Un biorreactor es una herramienta o dispositivo para generar productos que utilizan la capacidad de conversión sintética o química de un sistema biológico. Pueden ser fermentadores clásicos, sistemas de perfusión de cultivos celulares o biorreactores enzimáticos. Para la producción de proteínas o enzimas, los microorganismos recombinantes generalmente se eligen como bacterias, células de mamíferos o células de insectos o plantas.
Qué es un biorreactor
Este es un recipiente o vehículo contenedor de diversos procesos químicos que contiene sustancias bioquímicamente activas. La fabricación de cervezas, vinos, compuestos orgánicos o aminoácidos, antibióticos, enzimas o vacunas, entre muchos otros procesos químicos. La longitud y el tamaño del recipiente puede variar, al igual que la materia orgánica que ha de contener, esto representa el concepto de biorreactor.
La definición de biorreactor se centra en un tipo de sistema ideal para mantener los sistemas en un ambiente biológicamente activo. En algunos casos estos recipientes son usados para el desarrollo de procesos químicos. En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales favorables (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etc.) para el organismo o sustancia química que crece. Dependiendo de los flujos de entrada y salida, el funcionamiento de un biorreactor puede ser de tres formas diferentes: continúo (quimiostato), semicontinuo (fed-batch) y discontinuo (batch), complementando así el concepto de biorreactor.
Los bioprocesos se utilizan para la transformación de materia orgánica con la ayuda de un biocatalizador, en la síntesis química y para la conversión de material de desecho en productos útiles (reciclaje) o en efluentes que no son peligrosos para el medio ambiente (tratamiento de residuos). Dejando a un lado la clasificación del biorreactor, las característica más importante de los bioprocesos es su alto potencial sintético para llevar a cabo reacciones químicas complicadas en un solo paso.
Cuando se obtiene un resultado en un biorreactor de laboratorio, debe poder reproducirse en grandes cantidades, debe ser escalable. Por ejemplo, cuando se aprende a sintetizar ácido cítrico en el laboratorio y se quiere desarrollar la tecnología para la síntesis a gran escala, fue necesario adaptar las condiciones de crecimiento óptimas de la bacteria. En el laboratorio, las bacterias que produjeron el ácido cítrico en un medio pequeño, en un matraz de 200 ml, no se comportaron de la misma manera cuando se intentó replicar el proyecto en un volumen mayor de varios miles de litros.
Es importante agregar en la definición de biorreactor que, existen muchos tipos de estos, casi tantos como reacciones que desea llevar a cabo. Dependiendo de la cultura biológica que desee llevar a cabo, se pueden dividir en organismos aerobios, anaerobios o facultativos. En cada uno de los biorreactores, el sistema de aireación o aislamiento variará. De la misma manera, dependiendo del organismo, su crecimiento se verá favorecido por una aireación con burbujas, como en el caso de los líquenes, o con agitación, la aireación más normal en el crecimiento bacteriano.
En el caso de las fermentaciones se debe tener en cuenta si la fermentación se realiza en la superficie (sólo sellada en la parte superior del líquido), donde se debe dejar un poco de aire en la parte superior del fermentador. O en profundidad (en todo el volumen del fermentador), donde la poca aireación necesaria para las levaduras debe ser provista con la reposición del medio cada cierto tiempo.
La interrogante ¿qué es un biorreactor? también puede como aquel dispositivo o sistema utilizado para cultivar células o tejidos en operaciones de cultivo celular. Estos dispositivos están en desarrollo para su uso en ingeniería de tejidos.
Tipos de biorreactores
En los tipos y clasificación del biorreactor se encuentran :
Biorreactor agitado
El biorreactor de tanque agitado es de uso muy definido. La agitación se realiza mecánicamente mediante un eje provisto de turbinas ocasionadas por un motor. Para lograr los objetivos, un biorreactor de tipo de tanque agitado debe contar con las siguientes composiciones:
- Dimensionamiento del Cuerpo del Biorreactor: es el primer paso para el diseño de los biorreactores. El “tamaño” del tanque o del cuerpo del biorreactor es lo principal y hacerlo a través de variables adimensionales variables que representan una razón entre dos parámetros con las mismas dimensiones, hacen posible escalar; es decir cambiar de dimensión o tamaño, el biorreactor y adaptarlo a otra escala de proceso.
- Eje transmisor de la potencia: es una barra cilíndrica de acero inoxidable 316L diseñada generalmente en diámetros estándar de ¾”, ½”, entre otras. Esto permite y facilita ajustar los estándares de motores. Su longitud depende de la profundidad del contenedor o tanque.
- Acople del Eje Transmisor: ajusta y fija al motor, el eje transmisor de potencia.
Hay dos tipos de acople:
- Acople adaptador de tipo taladro, el puerto de entrada está acoplado al eje del motor por fijación directa. El puerto de salida es un dispositivo que se adapta a varios diámetros de perforación y sostiene o abraza firmemente el eje del transmisor de potencia por presión y abrasión; similar a la utilizada por los taladros mecánicos.
- Acople-ajustador de tipo tornillo rosca, el puerto de entrada está «torcido» o fijado firmemente al eje del motor. El puerto de salida es un dispositivo que «abraza» el eje del transmisor de potencia mediante un mecanismo de tornillo-tornillo.
- Flujo axial: se encarga de suministrar un nivel apropiado de efectividad de mezclado y distribución, reduce la potencia de mezclado requerida, al distribuir; sus hojas o aspas son chatas.
- Flujo radial: aumenta y desarrolla mayor potencia de turbulencia y mezclado, sus hojas o aspas son del tipo hélice.
- Impulsores: dispositivos encargados de desarrollar el movimiento y fluido gracias a sus aspas u hojas unidas al transmisor de ´potencia y puede ser ha turbina (hidráulico) o agitador (mecánico).
- Agitadores: formado por aspas de agitación conectadas al eje transmisor de potencia, este impulsor puede tener una distribución de flujo radial o axial.
- Turbinas: opera como centrífuga distribuidora de flujo de líquidos impulsor de flujos axiales, que mediante sus hojas planas traslada el líquido a todo el volumen de fluido.
Biorreactor de lecho fluidizado
Su característica distintiva es el lecho de partículas o sólidos catalíticos soportados por un fluido de gas. Este se encarga de facilitar la carga y extracción del catalizador, el cual es una ventaja una vez que el lecho de sólidos debe ser extraído y reemplazo. Los lechos de fluidos se han utilizado ampliamente en procesos químicos, en los cuales los parámetros de diseño principales son la difusión o la transferencia de calor.
Biorreactor de membranas anaerobio
Los biorreactores de membrana (MBR) ofrecen muchas ventajas como son: alta eficiencia de remoción, baja producción de lodos y uso de espacios más pequeños para la instalación. Entre la clasificación del biorreactor se puede apreciar la tecnología MBR que se presenta como una nueva forma de purificación del agua, su investigación y comercialización comenzó hace unos treinta años, cuando la combinación de membranas y membranas comenzó a considerarse como un sistema óptimo para el tratamiento de aguas residuales y un proceso biológico.
Biorreactor airlift (Características)
Es un reactor que se usa para fermentar, en el cual, el uso de una corriente de aire es importante, ungiendo como la fase dispersante en la recirculación de componentes como las células y el medio dentro del reactor. Es funcional en procesos de carácter aerobio.
Entre sus características se encuentra que
Consiste.
Dos zonas (Ascendentes y descendentes):
- Diferente densidad: separación de gas en la zona inferior.
- Movimiento líquido ascendente y descendente separados físicamente.
Físicamente
- El gas se produce en la zona ascendente.
- No posee impulsores, cuchillas o ejes.
- Es el equipo de reacción biológica más utilizado.
Configuraciones básicas
Recirculación interna:
- El aire de inyecta en la parte inferior del tubo draft.
- Por efecto de la gravedad, la densidad del aire es mucho más bajo que la del medio de cultivo.
- Por lo tanto el aire se eleva rápidamente y por efecto de la inercia, el medio de cultivo es arrastrado por el aire.
Recirculación externa:
- Mejora la circulación y la transferencia de oxígeno.
- Eculiza las fuerzas de cizallamiento en el reactor.
Biorreactor Batch
Es un reactor donde no existe flujo de entrada o salida, es simplemente un reactor con un agitador que homogeniza la mezcla. Se le debe suministrar oxígeno de manera continua mientras se elimina el dióxido de carbono y otros gases producidos por los mismos procesos.
Biorreactor continuo
Mientras está en proceso la reacción química al interior del reactor, éste se alimenta de material reactante y también se retira ininterrumpidamente los productos de la reacción.
Biorreactor de aguas residuales
Forma parte de la Ing. Ambiental y es una alternativa para de depuración biológica y el tratamiento de aguas residuales. Se basa en la suspensión concentrada de microorganismos que degradan los contaminantes que contiene el agua..
Biorreactor de fibra hueca
El biorreactor de fibra hueca consiste en un paquete cilíndrico característico por sus múltiples fibras individuales, las cuales se mantiene unidas en un arreglo similar al de un intercambiador de calor de conchas y tuvo. Existen otros tipos de biorreactor de fibra hueca comerciales con una capacidad luminar entre 0,01 m2 y 1.0 m2 .
Función de un birreactor
Los biorreactores como ya se ha mencionado, es un recipiente en el cual se lleva a cabo transformaciones químicas en donde interviene un biocatalizador. Para la industrialización de medicamentos, enzimas y/o commodities es una de sus principales funciones.
Objetivos de un biorreactor
Es importante añadir a la interrogante de qué ¿es un biorreactor? que este presenta entre sus objetivos brindar un ambiente óptimo para el buen desarrollo celular, a través del seguimiento de distintos parámetros como: el pH, la actividad del agua, la concentración de oxígeno y presión hidrostática. Así como hacer crecer células o tejidos en operaciones de cultivo.
Cómo hacer un biorreactor casero.
Para la elaboración de un biorreactor casero o biorreactor artesanal en el desarrollo de cultivos vegetales es necesario tener los siguientes materiales:
- Un recipiente o pote de 2 litros.
- Medio metro de manguera.
- 170gr de azúcar.
- Un silicon liquido.
- 4 naranjas.
- Una navaja.
Pasos para hacer un biorreactor casero
- Tomar la tapa del envase sobre este, marcar el círculo exacto de la punta de la manguera y cortarlo usando la navaja o quemándolo, es cuestión de preferencia, la idea es que en el centro de la misma quede una abertura del tamaño de la boca de la manguera que se utilizara luego.
- Extraer en un envase el jugo de las 4 naranjas, acá se debe recolectar 250 ml de jugo. Es fundamental colarlo hasta observar que no existan grumos en el líquido.
- Agregar 500 ml de agua al jugo de naranja ya extraído.
- Luego, agregar 170gr de azúcar al jugo y mover hasta resolverla completamente.
- Colocar en un envase aparte, 100 ml de agua tibia y agregar 1 gr de levadura, mover hasta disolver por completo.
- Incorporar los 100 ml de agua con levadura trabajados anteriormente, a la mezcla de jugo y mover, logrando así una solución homogénea.
- Una vez mezclados todos los líquidos, se procede a introducir mediante un embudo en el envase o pote de dos litros que en este caso realizará el trabajo de un biorreactor.
- Colocar la tapa que al inicio se agujero y en ese hueco se introducirá una pequeña parte del medio metro de manguera, la idea es que la punta una vez el líquido haga reacción, esta pueda liberarlo por la punta que queda fuera del biorreactor. Es importante que los espacios que queden abiertos entre la manguera y la tapa se sellen con el silicon liquido, no puede quedar espacios abiertos.
- Esperar unas 2 o 4 horas para que inicie la reacción química y se desarrolle la liberación de CO2. Las burbujas en el líquido es señal de que inició la reacción.
Con esto se concluye la elaboración de un biorreactor casero o también llamado biorreactor artesanal.