Características generales del diseño de biorreactores

Los avances de la biotecnología ha dado un impulso para avanzar en el diseño de biorreactores. Especialmente a gran escala, los requisitos del sistema de cultivo se han dispersado en una variedad de diversos problemas técnicos que la mayoría de ellos tienen en común transferencia de masa y energía. En los libros de texto, un biorreactor se describe típicamente como un aparato con forma de cámara para organismos en crecimiento tales como bacterias o levaduras que se pueden usar para la producción de metabolitos biomoleculares o biopolímeros o para la conversión de desechos orgánicos. Esta descripción muy general del biorreactor destaca claramente el propósito principal de los esfuerzos de diseño: lograr condiciones en las que diversos tipos de células puedan crecer de manera eficiente y producir una variedad de productos biológicos con una amplia gama de tamaños moleculares en una sola unidad. Esto requiere una profunda adaptación del diseño técnico del sistema de biorreactor y podría dar como resultado muchas soluciones de diseño diferentes. La diversidad del diseño causada principalmente por el factor tiempo; Debido al hecho de que las tasas difieren en gran medida de un organismo a otro, en las tasas de reproducción, en las tasas de procesamiento molecular en los organismos individuales y en la transferencia a través de las barreras biológicas de los sistemas celulares.

El factor tiempo también se aplica a los procedimientos operativos. Cuando las células crecen, el diseño debe adaptarse para compensar la ampliación de la dinámica debido a los números más altos de células. Esto se refiere principalmente al suministro de nutrientes y factores de crecimiento. Sin embargo, también puede tratarse de la eliminación de masa y energía para evitar sobrecargar el sistema con cualquiera de estos. Los procedimientos operativos en combinación con el diseño efectuarán esto.

Una variedad de condiciones, procedimientos operacionales y consideraciones son críticos para la eficiencia del diseño. Las tasas de transferencia de masa y energía se encuentran entre los temas más críticos.

Se deben considerar los factores ambientales en un sentido más amplio, así como la temperatura ambiente y la humedad y la presencia de contaminantes; Todos los ejemplos de factores pueden jugar un papel importante.

La esterilización es un procedimiento operacional que varía ligeramente según el organismo, pero debe adaptarse con cuidado a la forma geométrica y los materiales de construcción de los fermentadores. La prevalencia de unidades de un solo uso hechas de materiales plásticos destaca la actualidad de este problema.

La inoculación de las células es otra consideración que se relaciona con el tamaño del inóculo, el estado de las células para entrar en una fase de crecimiento exponencial, su variabilidad y sensibilidad a las condiciones microambientales y su pureza.

La composición de los medios es un ejemplo de otro problema de diseño que comprende tanto los aspectos químicos relacionados con el valor nutricional de los medios como la importancia biológica de los componentes en relación con las rutas metabólicas involucradas en el crecimiento y la producción de las células.

En últimos tiempos han surgido una diversidad de alternativas de diseño de biorreactores. El biorreactor de tanque agitado es, con pocas excepciones, el diseño predominantemente utilizado para cultivos sumergidos debido a su versatilidad, operatividad, capacidad para hacer frente a muchos de los requisitos necesarios y a la fabricación.

El principal defecto de diseño agitado, su agitación mecánica, se resuelve en otros diseños. En el biorreactor de la columna de burbujas, el impulsor mecánico se intercambia con burbujas en aumento, lo que, en el caso de una fermentación aeróbica, se requerirá de todos modos y en beneficio de menos componentes mecánicos y la necesidad de menor potencia eléctrica. Pero con un inconveniente a veces crítico, menor transferencia de oxígeno volumétrico, que puede ser un defecto grave para los organismos de rápido crecimiento y los cultivos de alta densidad.

El biorreactor de puente aéreo con un flujo forzado en un bucle interno o externo tiene la misma ventaja, aunque el diseño requiere una pieza de construcción adicional, el tubo de la esquina inferior. Estas modificaciones de diseño relativamente menores parecen limitar sustancialmente el uso generalizado de estos tipos. Además, el reactor de lecho fluidizado donde las células se reciclan mediante bombeo externo y el producto soluble recogido por desbordamiento proporciona los mismos pros y contras, menos mecánica y menor transferencia de oxígeno. Sin embargo, se necesita una diversidad de densidad entre los medios y las células, lo que hace que la agregación de células como las células de levadura floculantes o las células posiblemente inmovilizadas sea el estado ideal para el componente biológico. Por eso, el diseño del reactor del tanque se acerca a los diseños del reactor tubular y las fermentaciones en estado sólido. En el biorreactor de lecho de goteo, las células se injertan en un material sólido mientras que el medio se transfiere a través de un lecho de biocatalizador.

Esto se asemeja al modelo de reactor tubular de ingeniería química donde el catalizador es típicamente un catalizador de metal de transición. En contraste con los sistemas de reacción química, los reactores biocatalizados albergan procesos aeróbicos de baja temperatura con regímenes cinéticos profundamente desviados.

El diseño del biorreactor de estado sólido también puede seguir el antiguo modelo de reactor de bandeja chino aplicado en la fermentación de koji. Recopilar el cultivo en un material de soporte, un tipo de procedimiento de inmovilización, en bandejas colocadas en un contenedor con condiciones controladas no es óptimo, pero es conveniente y está bien probado. El biorreactor de la bandeja se puede transformar en un reactor de lecho estático, que proporciona una mejor eficiencia al poner en contacto los componentes de la reacción de manera fluida. El lecho estático es una versión corta de un biorreactor de túnel que permite contener más catalizador a un caudal equivalente.

La rotación del biorreactor es otra forma de agitar las células y los reactivos, donde se debe emplear la gravedad de las partículas para provocar el movimiento en el fluido, ya sea en un disco o en una geometría de tambor, o moviendo una bolsa de plástico. Otra solución técnica es mover el impulsor alrededor del biorreactor, de vuelta al comienzo. Por supuesto, el diseño aquí puede variar sustancialmente. En la planta de aguas residuales, por ejemplo, el reactor es un tanque circular ancho pero con el impulsor bajo en un brazo giratorio. Como sugiere el ejemplo, el enfoque es principalmente una solución para la gran escala. Un tornillo continuo es una tercera alternativa para crear movimiento en el sistema de biorreacción, que es más apropiado si la fase líquida que se avanza es viscosa y donde la entrada de energía para accionar el tornillo es insignificante. Las condiciones de cultivo celular han generado algunas formas de diseño adicionales, tales como reactores de fibra hueca y  de onda.

Las tarifas volumétricas y el tamaño del equipo deben adaptarse de manera realista. A menudo, se debe conectar un número mayor de unidades paralelas a un solo reactor si el volumen de operación conveniente del siguiente paso es demasiado pequeño para albergar el flujo volumétrico. Sin embargo, lo contrario también puede aplicarse; la capacidad de una sola centrifugadora de alta velocidad puede ser suficiente en una fábrica de cerveza con varios fermentadores.