Biorreactor

Un biorreactor se refiere a cualquier dispositivo o sistema fabricado que soporta un entorno biológicamente activo. En un caso, 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. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. Estos biorreactores suelen ser cilíndricos, con un tamaño que va desde litros hasta metros cúbicos y, a menudo, están hechos de acero inoxidable. También puede referirse a un dispositivo o sistema diseñado para hacer crecer células o tejidos en el contexto del cultivo celular. Estos dispositivos se están desarrollando para su uso en ingeniería de tejidos o ingeniería bioquímica/bioproceso.

Sobre la base del modo de operación, un biorreactor puede clasificarse como discontinuo, discontinuo alimentado o continuo (por ejemplo, un modelo de reactor de tanque agitado continuo). Un ejemplo de un biorreactor continuo es el quimiostato. Los biorreactores son altamente no lineales y se han propuesto muchas estrategias de control novedosas para su control.

Los organismos que crecen en biorreactores pueden sumergirse en un medio líquido o pueden unirse a la superficie de un medio sólido. Los cultivos sumergidos pueden suspenderse o inmovilizarse. Los biorreactores de suspensión pueden utilizar una variedad más amplia de organismos, ya que no se necesitan superficies de unión especiales y pueden funcionar a una escala mucho mayor que los cultivos inmovilizados. Sin embargo, en un proceso de funcionamiento continuo, los organismos se eliminarán del reactor con el efluente. La inmovilización es un término general que describe una amplia variedad de métodos para la fijación o atrapamiento de células o partículas. Se puede aplicar básicamente a todos los tipos de biocatálisis, incluidas enzimas, orgánulos celulares, células y órganos animales y vegetales.La inmovilización es útil para los procesos operados de forma continua, ya que los organismos no se eliminarán con el efluente del reactor, pero tiene una escala limitada porque los microbios solo están presentes en las superficies del recipiente.

Los biorreactores de células inmovilizadas a gran escala son:

• medio móvil, también conocido como reactor de biopelícula de lecho móvil (MBBR)
• cama empacada
• cama fibrosa
• membrana

Diseño

El diseño de biorreactores es una tarea de ingeniería relativamente compleja, que se estudia en la disciplina de ingeniería bioquímica/bioprocesos. En condiciones óptimas, los microorganismos o células pueden realizar su función deseada con una producción limitada de impurezas. Las condiciones ambientales dentro del biorreactor, como la temperatura, las concentraciones de nutrientes, el pH y los gases disueltos (especialmente el oxígeno para las fermentaciones aeróbicas) afectan el crecimiento y la productividad de los organismos. La temperatura del medio de fermentación se mantiene mediante una camisa de enfriamiento, serpentines o ambos. En particular, las fermentaciones exotérmicas pueden requerir el uso de intercambiadores de calor externos. Los nutrientes se pueden agregar continuamente al fermentador, como en un sistema de lote alimentado, o se pueden cargar en el reactor al comienzo de la fermentación. El pH del medio se mide y ajusta con pequeñas cantidades de ácido o base, dependiendo de la fermentación. Para las fermentaciones aeróbicas (y algunas anaeróbicas), se deben agregar gases reactivos (especialmente oxígeno) a la fermentación. Dado que el oxígeno es relativamente insoluble en agua (la base de casi todos los medios de fermentación), se debe agregar aire (u oxígeno purificado) continuamente. La acción de las burbujas ascendentes ayuda a mezclar el medio de fermentación y también "elimina" los gases residuales, como el dióxido de carbono. En la práctica, los biorreactores suelen estar presurizados; esto aumenta la solubilidad del oxígeno en agua. En un proceso aeróbico, la transferencia óptima de oxígeno es a veces el paso limitante de la velocidad. El oxígeno es poco soluble en agua, incluso menos en caldos de fermentación tibios, y es relativamente escaso en el aire (20,95 %). La transferencia de oxígeno generalmente se ve favorecida por la agitación, que también se necesita para mezclar los nutrientes y mantener la fermentación homogénea. Los agitadores de dispersión de gas se utilizan para romper las burbujas de aire y hacerlas circular por todo el recipiente.

El ensuciamiento puede dañar la eficiencia general del biorreactor, especialmente los intercambiadores de calor. Para evitarlo, el biorreactor debe limpiarse fácilmente. Las superficies interiores suelen estar hechas de acero inoxidable para facilitar la limpieza y el saneamiento. Por lo general, los biorreactores se limpian entre lotes o están diseñados para reducir el ensuciamiento tanto como sea posible cuando se operan de forma continua. La transferencia de calor es una parte importante del diseño del biorreactor; Los recipientes pequeños se pueden enfriar con una camisa de enfriamiento, pero los recipientes más grandes pueden requerir bobinas o un intercambiador de calor externo.

Tipos

Fotobiorreactor

Un fotobiorreactor (PBR) es un biorreactor que incorpora algún tipo de fuente de luz (que puede ser luz solar natural o iluminación artificial). Prácticamente cualquier contenedor translúcido podría llamarse PBR, sin embargo, el término se usa más comúnmente para definir un sistema cerrado, en lugar de un tanque o estanque de almacenamiento abierto. Los fotobiorreactores se utilizan para cultivar pequeños organismos fototróficos como cianobacterias, algas o plantas de musgo. Estos organismos utilizan la luz a través de la fotosíntesis como fuente de energía y no requieren azúcares o lípidos como fuente de energía. En consecuencia, el riesgo de contaminación con otros organismos como bacterias u hongos es menor en los fotobiorreactores que en los biorreactores para organismos heterótrofos.

Tratamiento de aguas residuales

El tratamiento convencional de aguas residuales utiliza biorreactores para llevar a cabo los principales procesos de purificación. En algunos de estos sistemas, se proporciona un medio químicamente inerte con un área superficial muy alta como sustrato para el crecimiento de la película biológica. La separación del exceso de película biológica tiene lugar en tanques de sedimentación o ciclones. En otros sistemas, los aireadores suministran oxígeno a las aguas residuales y la biota para crear lodos activados en los que el componente biológico se mezcla libremente en el licor en "flóculos". En estos procesos, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) del líquido se reduce lo suficiente como para que el agua contaminada sea apta para su reutilización. Los biosólidos se pueden recolectar para su posterior procesamiento, o secarse y usarse como fertilizante. Una versión extremadamente simple de un biorreactor de aguas residuales es un tanque séptico en el que las aguas residuales se dejan in situ, con o sin medios adicionales para albergar bacterias. En este caso, el lodo biológico en sí mismo es el huésped principal de la bacteria.

Biorreactores para tejidos especializados

Muchas células y tejidos, especialmente los de los mamíferos, deben tener una superficie u otro soporte estructural para crecer, y los ambientes agitados suelen ser destructivos para estos tipos de células y tejidos. Los organismos superiores, al ser auxotróficos, también requieren medios de crecimiento altamente especializados. Esto plantea un desafío cuando el objetivo es cultivar grandes cantidades de células con fines de producción terapéutica, y se necesita un diseño significativamente diferente en comparación con los biorreactores industriales utilizados para el cultivo de sistemas de expresión de proteínas, como levaduras y bacterias.

Muchos grupos de investigación han desarrollado nuevos biorreactores para cultivar tejidos y células especializados en un andamio estructural, en un intento de recrear in vitro estructuras de tejido similares a órganos. Entre estos se incluyen biorreactores de tejido que pueden hacer crecer tejido cardíaco, tejido muscular esquelético, ligamentos, modelos de tejido canceroso y otros. Actualmente, escalar la producción de estos biorreactores especializados para uso industrial sigue siendo un desafío y es un área activa de investigación.

Para obtener más información sobre el cultivo de tejidos artificiales, consulte ingeniería de tejidos.

Modelado

Los modelos matemáticos actúan como una herramienta importante en varias aplicaciones de biorreactores, incluido el tratamiento de aguas residuales. Estos modelos son útiles para planificar estrategias de control de procesos eficientes y predecir el rendimiento futuro de la planta. Además, estos modelos son beneficiosos en las áreas de educación e investigación.

Los biorreactores se utilizan generalmente en aquellas industrias relacionadas con alimentos, bebidas y productos farmacéuticos. El surgimiento de la Ingeniería Bioquímica es de origen reciente. El procesamiento de materiales biológicos utilizando agentes biológicos como células, enzimas o anticuerpos son los principales pilares de la ingeniería bioquímica. Las aplicaciones de la ingeniería bioquímica cubren los principales campos de la civilización, como la agricultura, la alimentación y la atención sanitaria, la recuperación de recursos y la química fina.

Hasta ahora, las industrias asociadas a la biotecnología se han quedado rezagadas con respecto a otras industrias en la implementación de control sobre el proceso y estrategias de optimización. Un inconveniente principal en el control de procesos biotecnológicos es el problema de medir parámetros físicos y bioquímicos clave.

Etapas operativas en un bioproceso

Un bioproceso se compone principalmente de tres etapas: procesamiento previo, biorreacción y procesamiento posterior, para convertir la materia prima en un producto terminado.

La materia prima puede ser de origen biológico o no biológico. Primero se convierte a una forma más adecuada para su procesamiento. Esto se hace en un paso de procesamiento aguas arriba que involucra hidrólisis química, preparación de medio líquido, separación de partículas, purificación de aire y muchas otras operaciones preparatorias.

Después del paso de procesamiento aguas arriba, la alimentación resultante se transfiere a una o más etapas de biorreacción. Los reactores bioquímicos o biorreactores forman la base del paso de biorreacción. Este paso consta principalmente de tres operaciones, a saber, producción de biomasa, biosíntesis de metabolitos y biotransformación.

Finalmente, el material producido en el biorreactor debe procesarse más en la sección posterior para convertirlo en una forma más útil. El proceso aguas abajo consiste principalmente en operaciones de separación física que incluyen separación de sólido líquido, adsorción, extracción líquido-líquido, destilación, secado, etc.

Especificaciones

Un biorreactor típico consta de las siguientes partes:

Agitador: se utiliza para mezclar el contenido del reactor, lo que mantiene las celdas en perfectas condiciones homogéneas para un mejor transporte de nutrientes y oxígeno al producto o productos deseados.

Deflector: se usa para romper la formación de vórtices en el recipiente, lo que generalmente es muy indeseable ya que cambia el centro de gravedad del sistema y consume energía adicional.

Aspersor: en el proceso de cultivo aeróbico, el propósito del aspersor es suministrar oxígeno adecuado a las células en crecimiento.

Chaqueta: la chaqueta proporciona el área anular para la circulación de agua a temperatura constante que mantiene la temperatura del biorreactor en un valor constante.