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El biorreactor industrial es un sistema de producción biológica a gran escala que juega un papel importante en la terapia génica, la terapia celular y la ingeniería de tejidos. En la industria alimentaria, juega un papel importante en la fermentación. Según el modo de operación, un biorreactor se puede clasificar en tres categorías: flujo continuo, tipo batch y semicontinuo.
Biorreactor batch:
Un biorreactor batch es un reactor en el que las materias primas se cargan de una vez y se cultivan dentro del recipiente. Es uno de los tipos de diseño de biorreactor más utilizados. Todo el proceso se puede dividir en cuatro fases: inyección de materias primas, reacción, extracción de productos y limpieza. Los biorreactores batch aumentan la variedad de productos y la flexibilidad. Debido a la ausencia de entrada y salida simultánea, suelen ser más fáciles de controlar y gestionar en comparación con los biorreactores continuos.
Biorreactor de flujo continuo:
Un biorreactor de flujo continuo es un reactor en el que las materias primas y los productos entran y salen del reactor simultáneamente, formando un proceso de producción continuo. Los biorreactores continuos pueden mejorar la productividad por unidad de volumen y son adecuados para la producción estable a gran escala. Sin embargo, el diseño y control de los biorreactores continuos es difícil porque es necesario garantizar que el reactor mantenga el estado estable y evitar la entrada de materias primas y la contaminación.
Biorreactor semicontinuo:
Un biorreactor semicontinuo es un reactor en el que las materias primas se cargan periódicamente y los productos se extraen continuamente. Los biorreactores semicontinuos combinan las características de los biorreactores batch y continuos. Mejoran la productividad y la concentración, y son adecuados para algunas aplicaciones que necesitan funcionar durante un tiempo prolongado y procesos semicontinuos. El diseño y la operación de los biorreactores semicontinuos son similares a los biorreactores batch, pero necesitan extraer productos continuamente e implementar una operación semicontinua.
Además, según la forma de transferencia de masa, los biorreactores se pueden dividir en reactores de fase líquida, reactores de fase gaseosa y sistemas de biorreactores bifásicos. El biorreactor de fase líquida es un reactor en el que el sistema de reacción es un líquido. Es el tipo de biorreactor más común e incluye biorreactores de tanque agitado, biorreactores de flujo tapón y biorreactores CSTR. El biorreactor de fase gaseosa es un reactor en el que el sistema de reacción es gas, incluido un biorreactor gas-sólido de lecho fijo y un biorreactor gas-sólido de lecho fluidizado. El sistema de biorreactor bifásico incluye un sistema gas-líquido y un sistema gas-líquido-sólido.
Especificaciones genéricas
Los vasos de biorreactor existen en diferentes tamaños para satisfacer diversos volúmenes operativos, desde pequeños reactores a escala de laboratorio con unos pocos litros de capacidad hasta grandes reactores a escala industrial que contienen miles de litros de volumen de trabajo. Además, los materiales utilizados para fabricar los vasos de biorreactor varían en función de los requisitos específicos del bioproceso. Por ejemplo, algunos biorreactores están hechos de vidrio para facilitar la observación de la cultura y garantizar la esterilidad, mientras que otros están hechos de diferentes tipos de acero inoxidable para garantizar la durabilidad y resistir condiciones de alta presión y temperatura. Más importante aún, el diseño del vaso del biorreactor también afecta las tasas de mezcla y transferencia de masa del biorreactor. Algunos diseños populares incluyen reactores de _vaso rígido_, reactores de globo, reactores de fibra hueca y reactores _tubulares de flujo de cizallamiento_.
Sistema de aireación
Los sistemas de aireación de un biorreactor proporcionan el intercambio de gases necesario para que los nutrientes y el oxígeno puedan difundirse hacia el organismo, mientras que los productos de desecho y el dióxido de carbono pueden difundirse fuera del organismo. Los biorreactores suelen tener algunos compresores externos o bombas para la aireación forzada, y las burbujas y la agitación creadas proporcionan una mezcla y transferencia de masa adicionales dentro del reactor. El biorreactor también tiene algunos dispositivos tubulares, por ejemplo, un esparcidor en el fondo del vaso del biorreactor, que rompe el aire en pequeñas burbujas que suben a través del medio líquido. Además, algunos biorreactores que se centran en reducir los costes de los suministros de aire también adoptan biorreactores de aireación que utilizan fuerzas de flotación para hacer circular el fluido de cultivo.
Sistema de control
Los biorreactores industriales más avanzados suelen estar equipados con sistemas de control complejos que permiten a los usuarios monitorizar y controlar varios parámetros en tiempo real. Por ejemplo, el controlador de temperatura puede mantener la temperatura a valores óptimos; los controladores de pH, oxígeno disuelto y potencial redox pueden garantizar que el entorno de cultivo alcance las condiciones ideales; y los sensores de presión pueden evitar fugas y explosiones de los biorreactores con los esparcidores automáticos.
El mantenimiento regular de los biorreactores industriales ayuda a garantizar su estabilidad y seguridad. También ayuda a mejorar el rendimiento y la calidad del producto, al mismo tiempo que prolonga la vida útil del biorreactor. Las siguientes sugerencias proporcionan un proceso de mantenimiento sistemático que garantiza la eficiencia operativa del biorreactor.
La selección de los biorreactores más apropiados para la aplicación prevista implica tener en cuenta varios factores cruciales. Algunos de ellos son los siguientes:
Escala de producción
La escala de producción es uno de los factores más importantes a la hora de elegir un biorreactor industrial. En primer lugar, es esencial determinar el volumen deseado del producto final. A continuación, se debe elegir un biorreactor que pueda satisfacer la escala de producción objetivo. Generalmente, la producción a gran escala necesita biorreactores más grandes. Por ejemplo, un biorreactor de tanque agitado de 1000 litros o más de tamaño es el más adecuado para la producción a gran escala en muchas aplicaciones.
Flexibilidad
Al elegir un biorreactor industrial, también es esencial tener en cuenta la flexibilidad del sistema. Un buen biorreactor debe ser capaz de soportar diferentes líneas celulares, condiciones de cultivo y estrategias de alimentación. Sería mejor elegir aquellos biorreactores con diseños modulares o componentes actualizables si se necesita cambiar el proceso de producción.
Automatización y control
La automatización y el control también son aspectos esenciales a considerar al elegir biorreactores. Los biorreactores automatizados avanzados con un control preciso de los parámetros ambientales pueden mejorar en gran medida la reproducibilidad y la consistencia del producto. Piense en factores como el sistema de control, la selección de sensores y las capacidades de integración de datos, y elija un biorreactor adecuado que cumpla con los requisitos de automatización y control.
Coste
El coste también es un aspecto importante a considerar al seleccionar biorreactores. Tenga en cuenta el coste de compra inicial, así como los costes operativos, los gastos de mantenimiento y los consumibles en una etapa posterior.
P: ¿Cómo funciona un biorreactor?
R: En general, la función del biorreactor se puede resumir en cuatro etapas: mezcla, intercambio de gases, intercambio de calor y muestreo y alimentación.
1. Mezcla: El agitador del biorreactor se utiliza para mezclar el contenido. La mezcla garantiza que todas las partes del biorreactor sean iguales. Ayuda a difundir los nutrientes y mantener las células vivas. Una buena mezcla también evita que las células se adhieran a las paredes del biorreactor. Trabajar con los fermentadores, homogeneizadores y bombas del biorreactor mejora la mezcla.
2. Intercambio de gases: Algunas células del biorreactor necesitan oxígeno para crecer. El biorreactor proporciona una forma de que los gases entren y salgan. El biorreactor tiene burbujas o una membrana porosa. Las burbujas proporcionan oxígeno y eliminan el dióxido de carbono. La membrana hace ambas cosas con sólo oxígeno pasando a través de ella.
3. Intercambio de calor: Cada biorreactor tiene una forma de controlar el calor. Puede ser una chaqueta alrededor del biorreactor o serpentines en su interior. El agua circula por la chaqueta o los serpentines. Si el biorreactor está demasiado caliente, el agua absorbe algo de calor. Si está demasiado frío, el agua devuelve calor. Este método mantiene el biorreactor a la temperatura adecuada para las células.
4. Muestreo y alimentación: A veces, es necesario sacar una parte de la mezcla del biorreactor. Esta parte se analiza para ver cómo están creciendo las células. A menudo, también se introduce nueva comida en el biorreactor. Se utiliza un lugar pequeño y seguro para tomar muestras y añadir alimento. Se llama "cip/sig". Mantiene el biorreactor seguro y limpio.
P: ¿Qué tipos de biorreactores son populares?
R: El biorreactor de tanque agitado sigue siendo el más utilizado. Representa el 80 - 90% de todos los biorreactores utilizados. Se han realizado muchas mejoras para que funcione mejor. Otros tipos como los reactores de aireación, columna de burbujas y lecho fluidizado se utilizan en algunos lugares.
P: ¿Qué factores se deben considerar al comprar un biorreactor?
R: Es importante pensar en el tamaño del biorreactor. Tiene que contener suficiente líquido para que se pueda realizar el trabajo. También piense en la eficacia con la que el biorreactor se mezcla y libera gases. La forma en que se calienta y enfría también debe tenerse en cuenta. Debe ser fácil de limpiar y trabajar con diferentes tipos de células o gérmenes.
P: ¿Cuáles son las tendencias en el biorreactor industrial?
R: Los biorreactores están mejorando. Ahora, más reactores tienen buenos controles para el O2, CO2, pH y la temperatura. Se utilizan biorreactores más grandes para fabricar más cosas. El reciclaje de residuos en biorreactores se está convirtiendo en una necesidad. Además, se están estudiando más las formas de insertar y extraer cosas de los biorreactores de forma segura.