Diseño y Operación de Sistemas de Microbiorreactores para Detección y Desarrollo de Procesos

Los microbiorreactores desempeñan un papel importante en las aplicaciones de detección y cultivo en la fase temprana del desarrollo del proceso biotecnológico. Por lo general, se utilizan para la detección de cepas y medios y para la evaluación y optimización de las condiciones de cultivo. Los bajos costos de fabricación, un alto grado de paralelización y su flexibilidad en la aplicación convierten a los estos dispositivos en una herramienta básica para el desarrollo eficiente de procesos. Sin embargo, pueden diferir significativamente en tamaño, diseño y modo de operación. Por ejemplo, el tamaño de los aparatos de esta clase varía desde el rango de microlitro a mililitro. Su diseño generalmente varía en forma, propiedades del material e instrumentación, lo que influye directamente en el rendimiento general del biorreactor. Hoy en día, se encuentran disponibles las versiones de agitados, pero también otros sistemas, por ejemplo, se utilizan modelos aireados. Una transferencia confiable del proceso de pequeña escala a mayor escala requiere un amplio conocimiento de todos los parámetros físicos relevantes y condiciones de operación. En otras palabras, una comprensión profunda de los parámetros de ingeniería importantes y las propiedades físicas de estos es necesaria para un desarrollo eficiente del proceso.

En los últimos años, se han realizado muchos esfuerzos para caracterizar en detalle los reactores microbiológicos. Como consecuencia, en la actualidad se dispone de conocimientos fundamentales sobre, por ejemplo, la entrada de energía específica, la transferencia de masa gas-líquido y la influencia de la ventilación en los reactores microbiológicos. Este conocimiento se utiliza para optimizar continuamente las condiciones operativas y para mejorar la productividad de los cultivos microbianos. Simultáneamente, se han desarrollado nuevos métodos analíticos y estrategias de control basadas en técnicas de medición en línea no invasivas. Como resultado, los parámetros de proceso determinados con precisión están disponibles en los biorreactores a pequeña escala en la actualidad. Las últimas tendencias de las aplicaciones automatizadas de alto rendimiento, así como la viabilidad de la alimentación de sustratos, demuestran que aún no se ha explotado todo el potencial del desarrollo de reactores microbiológicos. El objetivo teórico de este proceso de desarrollo de microbiorreactores es una adaptación de las condiciones de cultivo a escala de producción. Sin embargo, no pueden imitar los biorreactores de tanque agitado totalmente equipados en todos los detalles. La diferencia entre la escala de selección y la producción es del orden de 10⁶-10¹⁰(0.1–100ml vs. 100–1000m³). Esta diferencia es simplemente demasiado grande para transferir directamente un proceso entre ambas escalas. Además, el alto estándar de equipo técnico y análisis en biorreactores de tanque agitado a menudo no se puede reproducir en microbiorreactores con la misma calidad. Sin embargo, ofrecen la posibilidad de obtener parámetros básicos del proceso más rápido y, por lo tanto, pueden acelerar significativamente el desarrollo del proceso biotecnológico.

Parámetros clave de ingeniería y propiedades en el diseño y operación de los reactores microbianos

Los parámetros de ingeniería clave, como la entrada de potencia específica, la transferencia de masa de gas / líquido o la mezcla de líquidos, son cruciales para la caracterización de los reactores microbiológicos. El ajuste de las condiciones de operación apropiadas está básicamente determinado por uno o más de estos parámetros. Además, las propiedades superficiales de la pared del reactor, la viscosidad del líquido y la ventilación desempeñan un papel importante para garantizar una aplicación exitosa. Los modelos agitados, tales como matraces de vidrio y placas de microtitulación, son de especial interés debido a su particular relevancia en los experimentos de deteccion. La ventaja de los reactores microbianos agitados es su diseño simple, costos de operación bajos, alto grado de paralelización y áreas de transferencia de masa bien definidas. Por lo tanto, los dispositivos agitados se usan a menudo para cultivos microbianos durante la fase temprana del desarrollo del proceso. Uno de los primeros cultivos de microorganismos en matraces de agitación se informó a principios de la década de 1930. Aproximadamente 50 años después, se llevaron a cabo los primeros cultivos microbianos en placas de microtitulación. En contraste, la caracterización sistemática de los reactores microbianos agitados y el desarrollo de estrategias de control comenzaron hace aproximadamente 20 años y todavía es el tema de muchos trabajos de investigación.

Entrada de potencia específica

La entrada de energía específica es uno de los parámetros de ingeniería básicos para la caracterización de biorreactores. Sumino et al. mencionó la entrada de energía específica como uno de los parámetros cruciales para la optimización y ampliación de las condiciones de operación biotecnológicas desde biorreactores agitados. Se define como la entrada de potencia por volumen de líquido P / V _Ly describe la potencia promedio introducida en el líquido de un biorreactor. La entrada de energía específica influye directamente en la distribución de líquidos, la hidrodinámica de fluidos, la transferencia de calor y la mezcla, así como el estrés hidromecánico de los microorganismos. Además, se ve afectado por las propiedades del caldo de cultivo y aumenta con el aumento de la viscosidad. Si la viscosidad excede un valor crítico, el líquido en los biorreactores agitados tiende a estar fuera de fase y la entrada de potencia específica se reducirá considerablemente. Como consecuencia, también se reducirá la transferencia de oxígeno al líquido a granel, así como la mezcla. Por lo tanto, la entrada de energía específica influye directamente en el rendimiento del cultivo y representa uno de los parámetros de ingeniería más importantes de los biorreactores.