La definición del modo de operación en los biorreactores, ya sea por lotes (discontinuo o batch), por lotes alimentados (discontinuo alimentado o fed batch) o continuo, suele considerarse una decisión operativa. Sin embargo, su impacto va mucho más allá del desarrollo del proceso y puede influir directamente en los resultados obtenidos.

Más que determinar el método de alimentación del sistema, esta elección define el ambiente en el que se desarrolla el microorganismo. Y es precisamente este ambiente el que dirige factores como el crecimiento celular, el consumo de sustrato y la formación de productos y subproductos.

Esto significa que los procesos llevados a cabo con el mismo microorganismo, en condiciones similares de temperatura, pH y composición del medio, pueden presentar resultados diferentes dependiendo de la estrategia operativa adoptada.

Este efecto se vuelve más relevante en aplicaciones que requieren mayor control y consistencia. Por lo tanto, la elección del modo de operación deja de ser un simple paso en el proceso y se convierte en un factor determinante del rendimiento, influyendo no solo en la productividad, sino también en la calidad y la reproducibilidad de los resultados.

¿Por qué es tan importante la elección del modo de funcionamiento en los biorreactores?

En los procesos realizados en biorreactores, las variaciones en las condiciones de cultivo pueden tener un impacto significativo en el rendimiento final. Por lo tanto, el modo de operación desempeña un papel importante, ya que está relacionado con el control de estas condiciones a lo largo del tiempo.

A diferencia de parámetros como la temperatura y el pH, que pueden ajustarse de forma relativamente directa, el modo de funcionamiento define la dinámica del sistema. Esto incluye: la disponibilidad de nutrientes, el crecimiento celular, la formación de metabolitos y la acumulación de compuestos que pueden interferir con el crecimiento o la producción.

Esta dinámica influye en aspectos fundamentales, como:

●       Rendimiento del proceso, relacionado con la conversión del sustrato en producto.

●       Productividad, que considera la cantidad producida a lo largo del tiempo.

●       Calidad del producto, especialmente en procesos más delicados.

●       La reproducibilidad, esencial para garantizar la consistencia entre diferentes lotes.

Además de eso, el modo de operación también influye en la estabilidad del proceso, haciéndolo más o menos susceptible a variaciones y desviaciones operativas. Por lo tanto, la elección de la estrategia operativa debe considerarse una decisión técnica estratégica, especialmente en procesos que requieren mayor eficiencia o escalabilidad.

¿Qué cambia realmente dentro del biorreactor dependiendo del modo de operación?

La principal diferencia entre los modos de operación de los biorreactores radica en cómo cambia el ambiente de cultivo a lo largo del proceso.

Los microorganismos y las células responden dinámicamente a las condiciones de su entorno. Los cambios en la disponibilidad de nutrientes, la acumulación de metabolitos y la densidad celular influyen no solo en el crecimiento, sino también en las vías metabólicas activas en cada etapa del cultivo. Uno de los factores más relevantes en este entorno es la disponibilidad de sustrato.

En sistemas cerrados, como los procesos por lotes, el consumo de nutrientes y la producción de metabolitos provocan cambios continuos en el medio. En sistemas abiertos, como los procesos continuos, estas condiciones pueden mantenerse relativamente constantes.

En condiciones de exceso de sustrato, el crecimiento acelerado es común, pero no siempre eficiente, y puede dar lugar a la formación de subproductos indeseables o a una menor eficiencia metabólica. Por otro lado, la limitación controlada de nutrientes puede orientar el metabolismo hacia la producción de compuestos de interés, especialmente en procesos donde el producto no está directamente asociado al crecimiento celular.

Otro punto importante es la acumulación de metabolitos durante el proceso de cultivo. Dependiendo del método de operación, los compuestos generados durante el cultivo pueden acumularse en el medio, interfiriendo negativamente con el crecimiento o la producción. Este efecto es más evidente en sistemas cerrados (lotes, lotes alimentados), donde no hay renovación del medio.

De este modo, el modo de funcionamiento no solo interfiere con el cultivo, sino que también dirige el comportamiento metabólico del sistema.

Cómo influye el método de alimentación en el proceso

Cada modo —lote, lote alimentado y continuo— crea condiciones específicas dentro del biorreactor, influyendo en el crecimiento celular, el metabolismo y, en consecuencia, en el desempeño del proceso.

Por lotes (Batch o discontinuo)

En el modo discontinuo, todos los nutrientes se añaden al inicio del proceso. Durante el cultivo, no se repone el medio, salvo adiciones ocasionales para el control, como oxígeno, agente antiespumante o ajustes de pH.

Se trata de un sistema cerrado, en el que el volumen permanece prácticamente constante durante todo el proceso. A medida que avanza el proceso, se consumen nutrientes y se acumulan metabolitos, lo que provoca cambios continuos en el ambiente. Este modo de operación se utiliza ampliamente en estudios de crecimiento microbiano, donde el objetivo es evaluar y optimizar las condiciones de cultivo antes de pasar a modos operativos más complejos. Además de eso, también puede aplicarse a la producción de metabolitos, como antibióticos.

Inicialmente, un entorno rico en nutrientes favorece el crecimiento celular. Sin embargo, con el tiempo, se produce una limitación de sustratos, junto con la acumulación de compuestos que pueden inhibir la actividad celular.

Las principales ventajas del modo por lotes son:

●      Menor riesgo de contaminación.

●      Mayor simplicidad operativa.

●      Flexibilidad para diferentes aplicaciones.

●      Facilidad de control de la asepsia.

Por otro lado, este método puede tener limitaciones cuando se presentan las siguientes situaciones:

●      Inhibición debida a un exceso de sustrato.

●      Formación de subproductos no deseados.

●      Menor productividad en los procesos más exigentes.

Este método de alimentación es un proceso más sencillo desde el punto de vista operativo, pero tiene menor capacidad de control metabólico, lo que limita la productividad y la previsibilidad en aplicaciones más sensibles.

Lote alimentado (Fed batch o lote alimentado discontinuo)

En el modo de alimentación continua, el proceso comienza de forma similar al modo por lotes, pero con la adición controlada de nutrientes a lo largo del tiempo, sin retirar el medio. Este método de alimentación permite ajustar la disponibilidad del sustrato según las necesidades del cultivo.

El cultivo comienza como un proceso convencional por lotes, y la alimentación se realiza de forma continua o intermitente, con caudales controlados. Esto evita tanto el exceso como la limitación abrupta de nutrientes, lo que permite mantener las células en condiciones más favorables y controlar mejor el crecimiento y la actividad metabólica.

Este nivel de control permite:

●      Orientar la producción hacia compuestos específicos.

●      Reducir la formación de subproductos no deseados.

●      Aumentar la densidad celular.

●      Mejorar el rendimiento y la productividad.

Por estos motivos, el fed batch se utiliza en procesos que requieren mayor desempeño y control, como en la producción de insulina humana recombinante, donde la capacidad de mantener células viables y productivas durante largos periodos es fundamental para la viabilidad económica. También puede emplearse en la producción a gran escala de enzimas industriales, maximizando el rendimiento, y en la producción industrial de biocombustibles.

Continuo

En modo continuo, se produce una entrada constante de medio fresco y una extracción simultánea del cultivo, manteniendo un volumen constante en el recipiente. Esto hace que las condiciones dentro del biorreactor permanezcan relativamente estables a lo largo del tiempo.

Este modo de operación se caracteriza por ser un sistema abierto, en el que es posible alcanzar un estado estacionario, una condición en la que las concentraciones de células, sustrato y producto permanecen constantes a lo largo del tiempo. Además, el control de las condiciones puede ser bastante preciso, siempre que el sistema esté correctamente ajustado. Este modo se puede utilizar en el estudio del metabolismo microbiano, ya que, al mantener las células en un estado fisiológico constante durante largos periodos, es posible investigar cómo las variaciones en las condiciones de cultivo o la disponibilidad de nutrientes afectan el crecimiento y el metabolismo del microorganismo. Además de eso, se emplea en la producción industrial en procesos que requieren grandes volúmenes y alta consistencia.

Entre sus principales ventajas se encuentran:

●      Alta productividad volumétrica.

●      Operación continua durante largos períodos.

●      Condiciones de cultivo estables.

Sin embargo, esta estrategia requiere:

●      Control estricto de las variables del proceso.

●      Monitoreo continuo.

●      Mayor atención a la contaminación.

Comparación estratégica entre modos de operación

Al analizar los diferentes modos de operación, queda claro que no se trata solo de elegir una forma de llevar a cabo el proceso, sino que implica el nivel de control, el desempeño y la complejidad del proceso.

Cada estrategia presenta ventajas y limitaciones que deben evaluarse según el objetivo del proceso y el nivel de madurez de la operación. En general, es posible comparar los métodos operativos considerando algunos criterios:

Nivel de control:

●      En el modo discontinuo (Batch), el control es más limitado a lo largo del tiempo, ya que no hay intervención una vez que comienza el cultivo. El modo discontinuo alimentado (Fed batch) permite ajustes continuos mediante una alimentación controlada, mientras que el modo continuo requiere un control más estricto para mantener un estado estacionario.

Productividad: 

●      Los procesos por lotes tienden a tener una productividad volumétrica menor debido a las limitaciones de nutrientes y a la acumulación de metabolitos . El procesamiento por lotes alimentados permite una mayor productividad al extender la fase de producción, mientras que el procesamiento continuo puede alcanzar niveles más altos, siempre que se opere de manera estable.

Complejidad operativa: 

●      El procesamiento por lotes es el más sencillo de implementar y operar. El procesamiento por lotes alimentados requiere estrategias de alimentación definidas y una monitorización más intensiva. El procesamiento continuo, por otro lado, presenta mayor complejidad, tanto en términos de control como de mantenimiento de la estabilidad del sistema.

Estabilidad y reproducibilidad: 

●      Los procesos por lotes son menos controlables a lo largo del tiempo. El modo de alimentación por lotes ofrece un mejor equilibrio entre control y estabilidad. El modo continuo, cuando se opera correctamente, proporciona una alta estabilidad, pero es más sensible a las desviaciones.

Riesgo operacional: 

●      El riesgo de contaminación y pérdida de proceso tiende a ser menor en el procesamiento por lotes, moderado en el procesamiento por lotes alimentados y más crítico en los procesos continuos, especialmente debido al tiempo de operación prolongado.

Esta comparación pone en evidencia que se trata de estrategias diferentes, cada una más adecuada para contextos específicos; la elección debe estar en consonancia con los objetivos del proceso, el microorganismo, el producto deseado y la capacidad de monitorización disponible.

El papel de los biorreactores en el control de la estrategia operativa

Independientemente del modo de funcionamiento elegido, el rendimiento del proceso depende directamente de la capacidad de controlar las variables implicadas. 

En este escenario, los biorreactores juegan un papel fundamental, permitiendo el monitoreo y ajuste de parámetros como pH, temperatura, oxígeno disuelto, agitación, alimentación de sustrato y más.

Los biorreactores Tecnal están diseñados para operar de manera eficiente en diferentes modos (por lotes, por lotes alimentados y contínuo), ofreciendo recursos que aumentan el control y la reproducibilidad del proceso.

Entre sus principales características distintivas, destacan las siguientes:

●      Integración con múltiples bombas peristálticas para alimentación y muestreo.

●      Control preciso de variables críticas del proceso, como el pH, la temperatura, la agitación y el oxígeno disuelto, entre otras.

●      más de 14 puertos para sensores y accesorios.

●      Más de 18 parámetros de control disponibles.

●      Flexibilidad de configuración para diferentes aplicaciones.

●      Software completo e intuitivo para la monitorización.

Además de eso, la disponibilidad de diferentes tipos de recipientes (vidrio, acero inoxidable, mixtos, air lift) permite adaptar el sistema a las necesidades específicas de cada bioproceso.

Esta combinación de control, flexibilidad y automatización es esencial para garantizar que la estrategia operativa elegida se ejecute de manera eficiente y consistente.

La elección del modo de funcionamiento define la base del rendimiento del proceso

Cada La elección entre procesos por lotes, por lotes alimentados y continuos va más allá de una decisión operativa. Es una decisión que impacta directamente en el entorno de cultivo, el comportamiento celular y, por consiguiente, en los resultados del proceso.

Cada modo de operación tiene sus propias características, con diferentes niveles de control, productividad y complejidad. Por lo tanto, la elección debe guiarse por los objetivos del proceso y las condiciones disponibles.

Con el apoyo de biorreactores adecuados, es posible ejecutar la estrategia elegida con mayor control, eficiencia y confiabilidad, estableciendo una base sólida para obtener resultados consistentes a lo largo del tiempo.

¡Obtenga más información sobre los biorreactores Tecnal descargando nuestro e-book!

Para más información, entre en contacto con el equipo de Tecnal.

Referencias

SCHMIDELL, Willibaldo et al. Biotecnologia industrial - vol. 2: engenharia bioquímica. Editora Blucher, 2001.