La importancia de los biorreactores radica en su capacidad para maximizar la eficiencia y la eficacia de los procesos biológicos, permitiendo la producción de una amplia variedad de productos biotecnológicos.

Los biorreactores son equipos o sistemas diseñados para facilitar y controlar procesos biológicos, también pueden denominarse fermentadores. Básicamente, proporcionan un ambiente optimizado para el crecimiento y la actividad de organismos vivos como bacterias, hongos, levaduras y células vegetales o animales.

Con el uso de biorreactores se proporcionan condiciones controladas para la realización de reacciones biológicas. Están diseñados para mantener factores críticos, como temperatura, pH, concentración de oxígeno, agitación y nutrición, en niveles ideales para el organismo en cuestión. Y pueden variar desde pequeños sistemas de laboratorio hasta grandes tanques industriales, según la escala y la naturaleza del proceso biológico.

Los biorreactores tienen una amplia gama de aplicaciones en diversos sectores industriales:

●               Agricultura y ganadería: producción de biofertilizantes, inoculantes y agentes de control biológico de plagas. Nutrición animal y vacunas.

●               Alimentos y bebidas: fermentación de productos alimenticios como yogur, queso, pan y cerveza. Producción de probióticos, prebióticos, ácidos orgánicos, aminoácidos y enzimas.

●               Bioenergía: producción de biocombustibles, como etanol y biodiesel, a partir de biomasa y bioproductos como CO₂, H₂, CH₄ para la producción de biogás.

●               Farmacéutica: producción de antibióticos, vacunas, medicamentos y hormonas.

●               Industria química: cosmética, enzimas, biopolímeros, glicerol y acetona.

●               Medio ambiente: tratamiento biológico de aguas residuales y residuos industriales, recuperación de petróleo, biorremediación y biolixiviación.

Escala de biorreactores

Los biorreactores se dividen en tres escalas: de mesa, piloto e industrial.

Los Biorreactores de mesa son pequeños sistemas utilizados principalmente en laboratorios de investigación para experimentación y desarrollo de procesos biotecnológicos. Con capacidades que generalmente oscilan entre 1 y 20 litros, estos biorreactores permiten un control preciso de las condiciones ambientales como temperatura, pH, oxigenación y agitación, lo que los hace ideales para estudios iniciales de viabilidad y optimización de cultivos celulares y microbianos. Estos sistemas ayudan a determinar los mejores parámetros operativos para escalas futuras. Disponemos de diferentes modelos de biorreactores de sobremesa: TEC-BIO-FLEX-II, BIO-TEC-PRO-II, BIO-TEC-TWIN, TEC-BIO-P-30-AIR-LIFT y TEC-BIO-P-3,0-AIR-LIFT-RM.

Los biorreactores piloto son intermedios entre los sistemas industriales y de mesa, con capacidades que pueden variar de decenas a cientos de litros. Se utilizan para escalar procesos desarrollados en biorreactores de mesa, permitiendo validar las condiciones operativas en un entorno más cercano al industrial.

Estos biorreactores son esenciales para ajustar y optimizar procesos antes de la producción a gran escala, identificar posibles problemas de escala y garantizar que el proceso sea económicamente viable y eficiente. Además, permiten la producción de mayores cantidades de producto para pruebas adicionales. Tecnal fabrica biorreactores piloto, un modelo BIO-TEC-PRO-II-PILOTO, con un volumen de vaso de 25 litros hasta 2600 litros.

Los biorreactores industriales son grandes sistemas utilizados en la producción a gran escala, con capacidades que pueden alcanzar decenas de miles de litros. La producción industrial utiliza estos biorreactores para fabricar una variedad de productos, incluidos productos farmacéuticos, biocombustibles, enzimas, alimentos fermentados e ingredientes alimentarios.

Tipos de biorreactores

Los biorreactores se pueden clasificar según el tipo de biocatalizador (células o enzimas), la configuración del biocatalizador (libre, inmovilizado o confinado entre membranas) y el método de agitación. Cada tipo de biorreactor ofrece ventajas específicas según la aplicación deseada, el tipo de célula o microorganismo utilizado y las condiciones del proceso requeridas. Elegir el biorreactor adecuado es crucial para optimizar la producción y asegurar la eficiencia del proceso biotecnológico.

La mayoría de los sistemas industriales utilizan células libres sumergidas en un medio acuoso, por lo que al retirar el medio se llevan las células consigo. Los biorreactores de tanque agitado son los más utilizados, tanto de mesa, como piloto e industriales. También se están utilizando en diversas producciones los de agitación neumática, debido a su mayor capacidad de transferencia de oxígeno. Tecnal fabrica biorreactores de tanque agitado y biorreactores neumáticos del tipo AIRLIFT o columna de burbujas.

Los biorreactores de tanque agitado (STR - stirred tank reactor) son los más comunes y versátiles y constan de un tanque equipado con un sistema de agitación mecánica. Este tipo de biorreactor está diseñado para mantener microorganismos o células en suspensión, asegurando una mezcla homogénea y una transferencia eficiente de nutrientes, gases y calor.

Los biorreactores neumáticos, tales como los biorreactores de columna de burbujas o airlift, utilizan aire u otros gases para promover la circulación y la mezcla del contenido del reactor. En lugar de agitación mecánica, el movimiento se induce inyectando gas en el fondo del reactor. Estos biorreactores se recomiendan para cultivos celulares delicados, ya que reducen el cizallamiento mecánico y permiten la homogeneización con menor gasto energético.

Los biorreactores con células inmovilizadas se utilizan en células confinadas, inmovilizadas sobre soportes o membranas. Este tipo de sistema contiene el biorreactor de lecho fijo y el biorreactor de lecho fluidizado. Además del cultivo sumergido, existe el cultivo en fase no acuosa, que son cultivos en estado sólido, no hay presencia de agua en el biorreactor y las células se mezclan en sustratos. Para este tipo de cultivo se puede utilizar un biorreactor estático (bandejas) y un biorreactor agitado (rotativo).

Componentes de los biorreactores

A continuación se detallan los principales componentes de un biorreactor:

La estructura del vaso (dorna) es la base de cualquier biorreactor. Generalmente hecha de acero inoxidable o vidrio (escala de mesa), la estructura del recipiente debe ser resistente a la corrosión y fácil de esterilizar. La forma y el tamaño pueden variar según el tipo de aplicación, pero todos deben garantizar la integridad del contenido y permitir una mezcla eficiente del medio de cultivo.

El control de la temperatura es fundamental para muchas reacciones biológicas, los biorreactores están equipados con sistemas de calentamiento y enfriamiento que mantienen la temperatura ideal para el crecimiento y la actividad de los organismos. Estos sistemas pueden incluir mantas calefactoras, serpentines de enfriamiento o camisas de temperatura alrededor del tanque.

Los vasos que ofrece Tecnal pueden tener:

●               De pared simple (pared única de acero inoxidable o vidrio): una manta térmica calienta el recipiente y un serpentín interno enfría el medio de cultivo y sirve para controlar la temperatura de fermentación.

●               Doble pared, llamada camisa (dos paredes de vidrio o acero inoxidable): el calentamiento y el enfriamiento se controlan mediante un baño termostatizado, al igual que el serpentín, la camisa está destinada a controlar la temperatura durante el proceso de producción.

La agitación proporciona homogeneidad del medio dentro del biorreactor. Garantiza que los nutrientes, los gases y las células se distribuyan uniformemente. Estos sistemas pueden incluir agitadores mecánicos o burbujas de aire (en biorreactores neumáticos). En los biorreactores de tanque agitado, la agitación se realiza mediante impulsores, los cuales están fijados al eje central del equipo, favoreciendo la agitación del medio de cultivo. La rotación de los impulsores es accionada por un motor situado encima o debajo del recipiente.

Existen diferentes tipos de impulsores, cada uno de ellos apto para un tipo de producción diferente y que provocará diferentes movimientos en el medio de cultivo. Dependiendo del tipo de impulsor, el flujo de líquido será radial, axial o ambos. En el flujo radial, el medio de cultivo se impulsa radialmente, desde el eje del impulsor hasta la pared del vaso.

Con el flujo axial, el medio de cultivo es impulsado hacia arriba o hacia abajo a lo largo del eje del impulsor, en este caso, lo que determina si el movimiento será hacia arriba o hacia abajo es la orientación y dirección de rotación del impulsor.

La turbina Rushton, el agitador de ancla y los impulsores de turbina de paletas son ejemplos de impulsores con flujo radial. Ejemplos de impulsores de flujo axial son la hélice naval, la hélice de doble flujo, la hélice de aspas grandes y el agitador de cinta helicoidal.

Los impulsores Rushton y Smith, que son del tipo turbina, se recomiendan para fluidos de baja viscosidad y velocidades de 100-1000 rpm, garantizan una buena dispersión de gases en líquidos y mezcla de fluidos inmiscibles. Otro impulsor tipo turbina, de 4 aspas inclinadas, es adecuado para fluidos de baja viscosidad con suspensión sólida y agitación de fluidos miscibles.

El agitador naval tipo hélice se recomienda para fluidos de baja viscosidad, velocidades de 300-1500 rpm, suspensión de sólidos con baja velocidad de corte y agitación de fluidos miscibles. Los impulsores de doble hélice y de anclaje son ejemplos del tipo hélice: el primero debe usarse en fluidos muy viscosos, con flujo mixto y a baja velocidad, el segundo es ideal para fluidos viscosos y baja velocidad.

Los impulsores son componentes fundamentales en los biorreactores ya que se encargan de:

●               Mezcla homogénea: garantiza la distribución uniforme de nutrientes, células y gases, esenciales para un ambiente de cultivo eficiente.

●               Transferencia de oxígeno: facilitan la disolución del oxígeno en el medio de cultivo, fundamental para los procesos aeróbicos.

●               Prevención de sedimentación: mantiene las células y partículas sólidas en suspensión, evitando la formación de grumos o capas inactivas en el fondo del biorreactor.

●               Uniformidad térmica: aseguran una distribución uniforme de la temperatura dentro del biorreactor, evitando zonas calientes o frías que puedan afectar el crecimiento celular.

Los biorreactores de tanque agitado también cuentan con deflectores verticales, los cuales se utilizan en la pared del reactor, esto evita la formación de vórtices, mejora la homogeneización y turbulencia del medio, favoreciendo una mayor transferencia de oxígeno.

Los biorreactores de agitación neumática no cuentan con agitadores mecánicos, la homogeneización se realiza mediante la inyección de gases que agitarán el medio de cultivo. En el biorreactor de columna de burbujas el movimiento del líquido es aleatorio, mientras que en el puente aéreo el movimiento está bien ordenado en determinadas direcciones, el flujo es cíclico a través de un cilindro interno.

Los biorreactores Airlift permiten el uso de sistema de fotoperíodo, que son equipos diseñados para cultivar organismos fotosintéticos, como microalgas y cianobacterias, en condiciones de iluminación controlada.

Para la producción de este tipo de organismos, Tecnal ofrece el Biorreactor Airlift, modelo TEC-BIO-P-3,0-AIR-LIFT-RM.  Estos sistemas son un tipo específico de biorreactor que utiliza luz artificial como fuente de energía para promover el crecimiento de organismos fotosintéticos. Estos organismos convierten la luz en energía química mediante la fotosíntesis, produciendo biomasa.

Los niveles de pH y oxígeno son parámetros cruciales que afectan directamente la actividad celular y la eficiencia del proceso biotecnológico. Se instalan sensores de pH y oxígeno para monitorear continuamente estos niveles, lo que permite realizar ajustes.

Los biorreactores también incluyen bombas peristálticas para la alimentación continua de sustratos y la eliminación de productos finales o subproductos. Estos sistemas son fundamentales para procesos de operación continua, donde el ambiente interno necesita mantenerse estable en el tiempo.

Consideraciones finales

La versatilidad y eficiencia de los biorreactores los convierten en una herramienta indispensable en biotecnología. Al proporcionar un ambiente controlado para los procesos biológicos, no sólo mejoran la producción y la calidad de los productos finales, sino que también permiten avances significativos en la investigación y el desarrollo de diversas áreas científicas e industriales.

¿Está interesado en saber más sobre nuestros biorreactores? En nuestro guía tendrá acceso a todos los detalles de este equipo.

Referencias bibliográficas

BUFFO, M. M. Transferência de oxigênio e cisalhamento em biorreator convencional com diferentes combinações de impelidores. Dissertação (Mestrado em Engenharia química), Universidade Federal de São Carlos, UFSCar. 2016.

SCHMIDELL, W.; LIMA, U. de A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W. Biotecnologia industrial: Engenharia bioquímica. Volume 2. Editora Blucher, São Paulo. 2001.