¿Qué es un biorreactor? - Descubre la función de un biorreactor

Un biorreactor es un dispositivo empleado para el cultivo celular, microorganismos o tejidos en condiciones controladas. Tiene el objetivo de producir una sustancia deseada o estudiar procesos biológicos. Existen diferentes tipos de biorreactores, que se clasifican según el tipo de cultivo que se lleva a cabo y las condiciones de cultivo necesarias. Los biorreactores pueden ser de lotes, continuos o semicontinuos. Además pueden operar en modo aeróbico o anaeróbico, dependiendo del tipo de microorganismo que se esté cultivando.

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Significado y definición de un biorreactor

Un biorreactor es un dispositivo utilizado para el cultivo de células, microorganismos o tejidos en condiciones controladas. Su objetivo principal es proporcionar un ambiente ideal para el crecimiento y la producción de biomasa o productos biológicos. Lo hace mediante la regulación de diferentes parámetros físicos y químicos, como la temperatura, pH, nutrientes y la agitación. Los biorreactores se utilizan en una variedad de campos, como la producción de alimentos, medicamentos, enzimas, biocombustibles, entre otros.

También son ampliamente utilizados en investigación para estudiar procesos biológicos, desarrollar nuevas terapias y tecnologías. Los biorreactores tienen una serie de componentes esenciales, como el recipiente de cultivo, el agitador, el sistema de suministro de nutrientes y gases, y el sistema de monitoreo y control. El recipiente de cultivo es el lugar donde se encuentra el medio de cultivo y los microorganismos o células. El agitador se encarga de mantener el medio de cultivo homogéneo y en movimiento constante para asegurar una distribución uniforme de nutrientes y gases en todo el sistema.

¿Para qué sirve un biorreactor?

Los biorreactores tienen una amplia gama de aplicaciones en la industria biotecnológica y la investigación científica. Sirven para proporcionar un ambiente controlado en el cual se pueden cultivar células, microorganismos o tejidos. Ayuda a producir una variedad de productos biológicos y para estudiar procesos biológicos. Entre las principales aplicaciones de los biorreactores se encuentran:

• Producción de productos biológicos: Los biorreactores se utilizan para producir una amplia variedad de productos biológicos, como proteínas recombinantes, anticuerpos monoclonales, enzimas, aminoácidos, biocombustibles, entre otros. El cultivo celular en biorreactores permite producir grandes cantidades de estos productos en un ambiente controlado y reproducible.
• Cultivo de células y tejidos: Los biorreactores se utilizan en la producción de células y tejidos para su uso en terapias celulares y medicina regenerativa. Los biorreactores pueden proporcionar un ambiente óptimo para el crecimiento y diferenciación de células y tejidos, permitiendo su expansión en grandes cantidades.
• Estudio de procesos biológicos: Los biorreactores se utilizan en la investigación científica para estudiar procesos biológicos, como la fermentación, la respiración celular, la producción de biomasa, entre otros. Estos dispositivos permiten controlar y monitorizar diferentes parámetros, lo que permite entender mejor cómo se comportan los organismos vivos en diferentes condiciones.
• Optimización de procesos: También se utilizan en la optimización de procesos de producción, para mejorar la eficiencia y la calidad del producto final. Los parámetros controlados en el biorreactor pueden ser ajustados para maximizar el rendimiento y la productividad.

¿Cuáles son las características de un biorreactor?

Los biorreactores pueden tener diferentes diseños y características, dependiendo del tipo de cultivo y los productos que se deseen producir. Sin embargo, hay ciertas características comunes que se encuentran en la mayoría de los biorreactores, tales como:

• Control de temperatura: Los biorreactores deben ser capaces de mantener una temperatura constante y controlada en el interior del recipiente de cultivo. La temperatura óptima varía según el tipo de cultivo, pero por lo general está entre 25 y 40 grados Celsius.
• Control de pH: El pH es un parámetro crítico que debe ser controlado en el interior del biorreactor. Se deben agregar soluciones ácidas o básicas para ajustar y mantener el pH en el rango adecuado para el tipo de cultivo.
• Control de agitación y mezclado: Los biorreactores deben ser capaces de agitar y mezclar el cultivo de manera uniforme para proporcionar una distribución uniforme de nutrientes y oxígeno. La agitación también evita que las células o microorganismos se asienten en el fondo del biorreactor.
• Control de oxígeno: El oxígeno es un parámetro importante que debe ser controlado en el interior del biorreactor. Los biorreactores pueden tener sistemas de aireación que suministran oxígeno a través de burbujas de aire o por difusión a través de una membrana.
• Control de nutrientes: Los biorreactores deben ser capaces de proporcionar los nutrientes necesarios para el cultivo, como fuentes de carbono, nitrógeno y fósforo, entre otros.
• Estéril: Los biorreactores deben ser estériles para evitar la contaminación del cultivo y garantizar la integridad del producto final. Se deben tomar medidas adecuadas para mantener el ambiente estéril, como el uso de filtros y la esterilización de las superficies y equipos.
• Monitoreo y control automatizado: Los biorreactores pueden estar equipados con sistemas de monitoreo y control automatizado, que miden y ajustan los parámetros de cultivo de manera continua. Esto permite un mayor control y reproducibilidad del proceso de cultivo.

¿Qué contiene un biorreactor?

El contenido de un biorreactor depende del tipo de cultivo que se está cultivando y el proceso de producción que se está llevando a cabo. En general, un biorreactor contiene los siguientes componentes:

• Recipiente de cultivo: Es el contenedor principal del biorreactor donde se lleva a cabo el cultivo. Puede estar hecho de diferentes materiales, como vidrio o acero inoxidable, y tener diferentes tamaños y formas.
• Medios de cultivo: Es el líquido que contiene los nutrientes necesarios para el crecimiento y la reproducción de los microorganismos o células cultivados. El medio de cultivo varía según el tipo de cultivo, pero generalmente contiene una fuente de carbono, nitrógeno, fósforo y otros nutrientes esenciales.
• Microorganismos o células: Son los organismos vivos que se cultivan en el biorreactor. Pueden ser bacterias, células animales o vegetales, hongos, levaduras, entre otros.
• Sistema de agitación: El sistema de agitación asegura que el cultivo esté bien mezclado y homogéneo. Puede incluir una paleta de agitación, un motor y un reductor de velocidad.
• Sistema de aireación: El sistema de aireación proporciona oxígeno al cultivo. Puede ser una bomba de aire que suministra aire a través de una piedra difusora o una membrana porosa.
• Sensores y controladores: Los biorreactores pueden tener diferentes sensores y controladores para medir y controlar diferentes parámetros de cultivo, como la temperatura, el pH, el nivel de oxígeno, la velocidad de agitación, entre otros.
• Sistema de esterilización: Para evitar la contaminación del cultivo, los biorreactores deben ser estériles. Los sistemas de esterilización pueden incluir la esterilización en autoclave, el uso de filtros, la irradiación con luz ultravioleta, entre otros.

¿Qué es un cultivo por lote de biorreactor?

Un cultivo por lote de biorreactor es una técnica de cultivo en la que se agregan todos los nutrientes y microorganismos o células necesarios para el crecimiento en un solo momento y se permite que el cultivo crezca hasta que alcance su fase final de crecimiento o producción. Después de que el cultivo ha alcanzado este punto, se retira la mezcla y se inicia un nuevo cultivo.

En este tipo de cultivo, el proceso de cultivo se lleva a cabo en un biorreactor cerrado y estéril, con control sobre los parámetros de cultivo como la temperatura, pH, oxígeno disuelto, entre otros. El cultivo comienza con la inoculación de microorganismos o células en un medio de cultivo estéril. Los nutrientes necesarios se agregan al medio de cultivo y se mezclan bien. Durante el período de crecimiento, los nutrientes se agotan y los productos finales se acumulan en el medio. Después de que se alcanza la fase final de crecimiento, se detiene la alimentación de nutrientes y se retira el cultivo.

¿Qué es un caldo de cultivo en biorreactor?

Un caldo de cultivo en un biorreactor es una solución líquida que contiene los nutrientes necesarios para el crecimiento de microorganismos o células en un biorreactor. Esta solución se utiliza para cultivar células en grandes cantidades para la producción de compuestos biológicos, como proteínas, anticuerpos, enzimas y otros productos biotecnológicos.

Los ingredientes del caldo de cultivo varían según el tipo de célula o microorganismo que se esté cultivando y el objetivo del cultivo. Por lo general, el caldo de cultivo contiene una fuente de carbono, nitrógeno, fósforo y otros nutrientes esenciales para el crecimiento y la división celular. Los nutrientes se disuelven en agua estéril y se ajustan los valores de pH, temperatura y otros parámetros para crear un ambiente de cultivo óptimo.

El caldo de cultivo se introduce en el biorreactor, donde se inoculan las células o microorganismos y se controlan las condiciones de cultivo. Los biorreactores suelen estar equipados con sensores y controladores que monitorean y ajustan los parámetros del cultivo para asegurar un crecimiento óptimo y una producción máxima del compuesto deseado.

¿Qué es el espesor de un biorreactor?

El espesor de un biorreactor se refiere a la distancia entre las paredes del recipiente y el volumen de líquido o medio de cultivo dentro del biorreactor. Es un factor importante a considerar en el diseño de un biorreactor ya que puede influir en la mezcla de los componentes del cultivo, la transferencia de masa y la transferencia de calor.

El espesor del biorreactor varía según su tamaño y su diseño. Los biorreactores pequeños suelen tener un espesor de alrededor de 1-2 mm, mientras que los más grandes pueden tener un espesor de hasta varios centímetros. En general, un espesor menor del biorreactor puede ser beneficioso ya que permite una mezcla más efectiva del cultivo y una transferencia de masa y calor más eficiente.

Sin embargo, un espesor demasiado pequeño puede ser problemático ya que puede aumentar la velocidad del flujo y causar turbulencias excesivas, lo que podría afectar negativamente el crecimiento de las células o microorganismos. Por lo tanto, el espesor del biorreactor debe ser cuidadosamente optimizado en función de los objetivos del cultivo y las características del medio de cultivo, ademas de las células o microorganismos que se están cultivando.

¿Qué es el flujo medio en un biorreactor?

El flujo medio en un biorreactor se refiere a la velocidad de flujo del medio de cultivo o líquido a través del sistema de biorreactor. El flujo medio es un parámetro importante en el diseño y la operación de un biorreactor, ya que puede influir en la mezcla del cultivo, la transferencia de masa y la transferencia de calor.

El flujo medio óptimo dependerá de las necesidades específicas del cultivo y el proceso biotecnológico en cuestión. Por ejemplo, un flujo medio más alto puede ser beneficioso para la producción de productos biotecnológicos en células que crecen rápidamente, ya que puede ayudar a suministrar nutrientes y eliminar productos de desecho de manera más efectiva. Sin embargo, un flujo medio demasiado alto también puede afectar negativamente la transferencia de masa y la mezcla del cultivo.

¿Qué es el rendimiento en un biorreactor?

El rendimiento en un biorreactor se refiere a la cantidad de producto generado por unidad de tiempo y volumen de cultivo. El rendimiento es un parámetro importante en la producción biotecnológica ya que permite evaluar la eficiencia del proceso de producción.

El rendimiento puede ser influenciado por varios factores, como la densidad celular, la tasa de crecimiento, la concentración de nutrientes, la calidad del medio de cultivo, la velocidad de agitación y la tasa de flujo medio, entre otros. Por lo tanto, el rendimiento óptimo dependerá de la combinación de estos factores específicos para el proceso de producción. El rendimiento se puede calcular mediante la fórmula:

• Rendimiento = (Cantidad de producto generado) / (Tiempo x Volumen del cultivo)

El rendimiento también se puede expresar en términos de la productividad específica, que es la cantidad de producto generado por unidad de biomasa o célula. Esto permite comparar el rendimiento de diferentes procesos de producción y optimizar la producción en función de la biomasa o células disponibles.

¿Qué es el tiempo de resistencia en un biorreactor?

El tiempo de residencia en un biorreactor se refiere al tiempo promedio que una porción de líquido permanece en el biorreactor antes de salir. Es una medida importante de la eficiencia del biorreactor en términos de mezcla y transferencia de masa.

El tiempo de residencia se calcula dividiendo el volumen del biorreactor por la tasa de flujo del líquido que entra o sale del biorreactor. Por ejemplo, si un biorreactor tiene un volumen de 100 litros y una tasa de flujo de entrada de 10 litros por hora, el tiempo de residencia sería de 10 horas (100 litros / 10 litros por hora = 10 horas).

El tiempo de residencia tiene un efecto directo en la distribución de nutrientes y gases en el biorreactor, así como en la transferencia de masa de productos metabólicos y productos de desecho fuera del biorreactor. Un tiempo de residencia adecuado garantiza una distribución uniforme de nutrientes y gases en todo el cultivo, lo que a su vez mejora la eficiencia del proceso de producción y el rendimiento.

¿Qué es la garganta en un biorreactor?

En un biorreactor, la garganta se refiere a la sección estrecha del biorreactor que conecta la cámara de crecimiento con el sistema de agitación. La garganta generalmente tiene una forma cónica o cilíndrica y es una sección importante del biorreactor que afecta la eficiencia del proceso de producción.

La garganta es la sección donde se produce la agitación del cultivo, y puede ser diseñada de varias formas dependiendo de la aplicación específica. Por ejemplo, una garganta cónica puede proporcionar una mayor turbulencia y mezcla del cultivo, mientras que una garganta cilíndrica puede proporcionar una mezcla más suave y uniforme del cultivo.

La garganta también puede tener un impacto en la distribución de nutrientes y oxígeno en el cultivo, lo que a su vez afecta la tasa de crecimiento celular y la producción de metabolitos. Un diseño de garganta inadecuado puede provocar la formación de zonas muertas donde el cultivo no recibe suficiente oxígeno o nutrientes, lo que puede reducir la eficiencia del proceso de producción y el rendimiento.

¿Qué es la microturbulencia en un biorreactor?

La microturbulencia en un biorreactor se refiere a la agitación o movimiento de pequeñas partículas o células dentro del cultivo. Es un tipo de movimiento que ocurre a escalas pequeñas, generalmente en la escala de micrómetros o milímetros, y puede ser difícil de medir o controlar.

La microturbulencia puede ser el resultado de varios factores, como la agitación mecánica en el biorreactor, la convección natural del líquido y la actividad celular dentro del cultivo. La microturbulencia es importante en un biorreactor porque puede afectar la eficiencia del proceso de producción al influir en la transferencia de masa y la distribución de nutrientes y oxígeno en el cultivo.

La microturbulencia también puede tener un impacto en la tasa de crecimiento celular y la producción de metabolitos. Por ejemplo, la microturbulencia puede ser importante para asegurar que todas las células tengan acceso a suficiente oxígeno y nutrientes, lo que puede mejorar la tasa de crecimiento celular y la producción de metabolitos.

Controlar la microturbulencia en un biorreactor puede ser un desafío, ya que ocurre a escalas pequeñas y puede ser difícil de medir directamente. Sin embargo, hay varios métodos que se utilizan comúnmente para controlar la microturbulencia, como la selección adecuada de la velocidad y el tipo de agitación, la optimización del diseño de la garganta y la selección del medio de cultivo adecuado

¿Qué es un balance dinámico en biorreactores?

El balance dinámico en biorreactores se refiere al equilibrio entre las entradas y salidas de un biorreactor en tiempo real y cómo se ajusta este equilibrio para lograr un rendimiento óptimo del proceso de producción.

El balance dinámico en un biorreactor se puede ajustar de varias maneras, como ajustando la velocidad de agitación, la concentración de nutrientes en el medio de cultivo y la tasa de flujo de aire para proporcionar suficiente oxígeno. El control de la temperatura y el pH también puede ser importante para mantener un equilibrio adecuado en el biorreactor.

¿Cuáles son las partes de un biorreactor?

Un biorreactor típico consta de varias partes que trabajan juntas para mantener las condiciones ideales para el cultivo celular. Estas partes pueden variar según el tipo de biorreactor, pero algunas de las partes comunes incluyen:

• Vaso del biorreactor: es el recipiente principal del biorreactor donde se lleva a cabo el cultivo celular. Puede ser de vidrio o acero inoxidable y varía en tamaño según la aplicación.
• Sistema de agitación: se utiliza para mezclar el medio de cultivo y las células, y para garantizar una distribución uniforme de oxígeno y nutrientes. Puede ser un sistema mecánico, magnético o neumático.
• Sistema de aireación: se utiliza para suministrar oxígeno al cultivo celular y puede ser un sistema de burbujeo, un sistema de inyección de gas o un sistema de membrana.
• Sensores: se utilizan para medir y controlar variables importantes del cultivo, como la temperatura, el pH, la concentración de oxígeno y la concentración de nutrientes.
• Dispositivos de control: se utilizan para controlar el sistema de agitación, el sistema de aireación y otros parámetros importantes del cultivo para garantizar un rendimiento óptimo.
• Sistema de recolección de muestras: se utiliza para recoger muestras del cultivo para su análisis y seguimiento del crecimiento celular.
• Sistema de esterilización: se utiliza para esterilizar el vaso del biorreactor, los componentes y el medio de cultivo antes de su uso.

¿Cómo funciona un biorreactor?

Un biorreactor funciona mediante la creación de las condiciones ideales para el crecimiento celular y la producción de productos biológicos. El proceso generalmente comienza con la preparación del medio de cultivo, que puede contener nutrientes, sales, azúcares, aminoácidos y otros componentes necesarios para el crecimiento celular. A continuación, las células se agregan al medio de cultivo en el biorreactor.

El sistema de agitación se activa para mezclar el medio de cultivo y las células de manera uniforme. El sistema de aireación se utiliza para suministrar oxígeno al cultivo y mantener una concentración adecuada de oxígeno para el crecimiento celular. Los sensores en el biorreactor miden variables importantes como la temperatura, el pH, la concentración de oxígeno y la concentración de nutrientes, y los dispositivos de control ajustan el sistema de agitación, el sistema de aireación y otros parámetros según sea necesario para mantener las condiciones óptimas para el crecimiento celular.

A medida que el cultivo crece, las células producen productos metabólicos y otros desechos que se eliminan del biorreactor a través del sistema de recolección de muestras y otros sistemas de eliminación de residuos.

¿Cuáles son los tipos de biorreactores?

Existen varios tipos de biorreactores, que se diferencian según el tipo de agitación, aireación, y la forma en que se controlan las condiciones de cultivo. A continuación, se mencionan algunos de los tipos de biorreactores más comunes:

• Biorreactores de agitación mecánica: son los más comunes y se caracterizan por tener una o varias hélices o paletas que agitan el medio de cultivo. Pueden ser verticales u horizontales y suelen tener formas cilíndricas o cónicas.
• Biorreactores de aireación por burbujeo: en estos biorreactores, el aire se introduce en el medio de cultivo a través de una piedra porosa o un difusor, creando burbujas que proporcionan oxígeno a las células.
• Biorreactores de aireación forzada: en estos biorreactores, el aire se introduce en el medio de cultivo mediante un compresor o una bomba, proporcionando una mayor cantidad de oxígeno que los biorreactores de aireación por burbujeo.
• Biorreactores de membrana: en estos biorreactores, el oxígeno se introduce en el medio de cultivo a través de una membrana semipermeable, que separa el medio de cultivo del gas de aireación.
• Biorreactores de perfusión: en estos biorreactores, el medio de cultivo se bombea continuamente a través del biorreactor y se reemplaza por uno nuevo, lo que permite mantener una densidad celular más alta.
• Biorreactores de lecho fijo: en estos biorreactores, las células se cultivan en un soporte sólido, como una matriz de espuma o una cama de partículas.
• Biorreactores de balsa: estos biorreactores son utilizados para la producción de grandes volúmenes de biomasa y se caracterizan por tener una forma rectangular o cuadrada, con una gran superficie de cultivo en la parte superior.

Biorreactor aerobio

Un biorreactor aerobio es un tipo de biorreactor que se utiliza para cultivar microorganismos que requieren oxígeno para su crecimiento y metabolismo. En un biorreactor aerobio, se introduce aire en el medio de cultivo para proporcionar oxígeno a las células, lo que permite obtener una mayor producción de biomasa o productos de interés.

Los biorreactores aerobios se utilizan ampliamente en la industria alimentaria, farmacéutica y química para la producción de enzimas, proteínas, anticuerpos, antibióticos, vitaminas y otros productos biotecnológicos. Además, son utilizados en la investigación y desarrollo de nuevos procesos y productos biotecnológicos.

Biorreactor anaerobio

Un biorreactor anaerobio es un tipo de biorreactor en el que se cultivan microorganismos que son capaces de crecer y metabolizar en ausencia de oxígeno. En lugar de oxígeno, estos microorganismos utilizan otros compuestos como fuentes de energía y electrones, como por ejemplo compuestos orgánicos como los carbohidratos, grasas y proteínas.

Los biorreactores anaerobios se utilizan principalmente para la producción de biogás, que se compone principalmente de metano y dióxido de carbono, a partir de materiales orgánicos como residuos alimentarios, lodos de depuradora, estiércol y otros residuos orgánicos. El proceso de producción de biogás en un biorreactor anaerobio se llama digestión anaerobia.

Los biorreactores anaerobios se utilizan en la producción de energía renovable y como una forma de gestión de residuos, ya que permiten aprovechar los residuos orgánicos y convertirlos en una fuente de energía útil. Además, también se utilizan en la investigación y desarrollo de nuevos procesos y productos biotecnológicos basados en microorganismos anaerobios.