In case you’ve ever questioned how scientists choose which one to employ, this guide explains everything.
Let’s examine each of these procedures and discover why fed-batch bioreactors are frequently the preferred option in contemporary biomanufacturing and how they are particularly useful in intricate processes like the production of high-value goods, including biopharmaceuticals.
¿Qué es un biorreactor en microbiología?
Un biorreactor es un recipiente que ofrece las condiciones ideales para el crecimiento de células como bacterias, hongos o células de mamíferos para que produzcan determinados productos.
Consider it a carefully regulated “breeding ground” for cells — where nutrients, pH, oxygen, and temperature are all carefully regulated. These regulated settings are vital to disciplines like genetic engineering, biochemistry, and microbiology. In these disciplines, they are necessary for the production of everything from vaccines to biofuels.
Para que los científicos puedan desarrollar microorganismos o células a gran escala, se diseñan biorreactores que permiten aumentar la escala de las reacciones biológicas. Muchas industrias dependen de los sistemas de biorreactores para producir productos biológicos en grandes cantidades.
Entonces, ¿cómo funcionan los biorreactores?
Los 3 procedimientos principales para operar biorreactores
Los tres procedimientos principales son el procesamiento por lotes, el procesamiento por lotes alimentados y el procesamiento continuo. Cada uno tiene ventajas especiales y se seleccionan según los requisitos del producto.
Estos métodos varían en términos de suministro de nutrientes y mantenimiento de la actividad celular, lo que afecta el rendimiento y la gestión del proceso. A continuación se presentan tres estrategias principales y explicaciones de por qué todas son esenciales para la biofabricación contemporánea.
1. Procesamiento por lotes
In a batch process, a bioreactor is initially filled with cells and a predetermined quantity of nutrients. Over time, the cells use these resources to produce the required product (such as metabolites, proteins, or enzymes). The batch is “harvested,” and the production of a fresh one starts after the nutrients have been consumed.
Aunque se prefiere el procesamiento por lotes porque es sencillo y fácil de gestionar, tiene desventajas.
Las ventajas del procesamiento por lotes incluyen:
- Control: Los operadores pueden vigilar sin esfuerzo todo el proceso sin tener que realizar modificaciones todo el tiempo porque todo se agrega a la vez.
- Menor riesgo de contaminación: debido a que los sistemas por lotes están cerrados, existe una menor posibilidad de contaminación, lo que resulta especialmente útil para los biorreactores desechables o de un solo uso.
- Facilidad de configuración: en comparación con los sistemas continuos, los procesos por lotes son más fáciles de configurar y requieren equipos menos sofisticados.
Las desventajas del procesamiento por lotes
- Rendimiento limitado: las células dejan de producir cuando se acaban los nutrientes, por lo que hay que empezar de nuevo.
- Ineficiencia: Todo el proceso se detiene si se retrasa un paso, lo que reduce la producción.
- Puede aumentar el tiempo de inactividad si se vuelve a esterilizar y limpiar el equipo entre lotes.
En resumen, el procesamiento por lotes tiene un papel importante, especialmente en la fabricación a pequeña escala. No obstante, los procesos continuos y de lotes alimentados son mucho más eficientes.
2. Procesamiento por lotes
Añadir aditivos a una sopa mientras se cocina es similar al procesamiento por lotes alimentados. Se comienza con una pequeña cantidad de nutrientes y, a lo largo del proceso, se van añadiendo progresivamente más nutrientes. Esto permite un mayor control sobre el desarrollo celular y el resultado del producto.
By regulating the input of nutrients, a fed-batch bioreactor maintains the cells’ viability and productivity. This process is the preferred option for industrial enzymes and biopharmaceuticals since it is especially efficient in creating complicated bioproducts.
Las características únicas de los biorreactores de lotes alimentados
- Regulación adaptable de los niveles de nutrientes: un sistema de lotes alimentados optimiza el entorno de producción al permitir a los operadores alimentar las células según sea necesario.
- Mayor rendimiento: debido a que los niveles de nutrientes pueden mantenerse a lo largo del tiempo, los biorreactores de lotes alimentados generalmente producen más que las operaciones por lotes.
- Menor acumulación de subproductos nocivos: los productos de mayor calidad resultan de la adición gradual de nutrientes, lo que reduce la producción de subproductos tóxicos (como el etanol durante la fermentación de la levadura).
Los biorreactores de lotes alimentados se utilizan ampliamente en procesos que requieren un tiempo de producción más largo, como la síntesis de enzimas, anticuerpos y biocombustibles.
Además, alta densidad cultivos en lotes alimentadosEsta técnica hace posible la fabricación de grandes cantidades de productos, necesarias para su fabricación.
Una mirada más profunda a las aplicaciones de los biorreactores de lotes alimentados
En el centro del sector biofarmacéutico se encuentran los biorreactores de lotes alimentados. Por ejemplo, estos biorreactores son esenciales para la síntesis de anticuerpos monoclonales, que se utilizan para tratar enfermedades como el cáncer.
Actually, almost 70% of the world’s monoclonal antibody manufacturing results from fed-batch bioreactor applications. Insulin, vaccines, and other therapeutic proteins are also made using this technique.
Además, los biorreactores de lotes alimentados se emplean en la producción de biocombustibles, ya que la rentabilidad depende de la optimización del rendimiento.
3. Procesamiento continuo
En un proceso continuo, los desechos y el producto se evacuan simultáneamente del biorreactor mientras se introducen nutrientes de forma continua. Con este método, las células siguen produciendo el producto deseado a un ritmo constante, manteniendo un estado estable.
Una olla con un suministro infinito de ingredientes y una producción constante es análoga a un procesamiento continuo. Esta tecnología es perfecta para la producción de enzimas industriales o biocombustibles que deben producirse en grandes cantidades.
Beneficios del procesamiento continuo
- Mayor productividad: los sistemas continuos producen cantidades significativamente mayores de producto a lo largo del tiempo porque el proceso nunca se detiene.
- La calidad constante del producto se mantiene gracias a las condiciones estables que ofrecen los biorreactores continuos.
Dificultades de procesamiento continuo:
- Complejidad: El funcionamiento continuo del sistema requiere una observación constante para mantener circunstancias estables.
- Alto costo: En general, la tecnología y los equipos necesarios para los procesos continuos son más costosos.
- Riesgo de contaminación: especialmente en aplicaciones farmacéuticas, la contaminación puede ser más difícil de controlar porque el proceso nunca se detiene.
Debido a su eficiencia, el procesamiento continuo se está volviendo cada vez más popular para crear artículos que tienen una gran demanda. En el sector biofarmacéutico, es menos popular que el procesamiento por lotes alimentados debido a su complejidad y costo.
Diferencias principales entre procesos por lotes, lotes alimentados y continuos
The choice between batch, fed-batch, and continuous systems has a direct impact on output, whether you’re growing cells to make life-saving medications or fermenting microbes to produce bioethanol.
A continuación se presentan las principales distinciones entre estas técnicas para que pueda ver por qué los biorreactores de lotes alimentados son una opción particularmente flexible y eficiente en la biofabricación contemporánea.
1. Adición de nutrientes
En un proceso por lotes, todos los nutrientes necesarios para el ciclo completo de producción se añaden desde el principio. El proceso finaliza cuando las células dejan de crecer y los nutrientes se agotan. Aunque este método es sencillo, solo permite utilizar el suministro inicial de nutrientes para la producción.
Por el contrario, un biorreactor de lotes alimentados permite la adición de nutrientes gradualmente durante el proceso. Los nutrientes se añaden gradualmente y en cantidades controladas en lugar de todos a la vez, lo que mantiene activas las células y prolonga su crecimiento, maximizando la producción.
In continuous processing, waste and products are eliminated as new nutrients are continuously added. This maintains the cells’ stability so they can keep proliferating and developing indefinitely without stopping.
2. Duración del proceso
Because nutrients aren’t renewed throughout a batch process, its duration is constrained. Batch processing is brief and necessitates numerous restarts to sustain production because the process stops when the original nutrients are exhausted.
Los procesos de lotes alimentados pueden durar más tiempo porque los nutrientes se suministran según sea necesario. Las células pueden continuar desarrollándose y generando la producción necesaria sin agotar rápidamente los recursos. Esto permite un mayor tiempo de producción.
Siempre que el biorreactor reciba el mantenimiento adecuado, se pretende que los procesos continuos se prolonguen indefinidamente. Esta configuración permite la fabricación continua, lo que resulta perfecto para productos con una gran demanda.
3. Regulación del crecimiento celular
En un procedimiento por lotes, existe poco control sobre la proliferación celular. No existe ningún método para modificar los niveles de nutrientes en respuesta a la actividad celular, ya que todos los nutrientes se suministran al principio. El crecimiento se ralentiza y finalmente se detiene cuando los nutrientes escasean.
Al permitir el ajuste constante de los niveles de nutrición, los biorreactores de lotes alimentados ofrecen un mayor control sobre el desarrollo celular. Los operadores pueden prolongar el tiempo de producción y mantener la tasa de crecimiento óptima gracias a esta flexibilidad, maximizando así la producción.
Dado que los desechos y los nutrientes se equilibran continuamente, el procesamiento continuo proporciona el máximo nivel de control. Si bien requiere un control y cambios sofisticados, este entorno de estado estable ofrece un ritmo de desarrollo constante y una calidad de producto constante.
4. Eficiencia y rendimiento del producto
Dado que el proceso por lotes está limitado por el suministro inicial de nutrientes, el rendimiento del producto es moderado. La productividad puede verse ralentizada por la necesidad de reiniciar el sistema después de cada lote.
En comparación con los procesos por lotes, Los sistemas de lotes alimentados producen más. Los biorreactores de lotes alimentados aumentan la producción general al mantener el crecimiento celular activo durante un período prolongado. Esto es particularmente ventajoso en aplicaciones de alto riesgo, como los productos biofarmacéuticos.
Debido a que la producción nunca se detiene, los procesos continuos pueden lograr rendimientos óptimos. Los procesos continuos maximizan la eficiencia a lo largo del tiempo al mantener una producción constante, siempre y cuando se mantengan adecuadamente los niveles de nutrientes y la eliminación de desechos.
5. Acumulación de subproductos
A medida que se consumen los nutrientes en las operaciones por lotes, pueden acumularse subproductos que comprometan la calidad del producto final. La productividad puede verse limitada porque los productos de desecho se acumulan hasta que se termina el lote. Después de todo, todo el ciclo se completa con una sola adición de nutrientes.
Los biorreactores de lotes alimentados reducen los subproductos indeseables al suministrar nutrientes de manera gradual. Para mantener un entorno celular más saludable y productos de mayor calidad, los operadores regulan la velocidad de alimentación para evitar la acumulación de subproductos peligrosos.
Los procesos continuos suelen acumular la menor cantidad de subproductos, ya que los desechos se eliminan continuamente junto con el producto. Esta configuración ayuda a preservar las circunstancias ideales para la división y proliferación celular.
6. Simplicidad operativa
Batch processing is an excellent option for smaller or simpler tasks because it is simple to set up and operate. There is less of a requirement for technical expertise because it doesn’t require sophisticated equipment or monitoring.
Los biorreactores alimentados por lotes son un poco más complicados porque necesitan una adición regulada de nutrientes. Aun así, logran un buen equilibrio y ofrecen una mayor producción sin la exigente administración de un sistema continuo.
Para mantener las condiciones de estado estable, los procesos continuos (que son los más complejos) deben ser monitoreados constantemente. Son difíciles de ejecutar y requieren sistemas sofisticados para equilibrar la eliminación de desechos, la adición de fertilizantes y la calidad del producto.
7. Usos óptimos
Proceso por lotes: para requisitos de producción más simples o de menor escala, como investigación preliminar, desarrollo de productos en etapa inicial o cantidades de producción modestas.
Proceso de lotes alimentados: para la producción de bioproductos de alto valor y calidad, como productos biofarmacéuticos, enzimas y biocombustibles, los biorreactores de lotes alimentados son la opción preferida. Los procesos de biofabricación complejos son los más adecuados para los sistemas de lotes alimentados debido a su alta productividad y adaptabilidad.
Proceso continuo: más preferido cuando se requiere una producción constante y de gran volumen para aplicaciones a gran escala y de alta demanda, como la fabricación de enzimas industriales o biocombustibles.
El papel de los subbiorreactores en la biofabricación moderna
En muchos procesos, las células se cultivan inicialmente en un biorreactor auxiliar, conocido como subbiorreactor, antes de transferirse a un biorreactor primario más grande.
Los subbiorreactores se utilizan en cultivos continuos y por lotes alimentados para "preparar" las células y permitirles alcanzar la fase de crecimiento a medida que se cultivan en grandes volúmenes.
Los subbiorreactores subensamblados disminuyen la tasa de desperdicio y aumentan la efectividad total, lo que ayuda a determinar las condiciones óptimas antes de pasar al siguiente nivel.
Ejemplos reales de procesos de biorreactores de lotes alimentados
The fed-batch bioreactor has a wide application in the food industry, biofuels, and medicinal industries. Let’s examine a few actual instances in more detail:
- Medicamentos: En la fabricación de productos biofarmacéuticos, con especial atención a los anticuerpos monoclonales aplicados en el tratamiento del cáncer y las enfermedades autoinmunes, los procesos de lotes alimentados siguen siendo un componente crucial. Por ejemplo, es posible adaptar el método de lotes alimentados para aumentar la tasa de producción de anticuerpos.
- Biocombustibles: Los biorreactores de lotes alimentados son importantes en la actualidad para la producción de biocombustibles como el etanol. Este procedimiento puede ayudar a aumentar sustancialmente la cantidad de combustible producido a partir de una biomasa particular, reduciendo así los costos.
- Alimentos y bebidas: En comparación con otros sistemas de fermentación, los sistemas de lotes alimentados son ideales porque el control de las tasas de fermentación garantiza la calidad en la producción de cerveza, yogur y más.
Por qué los biorreactores de lotes alimentados llegaron para quedarse
Los biorreactores de lotes alimentados ofrecen un nivel óptimo entre el proceso por lotes y el proceso continuo. Siguen siendo adecuados para todo tipo de industrias debido a su uso relativamente general y al uso de biorreactores desechables.
En general, los biorreactores de lotes alimentados parecen proporcionar un compromiso significativo entre mayores rendimientos y mayor control sin los problemas del procesamiento continuo.
Los sistemas de lotes alimentados pueden aumentar de manera más eficaz la densidad celular o la calidad del producto cuando es necesario modificar la concentración de nutrientes. Esto es crucial porque el núcleo de la biofabricación es la producción de medicamentos, biocombustibles sostenibles y otros artículos.
Advanced Bioreactor Systems and Biomanufacturing’s Future
Los avances en innovación en biorreactores están estableciendo un potencial novedoso para los sistemas continuos y de lotes alimentados en el futuro.
Los biorreactores están evolucionando debido a la automatización de la monitorización y la IA, así como a través del análisis de datos en tiempo real, y así proporcionan un mayor control sobre la formación de células y la calidad del producto.
Posteriormente, los sistemas de lotes alimentados y otros biorreactores de un solo uso También se están desarrollando sistemas abiertos en términos de complejidad. Los nuevos y modernos tienen sistemas de sensores para controlar el nivel de pH, las temperaturas y los nutrientes necesarios, y los cambios se pueden realizar instantáneamente.
Con esta integración, se están desarrollando «biorreactores» más inteligentes para mejorar aún más el rendimiento y la eficiencia.
En resumen
En definitiva, cada técnica de bioprocesamiento tiene una función. Es fundamental conocer sus necesidades y limitaciones específicas. Aunque el biorreactor de lotes alimentados es actualmente la opción más popular, no siempre es la mejor opción en todas las circunstancias.
Remember that understanding and streamlining your process is more important for bioprocessing success than simply selecting the appropriate technology. The fundamentals are the same whether you’re using a contemporary single-use bioreactor or a conventional stainless steel setup.
Desde procedimientos por lotes confiables hasta sistemas avanzados de biorreactores por lotes alimentados y prometedoras operaciones continuas, cada método hace avanzar la biotecnología y mejora nuestra calidad de vida.
Keep in mind that there isn’t a one-size-fits-all approach to bioprocessing. The optimal procedure is the one that satisfies your unique requirements.
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