Seleccionar el reactor adecuado es esencial para aumentar el desarrollo celular, la productividad y el rendimiento. El uso del biorreactor correcto puede cambiar sus resultados, ya sea que recién esté comenzando o aumentando la producción. Exploremos estos reactores innovadores para identificar su próximo gran descubrimiento.
¿Qué son los reactores de cultivo de células de mamíferos?
Cultivo de células de mamíferos es un método eficaz que se utiliza para producir desde vacunas innovadoras hasta medicamentos necesarios. A diferencia de los cultivos de bacterias, estas células son más delicadas y sofisticadas, y requieren condiciones controladas para que prosperen y funcionen de manera eficaz. Aquí es donde entran en juego los reactores de cultivo de células de mamíferos, o sistemas de biorreactores, que proporcionan el entorno ideal para que estas células crezcan y contribuyan al proceso de fabricación.
Cada tipo de reactor tiene ventajas únicas que lo hacen apropiado para usos particulares. Pero con tantas opciones que van desde sistemas de tanques agitados simples hasta biorreactores de eliminación, elegir el apropiado puede resultar abrumador. Para ayudarlo a tomar la mejor decisión para el éxito de su proyecto, desglosaremos los tipos y las características importantes.
Tipos comunes de biorreactores utilizados en el cultivo de células de mamíferos
El éxito de su cultivo celular depende directamente de su elección de biorreactor. Ya sea que trabaje con células de mamíferos delicadas o intente optimizar el rendimiento de las proteínas, cada forma de biorreactor tiene beneficios especiales que son apropiados para sus diversas aplicaciones. A continuación, se analiza en detalle cada opción y cómo puede respaldar varios objetivos de producción de cultivos de células de mamíferos.
1. Reactores de tanque agitado (STR)
Reactores de tanque agitadoLos biorreactores STR son los más utilizados en los procesos de cultivo de células de mamíferos. ¿Por qué? Porque son bastante adaptables. Los STR utilizan un agitador mecánico para mezclar continuamente el medio de cultivo celular, lo que ayuda a distribuir de manera uniforme los nutrientes, los gases y las células en todo el reactor. Esta mezcla también mejora la transferencia de oxígeno, que es vital para el desarrollo y la supervivencia de las células, en particular a altas densidades.
Los STR son ideales para producir proteínas debido a sus diseños, que con frecuencia requieren cultivos de alta densidad. Otra ventaja de su adaptabilidad es que pueden gestionar fácilmente tanto la producción comercial a gran escala como las actividades a pequeña escala en laboratorio. Ya sea que esté mejorando un proceso o ampliándolo, los STR brindan el control y la consistencia esenciales necesarios para producir resultados excelentes.
2. Biorreactores de olas
Los biorreactores de ondas, también conocidos como biorreactores oscilantes, se utilizan ampliamente en la investigación y el desarrollo preliminares. A diferencia de los STR, los biorreactores de ondas no utilizan agitación mecánica, sino que se balancean hacia adelante y hacia atrás suavemente creando ondas en un medio de cultivo que mezcla los ingredientes. Este movimiento "ondulatorio" ayuda a distribuir el oxígeno y los nutrientes sin forzar las células.
Debido a que los biorreactores de ondas suelen ser desechables, reducen las posibilidades de contaminación y eliminan los procesos de limpieza que consumen mucho tiempo. Además, son económicos y fáciles de utilizar, lo que los hace ideales para la optimización de procesos o las primeras fases del cultivo celular, donde es posible que necesite versatilidad sin comprometerse necesariamente con configuraciones complejas.
3. Reactores de lecho fijo
Los reactores con lechos fijos están diseñados para cultivos celulares continuos. Son especialmente útiles cuando se trata de vacunas contra virus u otros productos que se benefician de períodos de cultivo prolongados. Las células se inmovilizan en una superficie sólida o matriz dentro de un reactor de lecho fijo. Este diseño ayuda a que la célula crezca y se multiplique sin ser arrastrada durante el proceso, por lo que es ideal para células adherentes que requieren una superficie sólida a la que adherirse.
La naturaleza continua de los reactores de lecho fijo los hace eficientes para procesos que necesitan una producción ininterrumpida. Al mantener un entorno estable, los reactores de lecho fijo pueden soportar cultivos a largo plazo, maximizando tanto el rendimiento como la productividad a lo largo del tiempo.
4. Biorreactores de fibra hueca
Una de las características distintivas de los biorreactores de fibra hueca es su mecanismo basado en membranas. La configuración se basa en la disposición de un haz de fibras huecas de modo que se pueda regular la difusión de nutrientes y gases. Mientras que los nutrientes pasan a través de los núcleos de las fibras y se difunden hacia el exterior para llegar a las células, las células se desarrollan en la zona exterior de estas fibras.
Esta estructura permite un intercambio de nutrientes y oxígeno muy eficiente, lo que hace que los biorreactores de fibra hueca sean una opción popular para cultivos de alta densidad, especialmente en aplicaciones como la producción de anticuerpos y vacunas. Dado que las células permanecen cerca de la fuente de nutrientes, experimentan un estrés mínimo y reciben constantemente todo lo que necesitan para prosperar.
5. Reactores de lecho empacado
Los reactores de lecho empacado son otro tipo desarrollado para cultivos celulares de alta densidad y a largo plazo. En esta configuración, las células se condensan en una columna con materiales inmovilizados, como perlas o fibras, para su adherencia. Esta disposición permite que las células se multipliquen en grandes cantidades mientras permanecen estacionarias. Es perfecta para procedimientos que deben realizarse de forma continua sin interrupciones frecuentes.
Los reactores de lecho empacado son particularmente útiles para producir productos a base de células durante períodos prolongados, ya que mantienen un entorno estable que puede sustentar el crecimiento celular durante semanas o incluso meses. Esta configuración también reduce la necesidad de recolección frecuente, lo que la hace eficiente para aplicaciones de alto rendimiento.
6. Biorreactores de un solo uso
Los biorreactores de un solo uso se están haciendo cada vez más populares en aplicaciones científicas e industriales. Como sugiere su nombre, estos biorreactores están pensados para usarse una sola vez, lo que significa que no se requiere una limpieza o esterilización exhaustiva. Esta función agiliza el flujo de trabajo y reduce drásticamente las posibilidades de contaminación cruzada.
Más allá del factor conveniencia, biorreactores de un solo uso También son muy flexibles. Se pueden adaptar a distintas escalas y son ideales para industrias que necesitan cambiar de producto con frecuencia. Además, su naturaleza desechable los convierte en una opción sostenible para las empresas biofarmacéuticas que buscan minimizar los desechos y optimizar la producción.
El mercado mundial de biorreactores de un solo uso se valoró en USD 4.100 millones en 2023Se espera que entre 2024 y 2030 la tasa de crecimiento del mercado se expanda a aproximadamente 17% CAGR.
7. Biorreactores de tanque agitado con membrana
El biorreactor de tanque agitado por membrana integra una membrana selectiva con las ventajas de un STR convencional. Esta membrana mantiene las células contenidas dentro de un área determinada al tiempo que permite el intercambio controlado de nutrientes y gases. Esta característica es más útil para procedimientos que necesitan nutrientes regulados con precisión sin provocar que las células se concentren indebidamente.
Al aprovechar el poder de mezcla de un STR y el intercambio selectivo de una membrana, estos biorreactores son adecuados para aplicaciones que requieren condiciones precisas, como la ampliación de líneas celulares sensibles.
8. Biorreactores de transporte aéreo
Una característica distintiva de los biorreactores de transporte aéreo es que no utilizan agitación mecánica, sino burbujas de aire. Este enfoque minimiza las fuerzas de corte, que son particularmente sensibles a las células de mamíferos dañadas. Cuando se deja entrar aire en la base del reactor, este se eleva y ayuda a impulsar un circuito convectivo alrededor del medio y las células.
El diseño de los biorreactores de transporte aéreo los hace ideales para la producción a gran escala, donde es esencial mantener la integridad celular. Dado que no hay partes móviles en contacto directo con las células, los reactores de transporte aéreo minimizan el daño celular, lo que los hace perfectos para cultivos sensibles o productos que necesitan una alta viabilidad.
9. Biorreactores de tanque agitado con filtro giratorio
Los biorreactores de tanque agitado con filtro giratorio, que se incorporan a los STR tradicionales, proporcionan una capa selectiva de gestión de nutrientes. Estos reactores utilizan un filtro giratorio para mantener las células aisladas en una región, a la vez que las separan de la solución nutricional y permiten la libre circulación del medio. Es una configuración muy adecuada para las células en suspensión que no necesitan una superficie a la que adherirse, pero que aún así se benefician de un suministro constante de nutrientes.
Además, este diseño promueve cultivos de alta densidad y permite períodos de cultivo más prolongados sin tener que retirar o reemplazar las células con frecuencia. Por lo tanto, los STR con filtro giratorio son particularmente efectivos en procesos basados en suspensiones, donde el ciclo eficiente de nutrientes es crucial para la productividad.
10. Biorreactores de columna de burbujas
Los biorreactores de columna de burbujas tienen un diseño relativamente simple. Su procedimiento depende de burbujas ascendentes para mezclar el medio y proporcionar oxígeno. Por lo tanto, son fáciles de ampliar para volúmenes de producción altos y su entorno de bajo cizallamiento es respetuoso con las células. El medio se mezcla automáticamente mediante las burbujas ascendentes, que distribuyen el oxígeno y los nutrientes sin necesidad de agitación mecánica.
Estos biorreactores a gran escala son útiles cuando se requiere un método económico y no mecánico para mezclar el medio. La falta de componentes mecánicos también facilita el mantenimiento y la operación, lo que contribuye a reducir el costo general.
11. Biorreactores de torre
Los biorreactores de torre están diseñados con una estructura vertical, lo que crea una configuración alta, similar a una columna, que mejora la oxigenación y la circulación. La mayor altura maximiza el área de contacto para la transferencia de oxígeno, lo que resulta beneficioso para los cultivos celulares de alta densidad donde la demanda de oxígeno es alta.
Gracias a su diseño vertical, los biorreactores de torre pueden soportar grandes volúmenes sin ocupar demasiado espacio horizontal. Se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales a gran escala en las que maximizar la densidad celular y la oxigenación eficiente son prioridades principales.
12. Biorreactores de lecho fluidizado
Los biorreactores de lecho fluidizado están diseñados para la producción continua, en particular con células inmovilizadas que se adhieren a pequeñas partículas dentro del reactor. En un lecho fluidizado, estas partículas se mantienen en constante movimiento, lo que permite que los nutrientes circulen libremente alrededor de las células. Este movimiento favorece los cultivos de alta densidad y garantiza que las células tengan acceso continuo a nutrientes frescos.
Esta configuración es particularmente útil para procesos que requieren una producción continua durante largos períodos. Los lechos fluidizados suelen elegirse por su alta productividad y su mínima intervención manual, lo que los hace eficientes y confiables para operaciones a gran escala.
Cada uno de estos reactores de cultivo de células de mamíferos tiene ventajas únicas que se adaptan a diferentes objetivos, desde la investigación hasta la producción a gran escala. Ya sea que trabaje con células sensibles que necesitan un entorno de baja cizalladura o que esté ampliando su escala para satisfacer una alta demanda, existe un tipo de biorreactor listo para respaldar su visión.
Reactores de cultivo de células de mamíferos: consideraciones sobre la ampliación de escala
Cuando se trata de ampliar la escala, las cosas pueden complicarse. Veamos lo que necesita saber.
1. Importancia de la ampliación
Ampliación de escala Es el puente entre la investigación y la producción comercial. Los reactores pequeños utilizados en la investigación podrían no funcionar siempre a mayor escala sin realizar ajustes.
Imaginemos que intentamos mantener vivas, productivas y estables miles de células en una superficie mucho mayor. Un biorreactor desechable podría funcionar perfectamente en el laboratorio, pero el factor de escalabilidad significa que puede ser necesaria una configuración diferente.
2. Factores que afectan la ampliación
Factores clave como la eficiencia de la mezcla, la transferencia de oxígeno y la geometría del biorreactor desempeñan un papel importante. Por lo tanto, pequeños ajustes en el diseño pueden marcar una gran diferencia al trabajar con un sistema de biorreactor.
3. Estrategias para una ampliación de escala exitosa
Las estrategias de ampliación varían ampliamente, desde sistemas de monitoreo adaptativos hasta reactores de un solo uso. Los biorreactores de un solo uso, por ejemplo, ofrecen flexibilidad al evitar protocolos de limpieza complejos, lo que puede ser un punto de inflexión. Sin embargo, para necesidades de gran volumen, un reactor reutilizable podría ser más rentable a largo plazo.
Comparación de tipos de reactores
A la hora de decidir qué reactor es el adecuado para usted, resulta útil realizar una comparación directa. A continuación, se muestra una comparación de algunos reactores populares:
| Tipo de reactor | Escalabilidad | Riesgo de contaminación | Facilidad de operación | Aplicaciones típicas |
| 1. Tanque agitado | Alto | Moderado | Medio | Producción de proteínas |
| 2. Ola | Bajo a medio | Bajo | Alto | Investigación en etapa temprana |
| 3. Cama fija | Medio | Moderado | Medio | Vacunas basadas en virus |
| 4. Fibra hueca | Media a alta | moderado | alto | Producción de anticuerpos |
| 5. Cama empacada | Alto | Bajo | Medio | Cultivo celular a largo plazo |
| 6. De un solo uso | Media a alta | Bajo | Alto | Configuraciones flexibles y de eliminación |
| 7. Tanque agitador de membrana | Medio | Moderado | Medio | Intercambio escalable de nutrientes |
| 8. Puente aéreo | Bajo a medio | Moderado | Medio | Tipos de células sensibles |
| 9. Tanque agitador con filtro giratorio | Medio | Moderado | Medio | Tipos de células sensibles |
| 10. Columna de burbujas | Alto | Bajo | Alto | Configuraciones sencillas a gran escala |
| 11. Torre | Alto | Bajo | Medio | Cultivos grandes de alta densidad |
| 12. Lecho fluidizado | Media a alta | Moderado | Medio | Producción continua |
Consideraciones clave a la hora de elegir un reactor de cultivo de células de mamíferos
Varios factores influyen en qué reactores de cultivo de células de mamíferos se adaptarán a sus necesidades. El tipo de célula, por ejemplo, determina si necesita un sistema para células en suspensión o adherentes. La densidad que busca, el volumen de producción y el material (de un solo uso o reutilizable) también influyen en su elección. A continuación, se ofrecen algunos puntos de referencia:
- Tipo de celda: Ciertos reactores, como los de lecho fijo, funcionan bien para células que necesitan adherirse a una superficie, mientras que los reactores de tanque agitado son ideales para células en suspensión.
- Volumen de producción: ¿Está trabajando con volúmenes pequeños a escala piloto o está pasando a una producción a gran escala?
- Material: Los biorreactores desechables son más fáciles de manipular y ayudan a evitar la contaminación, pero para grandes volúmenes, los sistemas reutilizables de acero inoxidable pueden ser más económicos.
Tendencias futuras en los reactores de cultivo de células de mamíferos
A medida que avanza la tecnología, los reactores de cultivo de células de mamíferos también están evolucionando. En primer lugar, la tendencia hacia los biorreactores de un solo uso está creciendo, en gran medida porque reducen el riesgo de contaminación y el tiempo de limpieza. También estamos viendo tendencias en los controles de procesos impulsados por IA que realizan ajustes en tiempo real para optimizar las condiciones de cultivo.
De cara al futuro, los diseños de reactores sostenibles y los sistemas de biorreactores automatizados harán que el cultivo celular a gran escala sea aún más accesible. Imagine reactores que se adapten automáticamente a las condiciones cambiantes, garantizando que sus células sean felices y productivas. ¡Ese es el futuro de los reactores de cultivo celular de mamíferos!
Conclusión
La selección de los reactores de cultivo de células de mamíferos adecuados puede ser decisiva para el éxito o el fracaso de su proyecto. Con opciones que van desde simples biorreactores de ondas hasta sistemas de transporte aéreo de alta tecnología, hay algo que se adapta a cada necesidad. Ya sea que esté ampliando la producción para fines comerciales u optimizando una pequeña prueba piloto, el reactor que elija debe estar en línea con su tipo de célula, sus objetivos de producción y sus preferencias operativas.
Con los avances continuos en la tecnología de reactores, como los sistemas de biorreactores desechables y los procesos controlados por IA, el futuro del cultivo de células de mamíferos parece más brillante y más eficiente que nunca.
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