Todo lo que debes saber sobre los biorreactores y cómo funcionan

¿Qué es un biorreactor?Un biorreactor se refiere a cualquier equipo de fabricación o ingeniería que proporciona un entorno biológicamente activo.

Uno de los avances tecnológicos más importantes en el campo de la microbiología industrial y la biotecnología es la invención de los biorreactores. ¿Por qué? Porque nos han permitido crear productos médicos importantes como vacunas, hormonas y enzimas, algunas de las cuales tratan enfermedades crónicas graves. Estos sistemas sólidos y profundos son la base del progreso en el campo de la medicina.

Por lo tanto, el conocimiento sobre los biorreactores es esencial para la ciencia y la tecnología contemporáneas, independientemente de la elección de una profesión individual.

En este artículo se analizan las distintas categorías de biorreactores, su funcionamiento y las industrias que se benefician de su uso. Después de leer este artículo, comprenderá qué es un biorreactor y por qué es un instrumento tan importante para los avances científicos y tecnológicos futuros.

Entonces, ¿qué es un biorreactor y cómo funciona?

¿Qué es un biorreactor?

Un biorreactor es un dispositivo médico diseñado para albergar microorganismos vivos y proporcionar entornos propicios para que estos microorganismos prosperen. Básicamente, los biorreactores imitan las condiciones ambientales reales de estos microorganismos con la intención de producir determinados compuestos orgánicos según se desee. Sin un biorreactor, estos microorganismos no sobrevivirían, por lo que su importancia no puede subestimarse, especialmente en el campo de la medicina.

So how does it achieve this? It is a closed-loop system in the sense that external factors are not allowed to influence the environments inside a bioreactor. Therefore, the nutrients, pH, temperature, dissolved oxygen concentration, and other nutritional content of the bioreactor must be regulated and constantly adjusted to mimic actual environments of these microorganisms’ natural habitat.

Pero, ¿por qué son necesarios los biorreactores? Porque permiten producir compuestos médicos importantes que de otro modo nunca se lograrían. Entre ellos se encuentran las vacunas, las hormonas de crecimiento e incluso ácido hialurónico, lo que es especialmente importante cuando se trata de mejorar la belleza y la flexibilidad de la piel.

5 funciones clave de los biorreactores

La función principal de un biorreactor es proporcionar condiciones óptimas para que los organismos biológicos florezcan, se reproduzcan o sinteticen elementos esenciales. Para ello, es fundamental comprender plenamente los componentes de un biorreactor y cómo funcionan.

1. Condiciones ambientales controladas

Los biorreactores están diseñados para albergar organismos vivos en un entorno controlado para que crezcan y se desarrollen en condiciones de almacenamiento completas. Sin biorreactores, estos microorganismos no sobrevivirían fuera de sus entornos y, por lo tanto, nunca podríamos producir compuestos médicos importantes.

La temperatura del aire, el pH, el oxígeno disuelto, la concentración de dióxido de carbono, nitratos, fosfatos, amoníaco y potasio deben monitorearse y, en la mayoría de los casos, controlarse para garantizar condiciones óptimas de desarrollo.

Estos parámetros se regulan mediante biosensores en tiempo real, que garantizan que los organismos se mantengan en su estado funcional correcto y elaboren los productos adecuados. La gestión de estas cualidades es un factor esencial en la toma de decisiones en las empresas, especialmente en las industrias médica, de biocombustibles y de procesamiento de alimentos.

2. Agitación y mezcla

Los biorreactores utilizan procesos de mezcla y agitación para ayudar a las células a absorber nutrientes y gases, como el oxígeno, dentro del biorreactor. Sin esta característica, los organismos probablemente tardarían mucho en absorber los nutrientes necesarios o, en el peor de los casos, morirían por falta de nutrientes o por un intercambio gaseoso insuficiente.

Mientras que los biorreactores de transporte aéreo mezclan culturalmente mediante la generación de burbujas de gas, los biorreactores de tanque agitado utilizan impulsores mecánicos. La agitación se lleva a cabo de forma continua para que la división celular y la formación de productos se produzcan en todo el sistema.

3. Esterilidad

La esterilidad desempeña un papel fundamental para evitar la infección por microorganismos no deseados en los biorreactores, que pueden destruir lotes enteros de productos biológicos. La esterilización debe realizarse antes de cada uso de un biorreactor, por lo que están diseñados meticulosamente para garantizar la esterilidad.

This keeps the process’s integrity and the end product’s quality intact by guaranteeing that only the desired organisms flourish within. Contamination prevention is essential, particularly in sectors where purity and uniformity are vital, such as the pharmaceutical industry.

4. Intercambio de gases

Los microorganismos necesitan un intercambio gaseoso adecuado para desarrollarse. Necesitan tener acceso al oxígeno y poder excretar dióxido de carbono fácilmente. Los biorreactores ayudan a lograrlo mejorando la distribución del oxígeno y la eliminación del dióxido de carbono. ¿Por qué es importante?

Without this ability, the carbon dioxide inside the bioreactor would accumulate and lower the tank’s PH, making it acidic. This would in turn affect the proliferation of cells and reduce their efficiency.

Por este motivo, los biorreactores cuentan con dos características importantes: los burbujeadores y las membranas. Los burbujeadores ayudan a agregar pequeñas burbujas de oxígeno al cultivo, mientras que las membranas permiten el suministro regulado de oxígeno y la eliminación de dióxido de carbono.

Este sistema de intercambio gaseoso favorece altos rendimientos y una producción eficiente al garantizar que los organismos obtengan el oxígeno necesario para funcionar a su nivel óptimo mientras excretan gases peligrosos.

5. Seguimiento y retroalimentación

No basta con tener un biorreactor y dejar que haga sus funciones. Hay que monitorizarlo constantemente y comprobar diversos parámetros como el nivel de oxígeno, el pH, la temperatura y la concentración de nutrientes. Por ello, los biorreactores están equipados con biosensores que recogen datos sobre estos indicadores vitales.

Cada cultivo tendrá sus propios parámetros óptimos que deben verificarse y revisarse constantemente. A menudo, estos sensores están diseñados para recopilar esta información automáticamente y ajustarse en consecuencia para crear el mejor entorno posible para el crecimiento y la productividad celular. Este mecanismo de retroalimentación garantiza que el biorreactor funcione de manera eficiente incluso en ausencia de un ser humano que ajuste constantemente el entorno.

5 tipos principales de biorreactores

No todos los biorreactores son iguales. Hay 5 Diferentes tipos de biorreactores Dependiendo de sus aplicaciones, cada uno está diseñado para un tipo de proceso en particular. El diseño y la calidad de construcción de cada biorreactor dependen completamente de los tipos de organismos cultivados y de los resultados esperados.

Examinemos las variedades más frecuentes de biorreactores.

1. Biorreactor de vidrio

Biorreactores de vidrio Se utilizan ampliamente en laboratorios de investigación, producción a pequeña escala y pruebas.

Ventajas:

• Visibilidad: Observar los procesos biológicos internos es sencillo, gracias al material transparente.
• Versatilidad: Adaptable a variados procesos y disponible en múltiples configuraciones como accionamiento mecánico o agitación magnética.
• Esterilidad: Muchos modelos permiten la esterilización in situ para evitar la contaminación.

Desventajas:

• Escala: No apropiado para producción industrial a gran escala; limitado a empresas de pequeña escala.
• Fragilidad: En comparación con materiales como el acero inoxidable, el vidrio es más frágil.

2. Biorreactores de acero inoxidable

Por su robustez y capacidad para tolerar altas presiones, Biorreactores de acero inoxidable Se utilizan con frecuencia en la producción industrial a gran escala.

Ventajas:

• Durabilidad: Los biorreactores hechos de acero inoxidable son lo suficientemente fuertes para soportar el uso a largo plazo y los procedimientos de alta presión.
• Escalabilidad: adecuado para fabricación a gran escala; se aplica frecuentemente a la fermentación y a los productos farmacéuticos.
• Facilidad de limpieza: Mantener la esterilidad en entornos industriales requiere una fácil limpieza y desinfección del acero inoxidable.

Desventajas:

• Costo: En comparación con los biorreactores más pequeños o de un solo uso, es más costoso de construir e instalar.
• Mantenimiento complejo: esto puede llevar más tiempo porque requiere procedimientos de limpieza y validación más estrictos.

3. Biorreactores de tanque agitado (STR)

Son los más conocidos y los preferidos por muchas personas. Tienen un recipiente cilíndrico con un impulsor o dispositivo de batido en el medio. El líquido en su interior es agitado constantemente por el impulsor, lo que garantiza que los organismos, gases y nutrientes se distribuyan de manera uniforme.

Ventajas:

• Perfecto para producción industrial.
• Excelente mezcla de nutrientes y transporte de oxígeno.
• Fácilmente escalable desde proyectos de investigación a pequeña escala hasta operaciones de fabricación masivas.

Desventajas:

• La tensión cortante se puede producir mediante agitación mecánica en organismos delicados, como las células de mamíferos.
• Alto consumo energético como consecuencia del mecanismo de agitación mecánica.

4. Biorreactores aerotransportados

In lieu of mechanical agitation, airlift bioreactors mix using air or gas bubbles. A circulation loop is created in the liquid medium by introducing gas at the reactor’s bottom. The contents mix due to the velocity of the bubbles, which releases oxygen and encourages cell growth.

Ventajas:

• Esfuerzo cortante reducido, lo que resulta adecuado para células sensibles.
• En comparación con los sistemas agitados mecánicamente, es más eficiente energéticamente.

Desventajas:

• Eficiencia de mezcla reducida en comparación con los biorreactores con tanques agitados.
• Es más difícil ampliarlo para su uso en la fabricación.

Biorreactores de transporte aéreo tienen un papel frecuente en operaciones que involucran organismos sensibles, así como para el cultivo de células vegetales y animales.

5. Biorreactores de membrana

En los biorreactores de membrana se utiliza una membrana semipermeable para mantener separadas las células biológicas y los productos que generan. Esta configuración resulta especialmente ventajosa en procedimientos que requieren una separación continua, como el tratamiento de aguas residuales, donde la biomasa se mantiene en reserva mientras el agua limpia fluye por la membrana.

Ventajas:

• Separación celular del producto que funciona bien.
• Rendimiento y eficacia excepcionales en operaciones en curso.

Desventajas:

• It’s necessary to clean or replace membranes on a regular basis when they get fouled.
• Su funcionamiento es más costoso que el de los diseños de biorreactores con arquitecturas más simples.

5 aplicaciones de los biorreactores

Ahora que hemos visto qué es un biorreactor y cómo funciona, es hora de analizar su amplia gama de aplicaciones. Los biorreactores son fundamentales para varias industrias que están experimentando cambios radicales, desde la mejora de las soluciones energéticas sostenibles hasta la modificación de la producción de productos farmacéuticos.

Los biorreactores han tenido un impacto significativo en el futuro al producir medicamentos que pueden salvar vidas, utilizar bioenergía y promover una gestión de residuos ecológicamente responsable.

1. Producción de productos farmacéuticos y vacunas

Uno de los mercados más importantes para los biorreactores es el sector farmacéutico. Las células modificadas genéticamente cultivadas en biorreactores se utilizan en la producción de muchos medicamentos que salvan vidas, como la insulina, los anticuerpos monoclonales y las vacunas.

Por ejemplo, para cultivar las células necesarias a gran escala, la tecnología de biorreactores fue fundamental para el desarrollo y la producción en masa de las vacunas contra la COVID-19. En los biorreactores se pueden cultivar cultivos de microorganismos o células de mamíferos genéticamente modificadas que producen proteínas, enzimas u otros productos químicos medicinales particulares.

Gracias a esto, ahora es posible producir medicamentos biológicos complejos que normalmente serían imposibles de producir a gran escala mediante procedimientos químicos convencionales.

2. Biocombustibles

A medida que el mundo avanza hacia fuentes de energía más sostenibles, los biorreactores adquieren cada vez mayor importancia en la producción de biocombustibles. En los biorreactores se pueden cultivar microorganismos como algas, levaduras o bacterias, que convierten la materia orgánica en biocombustibles como etanol, biodiésel o incluso hidrógeno.

Los biocombustibles producidos en biorreactores ofrecen una alternativa renovable a los combustibles fósiles y pueden reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero. Las algas, por ejemplo, pueden cultivarse en fotobiorreactores, donde realizan la fotosíntesis y producen lípidos, que luego pueden convertirse en biodiésel. Estos procesos se consideran fundamentales para la transición a una energía más limpia en el futuro.

3. Alimentos y bebidas

Fermentación industrialEl proceso por el cual los microorganismos descomponen los azúcares para generar productos como cerveza, vino, yogur y pan ha sido durante mucho tiempo un elemento básico de la industria de alimentos y bebidas. Este método ancestral ha sido mejorado gracias a los biorreactores, que proporcionan un control exacto de las condiciones de fermentación para obtener resultados de alta calidad y sabor de manera constante.

Por ejemplo, estos biorreactores de fermentación, a veces llamados fermentadores industriales, se utilizan en la industria cervecera para convertir eficazmente los azúcares en alcohol mediante el cultivo de levadura en un entorno ideal. Los biorreactores en la producción de lácteos permiten que la leche fermente a gran escala para elaborar productos fermentados como queso y yogur.

4. Tratamiento de aguas residuales

La ingeniería ambiental requiere biorreactores especialmente para la depuración de aguas residuales. Por ejemplo, los biorreactores de membrana se utilizan para depurar residuos industriales y cloacales mediante el cultivo de bacterias que descomponen los residuos orgánicos. El agua tratada de esta manera es segura para su reutilización o descarga al medio ambiente.

Esto se logra cuando los microorganismos de estos sistemas descomponen los compuestos orgánicos de las aguas residuales y producen subproductos seguros. Este método reduce el uso de productos químicos peligrosos y tratamientos que consumen mucha energía de una manera eficaz y respetuosa con el medio ambiente.

5. Ingeniería de tejidos y medicina regenerativa

Los biorreactores se utilizan en la ingeniería de tejidos para cultivar células en estructuras y crear tejidos u órganos completos. Estos biorreactores ofrecen un entorno regulado similar al que se encuentra en el cuerpo humano, lo que permite que las células proliferen y se transformen en tejidos valiosos.

Con la ayuda de esta tecnología, algún día los tejidos u órganos dañados podrán ser reemplazados por sustitutos cultivados en laboratorio en el campo de la medicina regenerativa. Los biorreactores, por ejemplo, se han utilizado para generar tejido hepático, cartílago y válvulas cardíacas, lo que brinda esperanza a los pacientes que necesitan trasplantes de órganos pero que están en largas listas de espera.

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