TIPOS DE BIORREACTORES

7.1.1 BATCH: En este caso el crecimiento de microorganismos se refiere a que las células
se cultivan en un recipiente con una concentración inicial y esta no se altera con ningún tipo
de nutriente o lavado adicional, por tanto el volumen se mantiene constante. Entonces el
operador tiene control sobre las condiciones ambientales tales como el pH, la temperatura,
etc. El proceso llega a su fin cuando el 100 % del sustrato ha sido consumido por la
biomasa.

Las características principales de estos reactores son las siguientes:

a) La reacción química se desarrolla en un sistema cerrado.
b) Todos los reactivos son cargados al reactor al inicio de la operación.
c) Al final de la operación, la mezcla reactiva se descarga a un mismo tiempo.
d) Operan en régimen inestable.
e) Se considera que los gradientes de concentración, temperatura y presión son
despreciables. Estas consideraciones permiten que el diseño se plantee en un plano ideal.

Algunas ventajas de los reactores por lotes (BATCH) son las siguientes:
a) Su operación es sencilla.
b) Es más versátil que un reactor continuo. c) El coste inicial es menor que el de los
reactores continuos.
Algunas desventajas de este tipo de reactores son:
a) El coste de operación es mayor que el de los reactores continuos.
b) Requiere un ciclo de operación complicado.

Este tipo de reactor se utiliza en los siguientes casos: a) se utilizan generalmente para
líquidos. b) Cuando se desea una velocidad de producción pequeña. c) Para estudios
cinéticos de laboratorio. d) Cuando el tiempo de residencia para lograr una determinada
calidad es muy grande. e) Cuando se desea obtener un producto muy puro
7.1.2 FED-BATCH: En este tipo de alimentación los nutrientes se añaden al cultivo de
forma intermitente mientras no haya efluente en el sistema. En función de cual sea el
objetivo, la adición adquiere un papel importante ya que ayuda a obtener un mejor
rendimiento en la fermentación. El volumen del reactor limita las posibilidades de este
método.

7.1.3 CONTINUO (CSTR): Un reactor CSTR es un tanque en el cual la masa reaccionante

es continuamente agitada de tal manera que se considera como una mezcla completa y, por
lo tanto, se asume que sus propiedades son uniformes en todo el interior del reactor.
La ecuación de diseño de un reactor de mezcla completa:

Siendo V, el volumen del reactor, FA0, el flujo molar del reactivo limite, τ, el tiempo
especial, CA0, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, XA, la
conservación de A y rA, la velocidad de reacción de A.
La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante.
Con respecto al reaccionante A, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la
siguiente manera:

Siendo k, la constante especifica de velocidad de reacción, n, el orden cinético de la

reacción y CA, la concentración de reaccionante.

. El orden de una reacción se determina experimentalmente y la constante de velocidad de

reacción depende de la temperatura de la reacción y se puede calcular con la ecuación de
Arrhenius, de la forma:
Siendo A, el factor pre-exponencial, E, la energía de activación, T, la temperatura en escala
absoluta y R, la constante universal de los gases.

FIGURA 1 Representación de los distintos tipos de alimentación de los biorreactores.

Tipos de biorreactores

De lecho fijo o empaquetado: Los microorganismos se encuentran en una matriz

empaquetada. Por lo general, la alimentación se produce de forma vertical en sentido
ascendente.

En columna de burbujas: El sustrato es el medio líquido en el que están inmersas las

células, aportándose este por la parte inferior del reactor. Se insufla gas comprimido por la
parte inferior que, junto con una serie de bucles externos permite homogeneizar el interior
del reactor.

De lecho fluidizado: No son muy corrientes, dado su alto coste y complejidad. El

microorganismo permanece suspendido (debido al burbujeo continuo, lo que no es fácil de
conseguir) en el fermentador, como consecuencia del sustrato liquido ascendente.
De lecho de goteo: Son los más tradicionales (similares a los de lecho fijo). El sustrato se
hace pasar lentamente por la matriz empaquetada que contiene al microorganismo (un
proceso semicontinuo aunque permiten trabajar también en discontinuo) lo que supone la
consideración de un tiempo de residencia en dicha matriz.

De enzimas o células inmovilizadas: Son los más interesantes y novedosos. Los de

enzimas presentan grandes ventajas, pero es difícil aislar la enzima que nos interesa.
Disminuye los costes gracias a la reutilización del biocatalizador. La inmovilización puede
realizarse por medios físicos o químicos. Pero tienen el inconveniente de aumentar la
inestabilidad genética ya que las células pueden participar en varios procesos fermentativos.

CASSOS DE BIOREACOTRS

Biorreactores para el tratamiento de suelos

INCUBADORA DE MICROORGANISMOS PARA BIORREMEDIACIÓN DE

SUELOS
Tipo y geometría del reactor:
Reactor para el tratamiento de suelos con una geometría cilíndrica.
Aplicación del reactor:
Proporcionar una cantidad elevada de microorganismos para que realicen un trabajo
específico. En especial nos interesa la degradación de hidrocarburos para biorremediación
en suelos.
Esquema y fases del reactor:
El cuerpo de la incubadora está conformado por un recipiente integrado con tres vasos
cilíndricos concéntricos. En el primer vaso se deposita el caldo de cultivo microbiano. En
su interior se asienta un distribuidor de aire. El vaso intermedio contendrá a lleno completo
una sal cuya temperatura de fusión sea de 38-40°C. El vaso exterior estará sellado a los
anteriores, cuenta con un tubo de alimentación por la parte alta, para admitir el fluido de
trabajo del calentador solar y un tubo de descarga en la parte inferior para permitir la salida
hacia el calentador solar.
Se le ha acoplado un colector solar y un sistema de almacenamiento de calor sensible que
mantiene dicha temperatura. El equipo cuenta además con un sistema de aireación (para
favorecer el crecimiento de microorganismos aerobios o anaerobios-facultativos) y un
sistema de dosificación de nutrientes y de vertido de los microorganismos sobre el medio a
tratar.
Tipo de microorganismos utilizados:
Las cepas que se utilizaron en la incubadora son de la familia de las pseudomonas
(florensis, putida) y algunas bacterias, que no son patógenas.
Alimentación:
La producción de microorganismos supera los niveles de 1 x 107 microorganismos/ml, que
son adecuados para realizar el trabajo de purificación.
El suministro de microorganismos es de 0.5 litros de caldo por cada tres horas y la duración
de las cepas es de 15 días sin renovación. Durante el periodo diurno y con brillo solar, el
calentador convierte la radiación solar en calor, que se transmite al fluido de trabajo. Ya sea
por circulación natural o forzada este fluido sube a la parte alta del tercer vaso y en el
periodo nocturno o diurno sin brillo solar se evita la circulación del fluido de trabajo, para
no extraer calor de la incubadora.
Ventajas del biorreactor:
 La utilidad de este equipo es muy amplia, permite por medio de caldos de cultivo la
eliminación de olores indeseables en un proceso de degradación.
 Es capaz de generar cantidades superiores a 1 x 107 microorganismos/ml
 Se garantizan las siguientes condiciones: temperatura estable, concentración
suficiente de nutrientes para asegurar el crecimiento de los microorganismos,
sistema de aireación, estabilidad de pH.
 No requiere energía eléctrica para mantenerse a la temperatura adecuada.
Desventajas del biorreactor:
 Permite degradar grasas y aceites, tanto de origen mineral, pero en un periodo de 9
meses aproximadamente.
 En el periodo nocturno o diurno sin brillo solar se evita la circulación del fluid de
trabajo, para no extraer calor de la incubadora, por lo que el proceso se puede ver
afectado.
Crítica y conclusiones finales
Este reactor permite generar microorganismos a partir de suelos o agua que se encuentran
contaminados, con el fin de obtener una cierta cantidad de microorganismos para que, a
través de la biorremediación combatir el daño. La ventaja del reactor es que cuenta con un
panel solar para la generación de energía por lo que puede llegar a ser autosuficiente en este
aspecto, sin embargo en las noche el proceso se ve interrumpido para no consumir esta
energía.
El llevar a cabo este biorreactor a gran escala se considera innecesario debido a que solo se
quieren obtener microorganismos a partir de un suelo o un agua contaminada, no para tratar
el sitio, además el tamaño que se presenta genera una cantidad notoria de generación de
microorganismos.

Referencia:
Rodriguez J, INCUBADORA DE MICROORGANISMOS PARA BIORREMEDIACIÓN
DE SUELOS Y TRATAMIENTO DE AGUA CONTAMINADA, Universidad Autónoma
Metropolitana de Azcapotzalco, diciembre de 1999.

BIORREACTORES DE LODOS DE HIDROCARBUROS TOTALES DEL

PETRÓLEO
Tipo y geometría del reactor:
Reactor para tratamiento de suelos con una geometría cilindrica
Aplicación del reactor:
El objetivo del trabajo fue desarrollar un modelo DSB (difusión-sorción-biodegradación)
capaz de predecir en un biorreactor de lodos el proceso global de biodegradación de
hidrocarburos totales del petróleo (HTPs) intemperizados en un suelo con más de 20 años
de contaminación mediante un consorcio microbiano
Esquema y fases del reactor:
Se utilizó un biorreactor de acero inoxidable enchaquetado con volumen nominal de 5L.
Constó con agitación mecánica por polea y control electrónico de la velocidad del impulsor
(Rushton de 6 paletas planas con inclinación de 45° y patrón de flujo descendente), además
de tener fondo y sección transversal de vidrio para observar el mezclado y suspensión de
sólidos.
Además posee un sistema de mamparas, un distribuidor de aire de anillo y un juego de
impulsores
Tipo de microorganismos utilizados:
El consorcio posee una alta capacidad de degradación de HTPs, la cual ha sido previamente
caracterizada y reportada
Alimentación (Cantidad de agua, electricidad, etcétera):
El volumen de operación en el BL fue de 3 L con una carga al 30% p/v del suelo
contaminado. En todos los lotes llevados a cabo, se operó con una velocidad del impulsor
de 450 rpm y 1 vvm de aireación. En el BL, se llevaron a cabo dos cinéticas de
biodegradación. Debido a la alta intemperización de HTPs, previo a la inoculación de cada
cinética, el BL se mantuvo sin aireación a 300 r.p.m durante 24 horas para la formación del
lodo (humectación y homogenización del suelo).
En una de los experimentos y durante la formación del lodo, fue adicionado tolueno a una
concentración de 14,000 mg kg-1 del suelo contaminado como pretratamiento para
incrementar la biodisponibilidad de los HTP’s
Del cultivo en la fase exponencial fueron tomados 250 mL, la cual se le adicionaron al
reactor pero antes se le realizo un tratamiento. Se centrifugaron a 4000 g en tubos Corex
por 30 min. Las fases orgánica y acuosa fueron desechadas mientras que la de semisólidos
fue lavada con solución salina, resuspendiendo y lavando nuevamente por triplicado.

Monitoreo:
Para ambas cinéticas, y a partir de muestras homogeneizadas de los lodos provenientes del
BL, se determinó el número total de heterótrofos como unidades formadoras de colonias
por mililitro (UFC mL-1), para los diferentes días de muestreo, mediante la técnica de
cuenta en placa en agar soya tripticaseína
Para la determinación de HTPs residuales, los lodos provenientes de las muestras
centrifugadas del BL se secaron a temperatura ambiente en campana de extracción. Una vez
a peso constante, los HTPs fueron extraídos de acuerdo a la técnica 3540 de la EPA
(extracción con hexanoacetona mediante Soxhlet).
Los HTPs extraídos fueron concentrados al vacío con rotavapor (Evaporador rotatorio R-
205, BÜCHI) y la mezcla de solventes en exceso fue removido en campana de extracción
hasta peso constante. Finalmente, los HTPs se cuantificaron gravimétricamente.
Ventajas del biorreactor:
 Llega a degradar gran parte de hidrocarburos presentes en el suelo bajo las
condiciones que requiera.
 El modelo y los números adimensionales generados, pueden utilizarse de plataforma
para el desarrollo de criterios de escalamiento, diseño y mejora en las condiciones
de operación de un biorreactor de lodos para la biodegradación de hidrocarburos
intemperizados en suelos y sedimentos.
Desventajas del biorreactor:
 Solo es para suelos intemperizados con HTPs
 Es un reactor para ciertos parámetros que ya se obtuvieron con el modelo DSB
  Su capacidad de volumen es pequeña y es realizado a escala de laboratorio.
Crítica y conclusiones finales
Este biorreactor es ocupado para la degradación de hidrocarburos totales de petróleo, con el
cual se desarrolla un modelo de DSB para obtener una mejor serie de cálculos y de la
misma forma conocer ciertos parámetros que favorezcan la degradación de estos
comuestos.
Es un biorreactor a escala de laboratorio, si se desea construir a un volumen mayor se tiene
que tener en cuenta los materiales del que se ha elaborado ya que en su mayoría es acero
inoxidable y esto puede implicar un gran costo de inversión, además de los otros
componentes que se requieren.
Referencia:
Medina, S.A. MODELADO DE LA BIODEGRADACIÓN EN BIORREACTORES DE
LODOS DE HIDROCARBUROS TOTALES DEL PETRÓLEO INTEMPERIZADOS EN
SUELOS Y SEDIMENTOS, Revista Mexicana de Ingeniería Química Vol. 8, No. 3 (2009)

Reactor de suelos activados (RSA)

Aplicación del reactor
Se utilizan para tratar zonas contaminadas donde el suelo presenta alto contenido de arcilla
(≥20%) y materia orgánica (≥4%), o cuando los compuestos tóxicos son muy recalcitrantes
y se encuentran en concentraciones muy altas, o bien cuando el tratamiento se quiera
terminar en un lapso relativamente corto.
Esquema y fases del reactor
El tratamiento de los materiales contaminados se realiza en fase acuosa y es mantenido en
suspensión mediante agitación, lo cual permite mayor transferencia de masa, y tiempos de
tratamiento relativamente menores. Los parámetros ambientales pueden ser bien
controlados
Se consigue aumentar la disponibilidad del contaminante con la adición de solventes y
tensoactivos o por la producción de biotensoactivos en el mismo reactor.
Tipo de microorganismos utilizados
Los grupos microbianos importantes identificados en RSA incluyen bacterias del grupo de
las pseudomonadales, actinomicetos, bacterias metanótrofas y deshalorrespiradoras,
algunas arqueas como las metanogénicas, y más recientemente aunque no en escala
comercial, hongos ligninolíticos.
Ventajas del biorreactor
  Es fácil controlar los parámetros ambientales que pueden llegar a afectar el
funcionamiento del reactor.
 Funciona con diversos tipos de microorganismos.
 El tiempo de residencia es relativamente corto
Desventajas del biorreactor
 Las desventajas más notorias de los RSA están relacionadas con los relativamente
mayores costos de la tecnología, mismos que dependen del manejo y
acondicionamiento del suelo, con la construcción y operación de los biorreactores, y
con el eventual tratamiento de emisiones gaseosas.
 Presenta la limitante en la cual el suelo debe tener ciertas características para poder
ser tratado con este tipo de reactores.
Crítica y conclusiones finales
El desarrollo del proceso del reactor muestra una gran eficiencia de degradación, sin
embargo presenta una limitante debido a que solo se pueden usar un suelo con ciertas
características, además se puede presentar la generacion de tensoactivos en el biorreactos.
Para llevar a cabo un reactor de un tamaño considerable, es necesario tener en cuenta que el
suelo debe cumplir con ciertas características por lo que su uso no sea tan común.
Referencias:
Ferrera, R. Procesos de biorremediación de suelo y agua contaminados por hidrocarburos
del petróleo y otros compuestos orgánicos. Revista Latinoamericana de Microbiología
ALAM, Vol. 48, No. 2, Abril - Junio. 2006.

Biorreactor de tierra activada.

Tipo y geometría del reactor
Reactor para suelos
Aplicación del reactor
Su aplicación es para suelos contaminados con aceite dieléctrico.
Esquema y fases del reactor
Un reactor de cinco litros de acero inoxidable, su velocidad de agitación variaba entre 5- 40
rpm, reportando como velocidad óptima 10 rpm.
Los tiempos de tratamiento oscilan entre 1-2 semanas
Los factores seleccionados para el diseño del proceso biológico fueron la velocidad de
agitación y el tiempo de residencia. Luego del proceso de biorremediación se determinó la
eficiencia del proceso, la calidad del producto y se evaluó el modelo obtenido
Alimentación
Se determinará la eficiencia de remoción de HTPs a 5 rpm como nivel mínimo y a 30 rpm
como nivel máximo
Monitoreo
Una relación del 5% inoculo con relación a la tierra Fuller contaminada para evitar
diluciones del material. Se evaluó cada tres días pH, contenido de humedad, nitratos,
sólidos volátiles, HTP, densidad real y aparente.
El valor de pH se ajustó entre 7-8, los tiempos de tratamiento, se reducen de 6-8 meses
hasta 1-2 semanas.
Ventajas del biorreactor
Se pudo determinar que el equipo llega a remover hasta un 75% de HTP, por lo que se
considera eficiente, además de realizar un modelo estadístico con el cual se pudo predecir
un aproximado sobre el porcentaje de eliminación que tiene el biorreactor
Desventajas del biorreactor
Presenta la limitante de que solo se puede ocupar para suelos contaminados con aceite
dieléctrico.
Crítica y conclusiones finales
Las dimensiones del sistema son de un tamaño de escala de laboratorio por lo que si se
pretende realizar esto a una mayor escala se tiene que determinar el costo de materiales y
las condiciones óptimas para el equipo. Además del modelo estadístico que se desarrolló
para el experimento.
Referencias:
Alexander, E. UN MÉTODO DE GESTIÓN AMBIENTAL ADECUADO PARA EL
TRATAMIENTO Y LA DISPOSICIÓN FINAL DE UN RESIDUO PELIGROSO CASO:
TIERRA FULLER CONTAMINADA CON ACEITE DIELÉCTRICO, UNIVERSIDAD
NACIONAL DE COLOMBIA, Medellín, 2010.

Equipo para biorremediar suelos contaminados con compuestos orgánicos 

WO 2011095647 A
Tipo y geometría del reactor
Reactor para el tratamiento de suelo
Aplicación del reactor
Equipo para biorremediar suelos contaminados por compuestos orgánicos
Esquema y fases del reactor
El biorrector se compone de las siguientes partes:
 Depósito estanco (biorreactor)  Bomba de recirculación de
 Puntos para toma de muestras lixiviados autocebante
 Sonda de oxígeno  Dispositivo de distribución de
 Sonda de humedad lixiviados
 Sonda de temperatura  Válvula automática para la entrada
 Módulo de conexión de señales de oxigeno externo
 Ordenador con software para el  Válvula automática para la purga
almacenamiento de datos, del gas de salida
procesado de los datos y comando  Válvula automática para
de bombas y válvulas. recirculación de gases 21. Falso
 Bomba de aportación de oxígeno Fondo
externo/ recirculación de gases  Rejilla metálica
 Reactor de depuración de gases de  Material filtrante
salida  Tanque de recogida de
 Tubería de recirculación de gases condensados
 Conducto gas de salida  Adición agua
 Conducto de entrada de oxígeno  Purga del lixiviado
externo al sistema  Depósito de Expansión
 Tanque de recogida de lixiviados  Bomba
 Tubería de recirculación de  M Válvula
lixiviados  Linea de captación de datos
 Medidores de nivel de lixiviado  Circuito de aire
 Circuito de agua – lixiviado

Compuesto por un depósito biorreactor en el que se dispone el suelo; caracterizado por

realizar una recirculación de los gases inyectados en el proceso mediante aireaciones
forzadas de intensidad con una distribución homogénea del oxígeno, presentando un
sistema de salida del gas viciado tras un tratamiento del mismo antes de llegar al exterior.
También el equipo realiza una recirculación periódica de los lixiviados generados, cuyo
volumen es suficientemente alto con el objeto de obtener un alto contenido de humedad y
un reparto homogéneo de la misma, los nutrientes y los microorganismos.
Para contrarrestar la resistencia a la difusión del oxígeno ofrecida por el alto contenido de
humedad del suelo, se aplican inyecciones o recirculaciones de aire con altos caudales.
Ventajas del biorreactor
 El reactor dispone de los elementos básicos para iniciar el tratamiento una vez
procedida la excavación, por lo que se minimiza el tiempo
  Control de emisiones. El tratamiento se efectúa en un reactor cerrado que facilita la
recolección y tratamiento tanto de las emisiones liquidas como de las gaseosas
producto del proceso de biorremediacion.
 Flexibilidad en la ubicación del proceso de biorremediacion al no depender de las
condiciones ambientales del sitio contaminado
Desventajas del biorreactor
 Su principal desventaja recae en el transporte del equipo debido a que en ocasiones
es difícil debido a las condiciones del terreno, además de que se debe de tener el
cuidado suficiente para no dañarlo.
 El costo de transporte puede resultar elevado por la distancia de un lugar a otro.
Crítica y conclusiones finales
Es importante señalar que es un equipo que se encuentra a la venta por lo que su tamaño es
considerable en comparación con reactores a escala de laboratorio, por lo que se considera
que tiene una buena eficiencia en condiciones óptimas, pero el único detalle que puede
tener es que, debido a su capacidad para trata el suelo, su transporte para llevarlo al sitio
que se desea remediar, puede implicar un costo elevado, además de que se debe de
transportar con las medidas necesarias para que no sufra ningún daño en alguno de sus
partes.
Referencias:
Hierros y metales Tirso, S.A., Patent WO 2011095647 A1, Equipo para biorremediar
suelos contaminados con compuestos orgánicos. Agosto, 2011.
https://www.google.com/patents/WO2011095647A1?cl=es