Practica 9 Biorreactores

Práctica 9.- “El Biorreactor”.

1.- OBJETIVOS.

1.1.- Objetivo general.

Conocer las partes de un biorreactor y la función de éstas.

1.2.- Objetivos específicos.

a).- Conocer las partes de un biorreactor de laboratorio.

b).- Conocer la función de las partes que conforman un biorreactor de laboratorio.

2.- INTRODUCCIÓN.

Un biorreactor representa un espacio físico delimitado en donde se llevan a cabo reacciones biológicas; los biorreactores pueden ser utilizados para el cultivo de microorganismos o incluso para realizar reacciones catalizadas por enzimas. El biorreactor cuenta con espacios físicos que permiten, por una parte, controlar las condiciones de reacción y, por otra parte, el monitoreo de la reacción biológica por medio de electrodos específicos.

Los biorreactores también son llamados fermentadores, independientemente de que no sean utilizados únicamente para la realización de fermentaciones, sino también para cultivos microbianos de manera general.

Los biorreactores representan la parte central y más importante en cualquier bioproceso (Figura 1).

En la presente práctica se tratará la utilización de biorreactores para el cultivo de microorganismos.

2.1.- Clasificación de biorreactores.

De forma general, los biorreactores pueden clasificarse de acuerdo a su tamaño.

Así, los biorreactores de 1 litro hasta 30 litros pueden ser considerados como biorreactores de laboratorio o “Bench top” en inglés. Los biorreactores de laboratorio son generalmente utilizados para fines de investigación. Por otra parte, los biorreactores que tienen un volumen de trabajo de 50 litros a 1000 litros (1 m3) pueden ser considerados como biorreactores de escala piloto, en donde a través de un proceso de semi-escalamiento, se tratan de reproducir las condiciones de trabajo utilizadas en un biorreactor de laboratorio. Por último, los biorreactores de un volumen de 1000 litros (1 m3) y hasta 100,000 litros (100 m3) pueden ser considerados como biorreactores industriales. En los biorreactores industriales se trata de reproducir, a través de un proceso de escalamiento, las condiciones de trabajo utilizadas en un biorreactor de escala piloto.

Documento elaborado por Dr. Enrique Durán Páramo

Para su difusión o reproducción, solicitar previamente autorización: eduran@ipn.mx

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Sin embargo, la clasificación de los biorreactores basados en el volumen no siempre es aplicada, ya que en la actualidad la industria farmacéutica utiliza reactores de bajo volumen para realizar producción a nivel industrial, con base en el tipo de producto.

El material utilizado para el espacio en donde se lleva a cabo el cultivo microbiano varía de acuerdo con el volumen del biorreactor; de manera general, los biorreactores de laboratorio utilizan un vaso de vidrio y material de acero inoxidable en la cabeza del biorreactor, aunque pueden existir biorreactores de laboratorio constituidos por un vaso y cabezal en acero inoxidable. Los biorreactores de laboratorio, por su tamaño, son esterilizados dentro de una autoclave.

Asimismo, de manera general, los biorreactores de escala piloto e industriales utilizan acero inoxidable en el cuerpo y cabeza del biorreactor. Los biorreactores de escala piloto e industriales, por su tamaño, son esterilizados in situ; esto es, el biorreactor cuenta con una chaqueta y conexiones de acero inoxidable que permite la inyección de vapor de agua para la realización del proceso de esterilización in situ.

2.2.- Control de variable en un biorreactor.

Los biorreactores son acompañados por una unidad de control de variables, la cual permite el control de diversas variables que influyen en el cultivo de microorganismos. Por lo general, cualquier tipo de biorreactor posee características de diseño que permiten, por medio de un módulo de control y electrodos específicos, controlar al menos seis variables básicas que definen el medio ambiente en donde los microorganismos se desarrollan, éstas son:

- Temperatura del caldo de cultivo.

- Agitación del caldo de cultivo.

- pH del caldo de cultivo.

- Aireación del caldo de cultivo o inyección de otros gases.

- Concentración de oxígeno disuelto en el caldo de cultivo.

- Nivel de espuma en el caldo de cultivo (Figura 2).

a).- Temperatura.

La temperatura representa una variable importante de control de una fermentación. La temperatura afecta el crecimiento microbiano de manera notable, debido a que los microorganismos de una especie determinada sólo pueden crecer en un rango restringido de temperaturas. Así, los microorganismos se pueden clasificar en función de la temperatura de crecimiento: los microorganismos psicrófilos presentan un rango de temperatura de crecimiento de 5 a 15ºC; los mesófilos de 25 a 40ºC y los termófilos de 45 a 60ºC; sin embargo, se han reportado caso de crecimiento de microorganismos termófilos a temperatura de 94ºC.

Documento elaborado por Dr. Enrique Durán Páramo

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Para el control de la temperatura en los biorreactores, éstos a menudo cuentan con chaquetas por donde fluye agua fría o caliente y que funcionan como intercambiadores de calor. También, los biorreactores cuentan con un termopar adaptados al cuerpo del biorreactor que, de forma continua, mide la temperatura del cultivo, con la ayuda del módulo de control. Así, continuamente el módulo de control determina si hay que aumentar o disminuir la temperatura del cultivo de acuerdo a un valor de temperatura de cultivo preestablecido. Para ello, algunos biorreactores cuentan con electroválvulas comandadas por la unidad de control que pueden enviar agua fría o caliente a la chaqueta del biorreactor.

Por otra parte, existen biorreactores de laboratorio que regulan la temperatura del cultivo a través de una plantilla térmica que cuenta con resistencias eléctricas, la cual es colocada alrededor del vaso del biorreactor. En función de la temperatura de cultivo preestablecida, la unidad de control enciende las resistencias o corta la corriente.

b).- Agitación.

La agitación del caldo de cultivo permite mantener condiciones homogéneas dentro del biorreactor. La agitación se realiza, por lo general, por medio de un motor acoplado a un eje que contiene impulsores de diversos tipos (de paleta tipo Rushton, turbina, hélice marina, etc.). Los impulsores definirán el patrón de flujo y la hidrodinámica que existirá en el reactor. La elección del tipo de impulsor depende de la reología del cultivo y del tipo de microorganismo que se utiliza en el cultivo teniendo especial cuidado en no dañar a las células

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