA.............................................................................. 13
1.9.2. BALANCE GENERAL POR COMPONENTE.......................................................... 14
1.9.3. BALANCE GENERAL POR COMPONENTE PARA CADA MODO DE
OPERACIÓN................................................................................................................................ 14
1.9.4. BALANCES INDIVIDUALES...................................................................................... 16
II. TECNOLOGIA ENZIMÁTICA .................................................................................................... 18
2.1. LAS ENZIMAS COMO CATALIZADORES...................................................................... 18
2.2. APLICACIONES INDUSTRIALES .................................................................................... 18
2.2.1. ALIMENTOS................................................................................................................. 19
2.2.2. INDUSTRIAS LÁCTEAS ............................................................................................ 19
2.2.3. PANADERÍA................................................................................................................. 20
2.2.4. CERVECERÍA.............................................................................................................. 20
2.2.5. FABRICACIÓN DE ZUMOS ...................................................................................... 20
2.2.6. FABRICACIÓN DE GLUCOSA Y FRUCTOSA A PARTIR DEL MAÍZ. .............. 20
2.2.7. ENERGÍA...................................................................................................................... 21
2.2.8. PRODUCTOS MÉDICOS Y FARMACÉUTICOS ................................................... 21
2.3. INMOVILIZACIÓN DE ENZIMAS Y CÉLULAS............................................................... 21
MÉTODOS UTILIZADOS PARA LA INMOVILIZACIÓN DE ENZIMAS.............................. 22
BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................ 23

4. I. BIORREACTORES
1.1. DEFINICIÓN.
Es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En algunos casos,
un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra
organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos, se lleva a
cabo una reacción catalizada por enzimas o células, libres o inmovilizadas. Este proceso puede
ser aeróbico o anaeróbico. Estos biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño
desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable.
El biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propias (PH, temperatura,
concentración de oxígeno) al organismo o sustancia química que se cultiva. En función de los
flujos de entrada y salida, la operación de un biorreactor puede ser de tres puntos distintos:
Lote (batch).
Lote alimentado (fed – batch).
Continuo o quimiostato.
1.2. CLASIFICACIÓN:
1.2.1. DE ACUERDO A SUS FASES:
Homogéneos.
Heterogéneos.
1.2.2. DE ACUERDO AL METABOLISMO (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: 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.

5. 1.2.3. DE ACUERDO A SU PROCESO DE OPERACIÓN:
Continuos.
Semicontinuo.
Discontinuos.
Esta es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor, sea químico o biológico
(biorreactor). En los reactores biológicos el modo de operación define el sistema de cultivo
que es el mismo y delimita la clasificación procesal – productiva del bioproceso (cultivo). Al
operar un biorreactor en una determinada categoría (discontinuo, semicontinuo, continuo),
automáticamente queda determinado 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.
1.2.4. DE ACUERDO A LA MEZCLA:
Biorreactor discontinuo de mezcla completa.
Biorreactor continuo de mezcla completa.
Biorreactor continuo de flujo de pistón.
Biorreactor reactores de lecho fluidizado.
1.3. ELECCIÓN DEL TIPO DE REACTOR:
Control de PH y temperatura.
Exigencias de suministro o eliminación de reactores gaseosos.
Presencia de partículas sólidas deseadas o indeseadas en la alimentación.
Estabilidad química y/o biológica de sustratos y productos.
Sustitución del catalizador.
Inhibición por sustratos y/o productos.
Escala de operación.
Destinos del producto.
1.4. DISEÑO DE BIORREACTORES.
Es una tarea de ingeniería bastante compleja, los organismos o células son capaces de realizar
su función deseada con gran eficiencia bajo condiciones óptimas. Las condiciones ambientales
de un biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo; oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono,
etc.), temperatura, PH, oxígeno disuelto y velocidad de agitación o circulación, deben ser
cuidadosamente monitoreadas y controladas.

6. La mayoría de los fabricantes industriales de biorreactores usan recipientes, sensores,
controladores y un sistema de control interconectados para su funcionamiento en el sistema
biorreacción.
La misma propagación celular puede afectar la esterilidad y eficiencia del biorreactor,
especialmente en los intercambiadores de calor. Para evitar esto, el biorreactor debe ser
fácilmente limpiable y con acabados lo más sanitario posible (de ahí sus formas redondeadas).
Se requiere de un intercambiador de calor para mantener el bioproceso a temperatura constante.
La fermentación biológica es una fuente importante de calor, por lo que en la mayor parte de los
casos, los biorreactores requieren de agua de enfriamiento. Pueden ser refrigerados con una
chaqueta externa o, para recipientes sumamente grandes, con serpentines internos.
En un proceso aerobio, la transferencia óptima de oxígeno es tal vez la tarea más difícil de lograr.
El oxígeno se disuelve poco en agua (y aún menos en caldos fermentados) y es relativamente
escaso en el aire (20,8 %). La transferencia de oxígeno usualmente se facilita por la agitación
que se requiere también para mezclar los nutrientes y mantener la fermentación homogénea. Sin
embargo, existen límites para la velocidad de agitación, debidos tanto al alto consumo de energía
( que es proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al daño ocasionado a los
organismos debido a un esfuerzo de corte excesivo.
Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que
pueden resistir la fuerza de agitación. También son fáciles de mantener ya que requieren solo
soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.
En los biorreactores utilizados para crecer células o tejidos, el diseño es significativamente
distinto al de los biorreactores industriales. Muchas células y tejidos, especialmente de mamífero,
requieren una superficie u otro soporte estructural para poder crecer y los ambientes agitados son
comúnmente dañinos para estos tipos de células y tejidos. Los organismos superiores también
requieren medios de cultivo más complejos.
PRINCIPIOS EN EL DISEÑO DE BIORREACTORES.
A. BIORREACTOR DISCONTINUO DE MEZCLA COMPLETA.
Variación de forma continua.
Constante a través del reactor.
Empleo de enzimas solubles.
Volumen pequeño de producción.
DESVENTAJAS:
Cambios en las condiciones de operación.
Grado de mezcla en reactores a gran escala.

7. B. BIORREACTOR CONTINUO DE MEZCLA COMPLETA.
Composición uniforme.
Versátiles y baratos.
Facilidad de control de PH, temperatura, etc.
DESVENTAJAS:
Gastos energéticos elevados.
C. BIORREACTOR DE FLUJO EN PISTÓN.
Invariable a lo largo del tiempo.
Varía a través del reactor.
Células o enzimas libres (inoculación).
Células o enzimas inmovilizados.
VENTAJAS:
Más eficaces que los de mezcla completa.
Simples y fáciles de manejar y automatizar.
D. BIORREACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
Fluidización: winkler (1921).
De lecho fluido o turbulento.
Biocatalizador o en suspensión.
Flujo de sustrato.
VENTAJAS:
Buen control de PH, T°, gas, etc.
Gran área de interacción.
Facilidad de hacer trabajo en continuo.
DESVENTAJAS:
Técnica de trabajo cara.
El diseño en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos básicos y teóricos que
conlleven a lograr un prototipo; para la realización integra de un modelo, otra gran parte, trata
de la adaptación creativa y de la utilización del ingenio propio para lograr el objetivo de
conjuntar el ambiente biológico de un cultivo vivo con el ambiente artificial de un dispositivo
controlado; este es el resultado denominado biorreactor o reactor biológico. Un biorreactor es
por tanto un dispositivo biotecnológico que debe proveer internamente un ambiente controlado
que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte
biológica. Externamente el biorreactor es la frontera que protege ese cultivo del ambiente

8. externo: contaminado y no controlado. El biorreactor debe por tanto suministrar los controles
necesarios para que la operación o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con economía, alto
rendimiento (productividad) y en el menor tiempo posible; esa es la parte tecnológica.
El biorreactor es un sistema totalmente cerrado para la recepción y tratamiento de las aguas
residuales, residuos agrícolas y de cualquier otro tipo de residuos orgánicos biodegradables,
donde son convertidos en abono biológico formulado, libre de todo patógeno, y genera un gas,
llamado biogás, el cual se purifica hasta llevarlo a metano puro en la mayor proporción posible
para ser utilizado en cualquier sistema de combustión, motores o cualquier otro tipo de equipo
que opere con gas natural, incluyendo los vehículos particulares convertidos a gas natural
pues tiene un alto porcentaje de metano de no menos del 91% y su composición, poder
calorífico, etc. Es casi idéntico a la del gas natural, debido a que se purifica hasta su punto
óptimo.
1.5. CULTIVOS Y FERMENTACIONES.
Lo primero que hay que entender en el diseño de reactores biológicos es que contrario a los
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 características intrínsecas del organismo o cultivo tales
como crecimiento y tasa de división celular, así como del tipo de operación que se lleve a cabo.
Por eso, lo primero que se define en el diseño de un biorreactor es el propósito de utilización; es

9. decir, qué tipo de cultivo se va utilizar, el modo de operar y/o el proceso de cultivo. El biorreactor
– sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos:
a. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
b. Mantener constante y homogénea la temperatura.
c. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
d. Prevenir la sedimentación y la floculación.
e. Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.
f. Mantener el cultivo puro.
g. Mantener un ambiente aséptico.
h. Maximizar el rendimiento y la producción.
i. Minimizar el gasto y los costos de producción.
j. Reducir al máximo el tiempo.
Una fermentación es un proceso biológico o bioproceso que consiste en la descomposición de la
materia orgánica por microorganismos fermentadores (bacterias y hongos).
Un cultivo también es un bioproceso; pero generalmente se asocia a organismos o
microorganismos superiores (en orden jerárquico) a las bacterias; los cultivos son casi todos del
reino Eucariota.
1.6. BIORREACTORES Y TIPOS DE CULTIVO
Los sistemas biológicos que determinan el metabolismos celular de cultivo y el modo procesal –
biológico del sistema son:
A. CÉLULAS Y MICROORGANISMOS ANAERÓBICOS.
Bacterias en su gran mayoría, son microorganismos de metabolismos 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 (catabolismos), es utilizada como aceptor
de electrones, en un proceso bioquímico como respiración oxidativa; esta molécula es
reducida a producto orgánico en un proceso comúnmente denominado fermentación.
B. CÉLULAS Y MICROORGANISMOS FACULTATIVOS.
Son ambivalentes, tienen la capacidad de vivir o sobrevivir entre ambientes: aeróbico y
anaeróbico; microorganismos de metabolismos mixto por lo que, pueden tanto degradar
(catabolismo) como construir (anabolismos) materia orgánica, a partir de diferentes sustratos
(materia prima), tanto orgánicos como inorgánicos. Pese a su versatilidad, sus mayores
representantes son microorganismos que presentan relaciones parásitas o simbiontes tales
como; hongos y levaduras, por lo que son muy extensos.

10. C. CÉLULAS Y MICROORGANISMOS AERÓBICOS.
Pertenecen en su mayoría al reino Eucariota (pero también hay procariotas) son
microorganismos y células que respiran (utilizan la glucólisis como forma de respiración
celular); por lo que su metabolismo es constructivo (anabólico) y deben obtener sus nutrientes
de diferentes fuentes. Sus principales grupos están representados por: bacterias y
microorganismos aeróbicos, plantas y animales; cuyas células se pueden cultivar en
suspensiones celulares o bien, en diferentes arreglos artificiales o modificadas.
1.7. TIPOS DE CULTIVO QUE SE PUEDEN REALIZAR:
CULTIVOS MICROBIANOS ANAERÓBICOS – FERMENTADOR BACTERIAL (CO2).
Los microorganismos de metabolismos anaeróbico son los más simples de todos, tan solo
necesitan de un medio de cultivo adecuado, agitación vigorosa y cierta cantidad de CO2
disuelto para crecer y multiplicarse.
CULTIVOS MICROBIANOS FACULTATIVOS – FERMENTADOR BACTERIAL.
Los microorganismos facultativos toleran la presencia de oxígeno en bajas concentraciones y
además de un sustrato adecuado, sólo requieren agitación moderada y un medio de cultivo
para crecer y desarrollarse.
CULTIVOS MICROBIANOS AERÓBICOS – FERMENTADOR BACTERIAL (O2).
Los microorganismos aeróbicos necesariamente requieren la presencia de oxígeno disuelto
(OD) para sobrevivir; además, agitación moderada y un medio de cultivo rico en nutrientes
para poder crecer y desarrollarse.
CULTIVOS CELULARES AERÓBICOS Y FACULTATIVOS – FERMENTADOR MICÓTICO
(CO2).
Los cultivos celulares se diferencian de los bacteriales (microbios) en que o son
microorganismos procariotas, son eucariotas. Son microorganismos aeróbicos o facultativos
pertenecientes al reino fungi (hongos y levaduras), generalmente llamados micóticos,
requieren de la presencia de CO2 disuelto en el medio como sustrato limitante de la velocidad
de reacción y generan estructuras reproductivas muy particulares.
CULTIVOS CELULARES AERÓBICOS ESTRICTOS – FERMENTADOR CON AIREACIÓN
(O2).
El cultivo de microorganismos celulares (no bacteriales) aeróbicos estrictos requieren la
presencia de oxígeno disuelto en el medio de cultivo para el metabolismo celular; así como
una adecuada agitación.

11. CÉLULAS VEGETALES EN SUSPENSIÓN – BIORREACTOR DE ELEVAMIENTO POR
AIRE (O2) EN RÉGIMEN TURBULENTO (Re ≥ 3000).
Las células vegetales pueden ser cultivadas en suspensiones celulares: pequeños agregados
celulares que se suspenden en el medio de cultivo mediante agitación. Dado que las células
vegetales, el diseño del biorreactor debe incorporar una línea de aireación (aire) para
suministrar oxígeno disuelto (OD) al medio de cultivo. El diseño debe contar con agitación
vigorosa, pues los agregados celulares vegetales tienden a agruparse (clusters) y de alcanzar
gran tamaño y peso, precipitarían. Por eso, la operación de este tipo de biorreactores debe
ser en régimen turbulento (Re ≥ 3000). Los biorreactores para células vegetales en
suspensión generalmente son diseñados con un mecanismo de levantamiento por aire que
combina una agitación vigorosa (turbulenta) con una adecuada aireación (oxígeno disuelto)
del medio de cultivo.
PROTOPLASTOS VEGETALES – BIORREACTOR DE LEVATAMIENTO POR AIRE (O2)
EN RÉGIMEN LAMINAR (Re ≤ 2300).
Los protoplastos son células vegetales desprovistas de su pared celular, esto se logra
utilizando enzimas proteolíticas (proteasas y lipasas) que degradan la pared celular.
Actualmente, el cultivo de protoplastos no es muy común, pero de realizarse, requiere de una
cama de aire (burbujas muy finas) que opere en régimen laminar (Re ≤ 2300), para evitar que
los esfuerzos cortantes (esquileo) e hidrodinámicos (agitación) generados en el medio de
cultivo dañen (lisis celular) las células en suspensión. También es indispensable que el medio
de cultivo contenga las proteasas y lipasas necesarias para evitar la regeneración de la pared
celular.
CÉLULAS ANIMALES – BIORREACTOR DE LECHO FLUIDIZADO (O2).
Los cultivos de las 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 (por ejemplo hepático) para funcionar adecuadamente. Par 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 acarreadoras hechas de
material cerámico poros 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 y
de un régimen de agitación laminar (Re ≤ 2300).
CÉLULAS INMOBILIZADAS – BIORREACTOR DE FIBRA HUECA (O2).

12. 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 la
célula no recibe la nutrición adecuada.
Los reactores de fibra hueca son los dispositivos más utilizados para inmovilizar y concentrar
cultivos celulares animales. Su diseño consiste en una batería de fibras huecas y porosas 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.
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.
CULTIVOS ENZIMÁTICOS – REACTORES DE LECHO CATALÍTICO.
Los cultivos enzimáticos se comportan en algunos aspectos como cultivos celulares y en otros
como reactivos 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 un semifluido (según sea el caso) dependiendo de la naturaleza
enzimática del sustrato; que por la naturaleza de la enzimas se conocen como lechos
catalíticos. Muchas veces el 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.
1.8. MODO DE OPERACIÓN Y SISTEMAS DE CULTIVO.
El modo de operación de un sistema de cultivo, es sinónimo del modo de operar del biorreactor o
fermentador. Éste no solo influye en el diseño propio del reactor, también, en el modelo cinético de

13. crecimiento del cultivo y en el proceso de producción. Existen tres modos de cultivo aunados a
tres modos básicos de operación:
1.8.1. DISCONTINUO (batch).
Por lotes o tandas, sin alimentación (F); se coloca dentro del biorreactor la carga total de cada
proceso (tanda o lote) de cultivo o fermentación y se deja que se lleve a cabo el proceso
productivo o la fermentación por el tiempo que sea necesario; el cual se denomina tiempo de
retención.
Las células se cultivan en biorreactor con una concentración inicial, sin que esta sea alterada
por nutrientes adicionales o el lavado, por lo que el volumen permanece constante y sólo las
condiciones ambientales del medio (PH, temperatura, velocidad de agitación) son controladas
por el operador. Es proceso finaliza cuando todo el sustrato es consumido por la biomasa.
1.8.2. SEMICONTINUO (Fed – batch).
Por lotes alimentados, con alimentación de entrada (F1); se alimenta una línea de entrada o
alimentación (F1) para que el sistema de cultivo tenga un producto (biomasa) con máximo
crecimiento (exponencial) y aumente la productividad. Los nutrientes son alimentados al
biorreactor de forma semicontinua o continua, mientras que no hay efluente en el sistema. La
adición intermitente del sustrato mejora la productividad de la fermentación manteniendo baja
la concentración del sustrato. Este proceso está restringido por la capacidad volumétrica del
reactor.
1.8.3. CONTINUO.
Por quimioestato, se alimenta una línea de entrada F1 con nutrientes de manera continua y
se drena una salida F2 o lavado; de manera que los flujos o caudales de ambas líneas sean
iguales y la producción sea continua.
1.9. BALANCES Y ECUACIONES
La parte teórica del diseño consiste en modelar; es decir, “poner” en ecuaciones el proceso
biológico (bioproceso) que se lleva a cabo, para que, a partir de esas ecuaciones, dimensionar
(dar dimensiones) y simular el comportamiento teórico de un modelo prototipo.
1.9.1. BALANCE GENERAL BIOMASA
Velocidad de Acumulación = Velocidad de Entrada – Velocidad de Salida + Velocidad de
Formación – Velocidad de Consumo.
= - + -VELOCIDAD
DE
ACUMULACI
ÓN
VELOCIDAD
DE
CONSUMO
VELOCIDAD
DE ENTRADA
VELOCIDAD
DE
FORMACIÓN
VELOCIDAD
DE SALIDA

14. 1.9.2. BALANCE GENERAL POR COMPONENTE
Una vez dado el balance general de biomasa, debe tomarse en cuenta que, en un sistema de
cultivo, existen muchos componentes: sustratos, productos, compuestos metabólicos que
conforman el caldo de cultivo (medio interno); incluso la biomasa, se considera un
componente en sí misma. A partir del balance general, debe establecerse un balance general
para cada componente del cultivo o la biomasa.
…………. Ec.1
Donde:
: Velocidad de acumulación del componente .
: Volumen del cultivo(m³).
: Flujo o caudal de entrada (m³/s).
: Concentración inicial del componente . (kg/m³).
: Flujo o caudal de salida (m³/s).
: Concentración del componente . (kg/m³).
: Velocidad de formación del componente . (kg/m³s).
: Velocidad de consumo del componente . (kg/m³s).
Respecto a las velocidades de formación y consumo:
Si se trata de un componente metabólico, responden a la acumulación (formación) del
componente dentro de la célula y al consumo del metabolito por parte de la célula (consumo).
Si se trata de biomasa, formación corresponde a la generación de biomasa y el consumo al
consumo de biomasa durante el bioproceso; esto es, a la producción metabólica en el primer
caso y a la producción o productividad en el segundo.
1.9.3. BALANCE GENERAL POR COMPONENTE PARA CADA MODO DE OPERACIÓN
La ecuación de balance general por componente Ec. 1, por ser general, se define para una
operación continua. La condición fundamental de toda operación continua es:
En una operación continua el flujo de entrada (F1) debe ser igual al flujo de salida (F2):
F1 = F2
Velocidad
de
Entrada
Velocidad
de Salida
Velocidad
de
Formación
Velocidad
de
Consumo
Velocidad de
Acumulación

15. Esta condición se conoce como flujo en estado estacionario (FEE). Para modelar el
comportamiento de la biomasa del cultivo en el estado estacionario (EE) además de la
condición de flujo (FEE) debe haber equilibrio en la densidad o concentración de ésta. Esto se
conoce como quimioestásis o equilibrio quimioestático y es por eso que a los sistemas de
cultivo continuo se les llama quimioestatos. Está condición está dada por la ecuación:
……………… Ec. 2.
Bajo la condición de FEE y suponiendo que la densidad del cultivo y de la alimentación son
iguales (Ec.2, quimioestásis) la Ec.1 se reduce a la ecuación de balance para una
operación continua en estado estacionario.
…………….. Ec. 3.
De no existir el estado estacionario (EE) se producirían dentro del biorreactor dos condiciones
de flujo indeseables:
Si F1 > F2 se produce el rebalse o desborde del biorreactor, condición que se da cuando el
flujo de entrada sobrepasa la capacidad del reactor.
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 reactor.
Cuando el modo de operación es semicontinuo (fed-batch) 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:
………………. Ec.4.
Y en el balance de materia se anula el término resultando:
………………………….. Ec.5.
Observe que el volumen que permanece dentro del operador diferencial es porque varía con
el tiempo (Ec.4), en tanto que el otro no lo hace (Ec.3). Esa es la razón por la que una
operación semicontinua tiene duración limitada en el tiempo (el volumen no puede
incrementarse más allá del volumen de trabajo o volumen útil del biorreactor). El tiempo que
dura una operación semicontinua se conoce como tiempo de residencia (tr) y es el tiempo que
dura el cultivo o bioproceso en un sistema semicontinuo.
Cuando el modo de operación es discontinuo (batch) ambos caudales son nulos
F1 = F2 = 0
Por lo que, el volumen es constante y se anulan los términos y en la Ec.1.
Eso da como resultado:
……………… Ec.6.
La duración de un cultivo discontinuo (batch) es también, limitada en el tiempo, pero se
diferencia de la del cultivo semicontinuo (fed-batch) en que depende únicamente de las

16. condiciones iniciales del cultivo; esto por cuanto, no existe alimentación (F1). Una vez cargado
el biorreactor e inoculado el medio de cultivo, la concentración de la biomasa aumenta gracias
a los nutrientes, pero una vez que el sustrato que limita el crecimiento se haya agotado, el
crecimiento ya no es posible y finaliza el cultivo. Por este motivo, el tiempo que dura el cultivo
dentro de un biorreactor con un modo de operación discontinuo se llama tiempo de cultivo (tc).
1.9.4. BALANCES INDIVIDUALES
Los principales balances por componente en su forma individual son:
Balance de Biomasa:
d (VX) / dt = FiXi + VrgX – FoXo – VrcX
Velocidad de crecimiento celular
rgX = µX
velocidad de muerte celular
rcX = kdX
Balance de Sustrato:
d (VS) / dt = FiSi – FoSo – VrcS
rcS = qSX / YX/S = µX / YG + m X + qPX / YP
Balance de producto:
d (VP) / dt = FiPi – FoPo – VrgP
rgP = qP X
Balance de Oxígeno:
d (VCL) / dt = FiCLi – FoCLo – VrcO2 + VNiO2
Balance de Anhídrido Carbónico:
d(VCCO2) / dt = FiCCO2i – FoCCO2o + VrgCO2 – VNoCO2

17. NOMENCLATURA
V: Volumen del líquido en el biorreactor, L
t: Tiempo, h
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
CL: Concentración de oxígeno en el líquido dentro del biorreactor, g/L
C*: 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/h
Ni: Velocidad de transferencia de un componente del gas al líquido, g/Lh
No: Velocidad de transferencia de un componente del líquido al gas, g/Lh
rg: Velocidad de generación, formación o producción, g/Lh
rc: Velocidad de consumo o utilización, g/Lh
µ: Velocidad específica de crecimiento celular, h-1
qS: Velocidad específica de consumo de sustrato, g/gh
qP: Velocidad específica de formación de producto, g/gh
m: Velocidad específica de consumo de sustrato para mantenimiento celular, g/gh
Kd: Velocidad específica de muerte o declinación celular, h-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, h-1
SUBÍNDICES
i = Ingreso
o = Salida
S = Sustrato
P = Producto
O2 = Oxígeno
CO2 = Anhídrido carbónico

18. II. TECNOLOGIA ENZIMÁTICA
La tecnología enzimática tiene como objetivo la superación de todos aquellos inconvenientes que
parecen retrasar la aplicación de las enzimas en estos procesos a escala industrial, las enzimas son
proteínas cuya función biológica es catalizar las reacciones que suceden en las células. Esta área
tiene aplicaciones desde tiempos remotos como la fermentación, actualmente en diferentes industrias
a diferentes niveles, ya que implica la utilización de sistemas enzimáticos diversos que optimizan el
procesamiento en la obtención de detergente, aditivos alimenticios, productos químicos y
farmacéuticos. La tecnología enzimática se presenta como alternativa biotecnológica basada en que
las industrias desarrollen productos de calidad homogénea, aprovechen óptimamente sus materias
primas, aceleren sus procesos de producción, minimicen desperdicios y disminuyan el deterioro del
medio ambiente.
2.1. LAS ENZIMAS COMO CATALIZADORES
Las enzimas son catalizadores de origen biológico que parecen cumplir muchos de los requisitos
necesarios para impulsar esta nueva industriaquímica. Son catalizadores muy activos en medios
acuosos y en condiciones muy suaves de temperatura, presión, pH, etc. Son catalizadores muy
específicos: pueden modificar un único substrato en una mezcla de substratos muy similares e
incluso pueden discernir entre dos isómeros de una mezcla racémica de un compuesto quiral,
Son catalizadores muy selectivos: pueden modificar un único enlace o un único grupo funcional
en una molécula que tenga varias posiciones modificables.
2.2. APLICACIONES INDUSTRIALES
En relación con las enzimas, la tecnología moderna contribuye al ahorro. Por ejemplo, permite la
utilización del excedente de suero derivado de la fabricación del queso. La lactosa transforma el
azúcar del suero en una mezcla de glucosa y galactosa con un sabor más dulce. Así, se refina el
producto y se concentra en una especie de jarabe cuyo sabor recuerda el de la miel, con lo que
las aplicaciones en el sector de la confitería industrial se hacen innumerables. Se usan también

19. muchos otros tratamientos de las enzimas en la producción de edulcorantes modernos. Por
ejemplo, EE.UU. se puede constatar que el jarabe del almidón de maíz tiene un alto contenido en
fructosa, razón por la cual ha llegado a eclipsado a la sacarosa.
Las enzimas presentan muchísimas aplicaciones. Con los procedimientos modernos de
fabricación de alimentos, benefician tanto a los sectores industriales como a los consumidores.
Sus características específicas permiten a los industriales ejercer un control de calidad más
estricto. Con un menor consumo de energía y unas condiciones de tratamiento más ligeras, su
eficacia favorece el entorno. Pueden utilizarse para tratar los desechos biológicos resultantes de
la fabricación de alimentos, puesto que las propias enzimas son biodegradables. Mediante una
rápida absorción natural, las enzimas son el típico ejemplo de "tecnología verde".
2.2.1. ALIMENTOS
La utilización empírica de preparaciones enzimáticas en la elaboración de alimentos es muy
antigua. El cuajo, por ejemplo, se utiliza en la elaboración de quesos desde la prehistoria,
mientras que las civilizaciones precolombinas ya utilizaban el zumo de la papaya.
Los enzimas son piezas esenciales en el funcionamiento de todos los organismos vivos,
actuando como catalizadores de las reacciones de síntesis y degradación que tienen lugar en
ellos.
La utilización de enzimas en los alimentos presenta una serie de ventajas, además de las de
índole económica o tecnológica. La gran especificidad de acción que tienen los enzimas hace
que no se produzcan reacciones laterales imprevistas.
Para garantizar la seguridad de su uso deben tenerse en cuenta no obstante algunas
consideraciones: en aquellos enzimas que sean producidos por microorganismos, estos no
deben ser patógenos ni sintetizar a la vez toxinas, antibióticos, etc. Los microorganismos
ideales son aquellos que tienen ya una larga tradición de uso en los alimentos (levaduras de la
industria cervecera, fermentos lácticos, etc.). Además, tanto los materiales de partida como el
procesado y conservación del producto final deben ser acordes con las prácticas habituales de
la industria alimentaría por lo que respecta a pureza, ausencia de contaminantes, higiene, etc.
2.2.2. INDUSTRIAS LÁCTEAS
El cuajo, que está formado por la mezcla de dos enzimas digestivos (quimosina y pepsina) y
se obtiene del cuajar de las terneras jóvenes. Estos enzimas rompen la caseína de la leche y
producen su coagulación.
Actualmente empieza a ser importante también la lactasa, un enzima que rompe la lactosa,

20. que es el azúcar de la leche. Muchas personas no pueden digerir este azúcar, por lo que la
leche les causa trastornos intestinales.
2.2.3. PANADERÍA
En panadería se utiliza la lipoxidasa, simultáneamente como blanqueante de la harina y para
mejorar su comportamiento en el amasado. La forma en la que se añade es usualmente como
harina de soja o de otras leguminosas, que la contienen en abundancia. Para facilitar la acción
de la levadura, se añade amilasa, normalmente en forma de harina de malta, aunque en
algunos países se utilizan enzimas procedentes de mohos ya que la adición de malta altera
algo el color del pan.
A veces se utilizan también proteasas para romper la estructura del gluten y mejorar la
plasticidad de la masa. Este tratamiento es importante en la fabricación de bizcochos.
2.2.4. CERVECERÍA
Un proceso fundamental de la fabricación de la cerveza, la rotura del almidón para formar
azúcares sencillos que luego serán fermentados por las levaduras, lo realizan las amilasas
presentes en la malta, que pueden añadirse procedentes de fuentes externas, aunque lo usual
es lo contrario, que la actividad propia de la malta permita transformar aún más almidón del
que contiene. Cuando esto es así, las industrias cerveceras añaden almidón de patata o de
arroz para aprovechar al máximo la actividad enzimática.
2.2.5. FABRICACIÓN DE ZUMOS
A veces la pulpa de las frutas hace que los zumos sean turbios y demasiado viscosos,
produciéndose también ocasionalmente problemas en la extracción y en su eventual
concentración. Esto es debido a la presencia de pectinas, que pueden destruirse por la acción
de enzimas presentes en el propio zumo o bien por enzimas añadidas obtenidas de fuentes
externas. Esta destrucción requiere la actuación de varios enzimas distintos, uno de los cuales
produce metanol, que es tóxico, aunque la cantidad producida no llegue a ser preocupante
para la salud.
2.2.6. FABRICACIÓN DE GLUCOSA Y FRUCTOSA A PARTIR DEL MAÍZ.
Una industria en franca expansión es la obtención de jarabes de glucosa o fructosa a partir de
almidón de maíz. Estos jarabes se utilizan en la elaboración de bebidas refrescantes,
conservas de frutas, repostería, etc. en lugar del azúcar de caña o de remolacha. Se obtiene
por hidrólisis enzimática, que permite obtener un jarabe de glucosa de mucha mayor calidad y
a un costo muy competitivo.
Los enzimas utilizados son las alfa-amilasas y las amiloglucosidasas. La glucosa formada
puede transformarse luego en fructosa, otro azúcar más dulce, utilizando el enzima glucosa-
someraza, usualmente inmovilizado en un soporte sólido.

21. 2.2.7. ENERGÍA.
Un ejemplo clásico de biocombustible es el alcohol obtenido por fermentación de material rico
en azúcares y almidón, o de residuos orgánicos varios, incluyendo los forestales. El principal
obstáculo para la viabilidad de esta propuesta es el costo, puesto que el petróleo sigue siendo
más barato. Sin embargo, los avances tecnológicos están permitiendo acortar la brecha.
2.2.8. PRODUCTOS MÉDICOS Y FARMACÉUTICOS
2.3. INMOVILIZACIÓN DE ENZIMAS Y CÉLULAS.
El uso de enzimas suspendidas libremente tiene las desventajas siguientes:
Muchas de las enzimas son lábiles bajo las condiciones normales de operación y por ello
tienen una vida muy limitada.
Debido a que las enzimas son solubles en agua, son difíciles de separar en sus sustratos y
productos, por lo que su reutilización es difícil. Esto aumenta los costos de producción.
La utilización de un proceso de enzimas inmovilizadas tendrá las siguientes ventajas:
Se ha mostrado que la inmovilización de una enzima en partículas insolubles en agua
aumenta su estabilidad considerablemente.
La capacidad para separar con facilidad la enzima de los productos y sustratos permite su
reutilización, o bien, el establecimiento de un proceso continuo con el que se logra mejorar la
economía.
Las desventajas de las enzimas inmovilizadas es que la naturaleza heterogénea de un
catalizador como éste impone limitaciones de difusión que reducen y alteran su actividad.
El uso de células inmovilizadas en lugar de aquellas cultivadas en un proceso intermitente
normal tiene ventajas similares a las de las enzimas inmovilizadas.
Las fermentaciones en lote se pueden reemplazar por reacciones continuas.
Las células inmovilizadas permiten el uso de una densidad celular considerablemente mayor,
con lo que se logra la intensificación del proceso.
Muchas enzimas o metabolitos solo son activos en la fase celular estacionaria o de reposo; en
un sistema de inmovilización las células se pueden retener en este estado.
Las desventajas de las células inmovilizadas son similares a las de las enzimas
inmovilizadas, donde el sistema impone las limitaciones de difusión.
Las ventajas y desventajas de las enzimas inmovilizadas comparadas con las células
inmovilizadas dependen del sistema en cuestión, pero pueden ser las siguientes:
El uso de células inmovilizadas elimina la necesidad de extraer y purificar la enzima.
A menudo el sistema celular completo es menos sensible a cambios en las condiciones de
operación como el PH.

22. Las células inmovilizadas permiten una carga alta de soporte, que con las enzimas aisladas,
puede reducir la actividad debido a las interacciones proteína – proteína.
Si el sistema de reacción utilizado necesita muchas enzimas y también la renovación del
cofactor, el sistema celular inmovilizado es la mejor opción.
La desventaja del sistema celular inmovilizado es que impone barreras difusionales
adicionales (pared celular) de modo que se puede requerir de la permeabilización de las
células. En este caso, puede ser difícil el mantenimiento de la integridad celular.
MÉTODOS UTILIZADOS PARA LA INMOVILIZACIÓN DE ENZIMAS.
A. UNIÓN COVALENTE A SOPORTES SÓLIDOS.
Las enzimas se inmovilizan uniéndolas covalentemente a soportes insolubles. Se ha usado
una variedad de materiales soporte incluyendo vidrio poroso, cerámicos, acero inoxidable,
arena, carbón, celulosa, polímeros sintéticos (nylon) y óxidos metálicos.
La inmovilización utiliza dos grupos amino o carboxilo presentes en la proteína enzimática. En
la mayoría de los casos la inmovilización consiste en por lo menos dos etapas: la activación
del soporte y la reacción de acoplamiento específica.
B. ADSORCIÓN EN SOPORTES SÓLIDOS.
Fue la primera técnica usada en la inmovilización donde la alumina y el carbón eran usadas
como soporte. Los intercambiadores de iones absorben rápidamente la mayoría de las
proteínas y se han usado para la purificación de enzimas. Soportes como los
intercambiadores de aniones dietilamino – etil celulosa o el intercambiador catiónico
carboximetil celulosa se han usado para la absorción de enzimas.
C. CAPTURA EN UNA RED TRIDIMENSIONAL DE POLÍMEROS.
Las enzimas se pueden inmovilizar dentro de una red de polímeros mediante la adición de las
enzimas a los monómeros antes de la formación del gel. Los polímeros usados para la
formación de los geles pueden ser orgánicos naturales o sintéticos, por ejemplo; agar
agarosa, colágeno, gelatina, quitosano, celulosa.

23. BIBLIOGRAFÍA
ARIAS, HOYOS Y OROZCO ( 2002).” CULTIVO DE CÉLULAS VEGETALES EN
BIORREACTORES:UN SISTEMA POTENCIAL PARA LA PRODUCCIÓN DE
METABOLITOS”. Rev.Fac.Nal.Agr.Medellín.Vol.55, No.1.p.1473-1495
SCRAGG, Alan (2002). “BIOTECNOLOGÍA PARA INGENIEROS: SISTEMAS BIOLÓGICOS
EN PROCESOS TECNOLÓGICOS”. Editorial Limusa. Mexico.
VAZQUEZ, OROZCO Y LEOBARDO (2007). “MANUAL DE PRÁCTICAS: LABORATORIO
DE BIORREACTORES”. Instituto Politécnico Nacional. Colombia.
WARD, Owen P. (1991). “BIOTECNOLOGÍA DE LA FERMENTACIÓN: PRINCIPIOS,
PROCESOS Y PRODUCTOS”. Editorial Acribia. Zaragoza España.