Un biorreactor se refiere a cualquier dispositivo o sistema fabricado que respalde un entorno biológicamente activo. [1] 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 tamaños que van desde litros hasta metros cúbicos y, a menudo, están hechos de acero inoxidable . [ cita necesaria ] También puede referirse a un dispositivo o sistema diseñado para cultivar células o tejidos en el contexto del cultivo celular . [2] Estos dispositivos se están desarrollando para su uso en ingeniería de tejidos o ingeniería bioquímica / de bioprocesos . [ cita necesaria ]
Según el modo de funcionamiento, un biorreactor puede clasificarse como discontinuo , discontinuo alimentado o continuo (por ejemplo, un modelo de reactor continuo de tanque agitado ). Un ejemplo de biorreactor continuo es el quimiostato . [ cita necesaria ]
Los organismos o sustancias bioquímicamente activas que crecen en biorreactores pueden sumergirse en un medio líquido o anclarse a la superficie de un medio sólido. Los cultivos sumergidos pueden suspenderse o inmovilizarse. Los biorreactores en suspensión pueden soportar una variedad más amplia de organismos, ya que no se necesitan superficies de unión especiales y pueden operar a una escala mucho mayor que los cultivos inmovilizados. Sin embargo, en un proceso operado continuamente los organismos se eliminarán del reactor con el efluente. La inmovilización es un término general que describe una amplia variedad de métodos para la unión o atrapamiento de células o partículas. [3] Se puede aplicar básicamente a todos los tipos de biocatálisis, incluidas enzimas, orgánulos celulares, células y órganos animales y vegetales. [4] [5] La inmovilización es útil para procesos operados continuamente, 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:
El diseño de biorreactores es una tarea de ingeniería relativamente compleja, que se estudia en la disciplina de la ingeniería bioquímica / de 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. Las fermentaciones particularmente exotérmicas pueden requerir el uso de intercambiadores de calor externos. Los nutrientes se pueden agregar continuamente al fermentador, como en un sistema discontinuo, o se pueden cargar en el reactor al comienzo de la fermentación. El pH del medio se mide y se 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 (menos aún en caldos de fermentación tibios) y es relativamente escaso en el aire (20,95%). La transferencia de oxígeno suele verse favorecida por la agitación, que también es necesaria para mezclar los nutrientes y mantener homogénea la fermentación. Los agitadores de dispersión de gas se utilizan para romper las burbujas de aire y hacerlas circular por todo el recipiente. [ cita necesaria ]
La contaminación 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. Normalmente, los biorreactores se limpian entre lotes o están diseñados para reducir la contaminación tanto como sea posible cuando funcionan de forma continua. La transferencia de calor es una parte importante del diseño de biorreactores; Los recipientes pequeños se pueden enfriar con una camisa de enfriamiento, pero los recipientes más grandes pueden requerir serpentines o un intercambiador de calor externo. [ cita necesaria ]
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 denominarse 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 . [6] Estos organismos utilizan la luz a través de la fotosíntesis como fuente de energía y no requieren azúcares ni lípidos como fuente de energía. En consecuencia, el riesgo de contaminación con otros organismos como bacterias u hongos es menor en los fotobiorreactores en comparación con los biorreactores para organismos heterótrofos . [ cita necesaria ]
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 una superficie muy alta como sustrato para el crecimiento de la película biológica. La separación del exceso de película biológica se realiza 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 con 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 pueden recolectarse 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 las bacterias. En este caso, el propio lodo biológico es el huésped principal de las bacterias. [ cita necesaria ]
Muchas células y tejidos, especialmente los de mamíferos, deben tener una superficie u otro soporte estructural para poder crecer, y los entornos agitados suelen ser destructivos para estos tipos de células y tejidos. Los organismos superiores, al ser auxótrofos , también requieren medios de crecimiento altamente especializados. Esto plantea un desafío cuando el objetivo es cultivar mayores cantidades de células con fines de producción terapéutica, y se necesita un diseño significativamente diferente en comparación con los biorreactores industriales utilizados para cultivar sistemas de expresión de proteínas como levaduras y bacterias. [ cita necesaria ]
Muchos grupos de investigación han desarrollado biorreactores novedosos para cultivar tejidos y células especializados en un andamio estructural, en un intento de recrear estructuras de tejido similares a órganos in vitro . Entre estos se incluyen biorreactores de tejido que pueden hacer crecer tejido cardíaco, [7] [8] tejido de músculo esquelético, [9] ligamentos, modelos de tejido canceroso y otros. Actualmente, ampliar 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 .
Los modelos matemáticos actúan como una herramienta importante en diversas aplicaciones de biorreactores, incluido el tratamiento de aguas residuales. Estos modelos son útiles para planificar estrategias eficientes de control de procesos y predecir el rendimiento futuro de la planta. Además, estos modelos son beneficiosos en las áreas de educación e investigación. [ cita necesaria ]
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 importantes campos de la civilización, como la agricultura, la alimentación y la atención sanitaria, la recuperación de recursos y la química fina. [ cita necesaria ]
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. Uno de los principales inconvenientes del control de procesos biotecnológicos es el problema de medir parámetros físicos y bioquímicos clave. [10]
Un bioproceso se compone principalmente de tres etapas (procesamiento inicial, biorreacción y procesamiento posterior) para convertir la materia prima en producto terminado. [11]
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 previo que implica hidrólisis química, preparación de medio líquido, separación de partículas, purificación del aire y muchas otras operaciones preparatorias. [ cita necesaria ]
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. [ cita necesaria ]
Finalmente, el material producido en el biorreactor debe procesarse aún más en la sección aguas abajo para convertirlo en una forma más útil. El proceso posterior consiste principalmente en operaciones de separación física que incluyen separación sólido-líquido, adsorción , extracción líquido-líquido , destilación , secado , etc. [12]
Un biorreactor típico consta de las siguientes partes:
Agitador : se utiliza para mezclar el contenido del reactor, lo que mantiene las células en perfectas condiciones homogéneas para un mejor transporte de nutrientes y oxígeno a los productos deseados.
Deflector : se utiliza para romper la formación de vórtices en el recipiente, lo que suele ser muy indeseable ya que cambia el centro de gravedad del sistema y consume energía adicional.
Sparger : en el proceso de cultivo aeróbico, el propósito del sparger es suministrar oxígeno adecuado a las células en crecimiento.
Chaqueta : la chaqueta proporciona el área anular para la circulación de agua a temperatura constante, lo que mantiene la temperatura del biorreactor en un valor constante. [13]
