USO DE BIORREACTORES EN BIOTECNOLOGÍA FARMACÉUTICA

DISEÑO DE BIORREACTORES EN LA BIOTECNOLOGÍA FARMACÉUTICA.

INTRODUCCIÓN

Le llamamos fermentación a un proceso catalítico de oxidación incompleta, el cual no requiere oxígeno, y el producto final de este proceso es un compuesto orgánico, dichos compuestos pueden ser de diversos tipos como alcoholes, aldehídos, cetonas o ácidos carboxílicos.

Un biorreactor o fermentador se define como “aquel dispositivo que proporciona un medio ambiente controlado que permite el crecimiento eficaz de las células y la formación de un producto”. El medio ambiente adecuado que proporciona un biorreactor, tiene que tener niveles óptimos de temperatura, pH, sustrato, sales, y oxígeno, para así convertir las materias primas en productos específicos (metabolitos) de interés (Rodríguez Arévalo et al., 20031). Esta es una herramienta muy importante para la biotecnología, ya que mediante el control las variables citadas anteriormente, es relativamente fácil obtener el metabolito que nosotros queremos, al dirigir una ruta metabólica mediante el pH, la aireación y el tipo de medio (sustrato y sales) que estamos utilizando, al controlar el rendimiento (cantidad) de nuestro metabolito al modificar la temperatura, y tener una optimización de la distribución de nutrientes al introducir aireación (oxígeno) a nuestro sistema del biorreactor.

DESARROLLO

Dentro de los componentes básicos para hacer un fermentador podemos establecer los siguientes rubros: un medio de preparación (el alimento fuente para el organismo), esterilización del medio, biorreactor y auxiliares (para la exclusión de organismos no deseados), desarrollo de un inoculo de tamaño adecuado, fermentación (crecimiento del microorganismo deseado y la posterior formación del producto de nuestro interés) y la disposición de efluentes del proceso, (Ibáñez Pinzón et al., 20092) (ya que pueden existir subproductos del metabolismo del microorganismo los cuales es necesario ir eliminando del sistema para evitar la contaminación del mismo.

Dentro de los mismos aspectos a cuidar en el proceso de fermentación, es el llamado Fouling (propagación celular) el cual puede afectar la esterilidad y eficiencia del biorreactor, en especial en los intercambiadores de calor, para evitar esto, los biorreactores deben ser fácilmente limpiables y con acabados de forma redondeada. Además de que se requiere un intercambiador de calor para mantener la temperatura del bioproceso de forma constante, ya que la fermentación biológica es una fuente de calor por sí sola, por lo que en la mayor parte de los casos, los biorreactores requieren agua para el enfriamiento, la cual puede ser adicionada mediante una chaqueta externa o con serpentines internos. (Ibáñez Pinzón et al., 20093)

En los procesos anaerobios, lo más difícil de lograr es la transferencia óptima del oxígeno, ya que este es muy poco soluble en agua y es relativamente escaso en el aire (20.8%). La transferencia de oxigeno se facilita por la agitación, que se requiere también para mezclar los nutrientes y mantener la fermentación homogénea. Sin embargo, existen límites para la velocidad de agitación, debidos tanto al alto consumo de energía como al daño ocasionado a los organismos debido a un esfuerzo de corte excesivo (Ibáñez Pinzón et al., 20093), por lo cual es necesario hacer previamente los cálculos necesarios para obtener la velocidad óptima dependiendo el tipo de medio y el tipo de microorganismo que se va a utilizar en nuestro sistema.

Es por ello que la aireación y la agitación son implementadas en la mayoría de los procesos de fermentación; para ello hay dos tipos de microorganismos y procesos que dependen o no de la presencia del oxígeno en el medio; los primeros son los organismos aerobios, los cuales necesitan oxigeno molecular para su crecimiento y por ende, el metabolismo aeróbico es la condición de organismos vivos sobreviviendo solamente en la presencia de oxígeno molecular. La bacteria aeróbica requiere de oxígeno para su crecimiento y puede ser incubada en aire atmosférico. El oxígeno es un agente oxidante muy fuerte, el cual tiene la capacidad de aceptar electrones (Ibáñez Pinzón et al., 20094), y los segundos son los organismos anaerobios, los cuales son todo lo contrario a los primeros, ya que estos no requieren de la presencia de oxígeno para su desarrollo y metabolismo.

También es de suma importancia cuidar que nuestro sistema no se contamine con microorganismos no deseados, para ello es necesaria la esterilización de dicho sistema. Los biorreactores tienen que trabajar en condiciones asépticas utilizando un inoculo puro del microorganismo y excluyendo los contaminantes, por esto, el biorreactor, al igual que la red de tuberías asociadas es diseñado como un recipiente a presión de tal forma que tanto el sistema como el medio que contenga puede esterilizarse a la temperatura y presión adecuadas (121°C y 15 psi) durante un tiempo de 15-30 minutos. (Ibáñez Pinzón et al., 20095)

Una vez que el sistema ha quedado ensamblado con todos los componentes antes descritos, es tiempo de establecer las características que va a tener nuestro microorganismo, para lo cual hay que comprender algunos conceptos.

El crecimiento en un sistema biológico se define como el

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