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¿Qué es un Biorreactor?

¿Qué es un biorreactor? Partimos de esta premisa, sin embargo, nos interesa explicarle: ¿cómo funciona un biorreactor? ¿Clasificación de los biorreactores, aplicaciones de los biorreactores? Lo que se debe y no se debe hacer con los biorreactores.

Un biorreactor es un tipo de equipo de laboratorio utilizado en los campos del bioprocesamiento y la bioquímica para el cultivo, crecimiento y producción de organismos vivos. Los biorreactores incluyen varios tipos, como placas de Petri, agitadores, fermentadores, biofiltros, etc.

La función principal de un biorreactor es proporcionar un sistema de control de las condiciones ambientales para satisfacer las necesidades metabólicas y de crecimiento de los organismos. Estas condiciones ambientales incluyen la temperatura, el oxígeno, la concentración de nutrientes, el pH y la agitación. El control de estos parámetros permite optimizar el crecimiento de los organismos y la obtención de productos.

Un biorreactor suele constar de un recipiente y sensores, controladores, agitadores, etc. conectados a él. El recipiente suele ser de un material transparente que permite observar fácilmente el proceso de reacción. Los sensores se utilizan para medir parámetros ambientales como la temperatura, el pH y la concentración de oxígeno. A continuación, el controlador ajusta los parámetros ambientales para mantener unas condiciones óptimas basándose en las señales de retroalimentación de los sensores. El agitador mantiene una distribución uniforme de los reactivos agitando el líquido.

Los biorreactores se utilizan ampliamente en biofarmacia, procesos alimentarios e ingeniería medioambiental. Pueden utilizarse para la producción de antibióticos, enzimas, proteínas y otros productos biológicos, así como para el tratamiento de aguas residuales y residuos sólidos, entre otros. El tamaño de los biorreactores puede variar desde pequeñas unidades de laboratorio hasta grandes instalaciones de producción industrial.

Principio de funcionamiento

Principio de funcionamiento del biorreactor
Principio de funcionamiento del biorreactor

El principio de funcionamiento de un biorreactor puede resumirse del siguiente modo:

Control de las condiciones ambientales: los biorreactores crean un entorno adecuado para el crecimiento y el metabolismo de los organismos mediante el control de las condiciones ambientales. Por ejemplo, ajustando parámetros como la temperatura, el pH, la concentración de oxígeno y la concentración de nutrientes para satisfacer las necesidades de los organismos.

Suministro de sustratos adecuados: los biorreactores proporcionan sustratos adecuados, como fuentes de carbono y nitrógeno, para el crecimiento y metabolismo de los organismos mediante su suministro. Estos sustratos pueden ser materia orgánica, sales inorgánicas, etc. y se seleccionan en función de las necesidades de los organismos.

Mantenimiento de la mezcla y transferencia de oxígeno: los biorreactores mantienen una mezcla homogénea de reactantes y organismos mediante agitadores o sistemas de flujo de gas, etc., para mejorar la eficacia de la transferencia de masa. En el caso de los organismos aerobios, el biorreactor también debe proporcionar suficiente oxígeno para satisfacer las necesidades de la respiración biológica.

Control de resultados y subproductos: los biorreactores controlan la producción de resultados y subproductos controlando los parámetros del proceso de reacción, como la temperatura, el pH y la concentración de nutrientes. La optimización de estos parámetros mejora el rendimiento y la selectividad de los productos.

Monitorización y regulación: los biorreactores suelen estar equipados con sistemas de sensores para monitorizar parámetros clave del proceso de reacción, como la temperatura, el pH, la concentración de oxígeno y la densidad de organismos. A partir de las señales de retroalimentación de los sensores, el sistema de control puede ajustar los parámetros de control para mantener unas condiciones óptimas.

Basándose en los principios anteriores, los biorreactores son capaces de proporcionar un entorno y unas condiciones favorables para las aplicaciones industriales y de laboratorio en los campos del bioprocesamiento y la bioquímica para facilitar el crecimiento, el metabolismo y la producción de productos a partir de organismos.

Los biorreactores pueden clasificarse según diferentes criterios de clasificación y a continuación se exponen algunas de las formas habituales de clasificación:

 

Según el modo de funcionamiento

  • Reactor discontinuo: la sustancia de reacción se añade de una vez y se procesa el lote.
  • Reactor continuo: alimentación y descarga continuas, el proceso de reacción es continuo.
  • Reactor semicontinuo: alimentación tanto por lotes como continua en el proceso de reacción, utilizado habitualmente en procesos de bioconversión.
    Según el tipo de reacción
  • Reactor de fermentación: utilizado para la producción de fermentación microbiana, como la fermentación de alcohol, la fermentación de ácido láctico, etc.
  • Reactor de cultivo celular: utilizado para cultivo celular y fabricación de medicamentos biológicos, como reactor de cultivo celular, biorreactor, etc.
  • Reactor enzimático: utilizado para reacciones catalizadas por enzimas, como investigación de ingeniería enzimática, síntesis catalizada por enzimas, etc.
    Según el modo de control de la reacción
  • Reactor de autocontrol: depende completamente del mecanismo de regulación interna del sistema de reacción para controlar el proceso de reacción.
  • Reactor de control externo: el control del proceso de reacción se realiza mediante calentamiento externo, refrigeración, control de la alimentación y otros dispositivos.
    Según las características del proceso del reactor
  • Reactor de lecho fijo: utilizado para la reacción catalítica, la sustancia reaccionante reacciona sobre un catalizador fijo.
  • Reactor de lecho suspendido: la sustancia reaccionante se suspende en líquido o gas para reaccionar, se utiliza habitualmente en fermentación microbiana y cultivo celular, etc.
  • Reactor de lecho fluidizado: las sustancias reaccionantes reaccionan en un lecho sólido o líquido que fluye.
    Las anteriores son algunas formas comunes de clasificar los biorreactores, diferentes tipos de reactores son adecuados para diferentes procesos de reacción y objetivos, de acuerdo con las necesidades específicas de la elección del tipo adecuado de reactor puede mejorar el efecto de reacción y la calidad de salida.

flujo de trabajo

1、Preparación del reactor

Limpiar el reactor para asegurarse de que el interior del reactor está limpio y libre de contaminantes.
Instale y compruebe equipos como sensores, controladores, dispositivos de alimentación, etc.
Preparar las sustancias de reacción y confirmar su calidad y concentración.
2、Suministro de sustancias de reacción

Según la naturaleza y la demanda de la sustancia de reacción, llevar a cabo el suministro de fase líquida o fase gaseosa.
Para un control preciso pueden utilizarse equipos como bombas y válvulas de control.
3、Control de temperatura

Ajuste y control de la temperatura del reactor de acuerdo con la demanda de sustancias de reacción y las condiciones de reacción.
La temperatura del reactor puede regularse mediante equipos de calefacción y refrigeración.
4、Control del pH

Si la reacción requiere un valor de pH específico, se puede utilizar un sistema de suministro de líquido ácido-base para regular la acidez y la alcalinidad en el reactor.
Los sensores de pH y los dispositivos de control pueden supervisar y controlar el valor de pH dentro del reactor.
5、Control de la presión

Para las reacciones que requieren un control de la presión, se pueden utilizar dispositivos como sensores de presión y válvulas reguladoras para controlar la presión dentro del reactor.
Asegúrese de que la presión dentro del reactor está dentro del rango de seguridad.
6、Agitación y mezcla

Utilice un dispositivo de agitación para mezclar completamente la sustancia reaccionante y mantenerla uniformemente distribuida.
La velocidad y el método de agitación se deciden en función del proceso de reacción específico.
7、Supervisión del proceso de reacción

Utilice sensores y equipos de monitorización para el control en tiempo real y la adquisición de datos del proceso de reacción, como la temperatura, el pH, la presión y otros parámetros.
8、Control del tiempo de reacción

De acuerdo con las necesidades y objetivos de la reacción, controlar la duración del tiempo de reacción, reacción continua o procesamiento por lotes múltiples.
9、Fin de la reacción

Según el grado de finalización de la reacción y la calidad del producto, juzgar si la reacción ha terminado.
Detenga el funcionamiento de los dispositivos, como la alimentación y la agitación, y apague el reactor.
10、Separación y tratamiento del producto

De acuerdo con el objetivo de la reacción y la naturaleza del producto, llevar a cabo la separación, purificación y tratamiento y otros procesos posteriores.
Lo anterior es el proceso general de operación del biorreactor, el proceso de reacción específico y los pasos de operación pueden variar según los diferentes tipos de reacción y las necesidades reales. Operar de acuerdo con la situación específica y la guía experimental para asegurar el buen progreso de la reacción y la estabilidad de la calidad del producto.

Campos de aplicación

Los biorreactores se utilizan principalmente en investigación bioquímica o bioingeniería, farmacia, industria alimentaria, ingeniería medioambiental, etc. A continuación se enumeran algunas aplicaciones típicas:

 

  1. Productos biofarmacéuticos: los biorreactores pueden utilizarse para la producción a gran escala de medicamentos, como fármacos proteínicos, anticuerpos, vacunas, etcétera. Optimizando las condiciones del reactor, como la temperatura, el pH, el suministro de gas, etc., se puede mejorar el rendimiento y la pureza de los productos.
  2. industria de la fermentación: los biorreactores se utilizan ampliamente en la industria alimentaria para la producción por fermentación de alcohol, yogur, salsa de soja, glutamato monosódico, etcétera. Mediante el control de las condiciones del reactor, los microorganismos crecen y se multiplican rápidamente en las condiciones óptimas de temperatura, nutrientes y oxígeno para mejorar el rendimiento y la calidad del producto.
  3. Tratamiento biológico: El biorreactor puede utilizarse para tratar aguas residuales, gases residuales, residuos sólidos, etc. relacionados con el medio ambiente. Mediante el uso de la adsorción microbiana, la degradación, la transformación y otras funciones, la materia orgánica, metales pesados y otros contaminantes en sustancias inocuas, la reducción de la contaminación del medio ambiente.
  4. bioenergía: el biorreactor puede utilizarse para la producción de energía de biomasa, como biodiesel, bioetanol. Mediante la fermentación de microorganismos o la biocatálisis, la biomasa se convierte en combustibles para proporcionar energía renovable.
  5. cultivo celular: los biorreactores pueden utilizarse para el cultivo celular, como el crecimiento, la proliferación y la diferenciación celular. En el campo de la biomedicina, se puede obtener un gran número de productos celulares, como antibióticos y fármacos mediados por genes, controlando las condiciones de cultivo, como la temperatura, la composición del medio, la velocidad de agitación, etcétera.
  6. En conclusión, los biorreactores tienen amplias e importantes aplicaciones en biología y en la industria. Mediante el control y la optimización de las condiciones de reacción, se pueden conseguir procesos de reacción biológica eficientes, a gran escala y controlables, lo que supone un importante apoyo para la vida humana y la producción industrial.

Los biorreactores presentan las siguientes ventajas o beneficios:

  • Capacidad de producción eficiente: los biorreactores pueden producir un gran número de productos biológicos, como fármacos, alimentos, energía, etc., en un periodo de tiempo relativamente corto. Mediante un diseño racional y la optimización de las condiciones de reacción, se puede aumentar el rendimiento y la eficiencia de la producción.
  • Alta capacidad de control: los biorreactores pueden lograr un control preciso del proceso de reacción ajustando parámetros de control como la temperatura, el pH, el suministro de oxígeno, los nutrientes, etcétera. Esto ayuda a optimizar el proceso de reacción biológica y a mejorar la calidad y pureza del producto.
  • Buena repetibilidad: El diseño y los parámetros de funcionamiento del biorreactor garantizan la repetibilidad y consistencia de la reacción. Esto es esencial para producir productos consistentes, estudiar la estabilidad o realizar experimentos a largo plazo.
  • Versatilidad: Los biorreactores pueden aplicarse a muchos tipos diferentes de reacciones, como el cultivo celular, la fermentación, la degradación de contaminantes, etc. Los distintos tipos de biorreactores pueden personalizarse para adaptarse a diferentes procesos de reacción biológica.
  • Efecto de desplazamiento: optimizando el diseño y los parámetros de funcionamiento de un biorreactor, se puede maximizar el volumen del reactor. De este modo se ahorran recursos y costes y se obtienen mayores rendimientos.
  • Respetuosos con el medio ambiente: Gracias a la acción biocatalítica de los microorganismos, los biorreactores pueden convertir residuos en sustancias útiles como bioenergía o abonos orgánicos. Esto contribuye a reducir la contaminación ambiental y al desarrollo sostenible.
  • En conclusión, los biorreactores presentan las ventajas de una producción eficiente, controlabilidad, reproducibilidad, versatilidad, efecto de desplazamiento y respeto por el medio ambiente. Estas ventajas han dado lugar a una amplia gama de aplicaciones en diversos campos y los han convertido en una herramienta importante en la investigación bioquímica y de bioingeniería, la producción industrial y la protección del medio ambiente.

Aunque los biorreactores tienen muchas ventajas y beneficios, también presentan algunas desventajas o carencias:

  • Alto coste: el diseño, la construcción y el mantenimiento de los biorreactores son caros, especialmente en el caso de los reactores a gran escala. Requieren la inversión de grandes cantidades de dinero y recursos, incluyendo equipos, materiales, energía, etc.
  • Limitaciones en la transferencia de masa: existen limitaciones en el proceso de transferencia de masa en los biorreactores, especialmente en las reacciones a gran escala. La transferencia de nutrientes, oxígeno y productos de desecho puede ser limitada, dando lugar a fenómenos de gradiente dentro del reactor, que pueden afectar a la eficiencia de la reacción y a la calidad del producto.
  • Selección microbiana restringida: las condiciones de reacción y el entorno del biorreactor pueden ser restrictivos desde el punto de vista microbiano. Ciertos microorganismos tienen elevados requisitos de temperatura, pH y nutrientes y no pueden adaptarse a determinados entornos del reactor.
  • Riesgo de infección: los biorreactores pueden presentar riesgo de infección y contaminación microbiana. Los microorganismos y sus metabolitos pueden escapar del reactor cuando existen controles y condiciones de funcionamiento inadecuados, lo que provoca contaminación y riesgo de infección.
  • Ciclos largos y dificultades de ajuste: Algunos procesos con biorreactores pueden requerir ciclos largos para alcanzar los rendimientos y la calidad deseados. Además, ajustar las condiciones y parámetros de reacción según sea necesario puede resultar difícil y requiere experiencia y conocimientos.
  • Complejidad constructiva y operativa: La construcción y el funcionamiento de los biorreactores requieren conocimientos y habilidades especializados. El diseño y el funcionamiento tienen en cuenta múltiples factores, como las características microbianas, las condiciones de reacción, etc., lo que aumenta la complejidad y los requisitos técnicos.
  • En resumen, a pesar de las numerosas ventajas de los biorreactores, existen algunas deficiencias, como su elevado coste, las limitaciones en la transferencia de masa, las limitaciones en la selección microbiana, el riesgo de infecciones, la larga duración de los ciclos y las dificultades en los ajustes. Estas deficiencias deben tenerse en cuenta de forma exhaustiva en el diseño y el funcionamiento de los biorreactores, y deben tomarse las medidas adecuadas para abordarlas y superarlas.

Las siguientes especificaciones y precauciones deben seguirse al operar el biorreactor:

  • Salud y seguridad: Garantice la seguridad del operario y del entorno mediante el uso de equipos de protección individual (EPI) como guantes, gafas, mascarillas, etc., según sea necesario. Evite la exposición a sustancias tóxicas o peligrosas y siga las prácticas de seguridad de laboratorio adecuadas.Limpieza del reactor: Limpie y esterilice a fondo el reactor antes y después de cada uso. Evite la contaminación y la contaminación cruzada para garantizar la fiabilidad y reproducibilidad de la reacción.
  • Control de las condiciones de reacción: Asegúrese de que parámetros como la temperatura, el pH, el suministro de gas, la velocidad de agitación, etc. en el reactor son adecuados para el proceso de reacción deseado. Tenga cuidado de establecer rangos y umbrales de control adecuados para evitar un control excesivo o fluctuaciones excesivas.
  • Monitorización y registro del proceso: La reacción se monitoriza y registra en tiempo real, incluyendo la temperatura de reacción, el pH, el suministro de oxígeno y nutrientes y la generación de producto. Esto ayuda a optimizar las condiciones de reacción y a realizar un seguimiento del progreso de la reacción.
  • Regulación de gases: Asegúrese de que el suministro y la emisión de gases cumplen los requisitos de la reacción. Deben utilizarse sistemas de suministro de gas y dispositivos de ventilación adecuados para controlar las concentraciones y presiones de gas.
  • Evitar la contaminación: Tenga cuidado de evitar la contaminación al manipular y transferir las sustancias de reacción. Utilice técnicas y materiales asépticos para evitar la entrada de microorganismos y otros contaminantes.
  • Mezclado y agitación: Seleccione los métodos de mezclado y agitación adecuados en función de las características de las sustancias de reacción y de los requisitos de la reacción. Asegurar una mezcla y agitación homogéneas para garantizar un contacto adecuado de las sustancias de reacción y el efecto de la reacción.
  • Eliminación de residuos: Elimine correctamente los residuos generados por la reacción, incluidos los residuos líquidos, gaseosos y sólidos. Siga los requisitos medioambientales para un tratamiento y eliminación razonables de los residuos.
  • Mantenimiento de instrumentos y equipos: Inspeccionar y mantener periódicamente los instrumentos y equipos del reactor para garantizar su correcto funcionamiento. Sustituir o reparar oportunamente las piezas dañadas o deterioradas.
  • Documentación: Mantener registros experimentales detallados y documentación operativa, incluyendo fechas experimentales, condiciones de reacción, materiales utilizados y observaciones. Esto ayuda en el seguimiento del proceso experimental, el análisis de datos y la reproducibilidad experimental.
  • Cuando se opera un biorreactor, es necesario seguir estrictamente las normas de seguridad y los procedimientos operativos del laboratorio, diseñar y operar razonablemente las condiciones de reacción y realizar un seguimiento y registro en tiempo real. Al mismo tiempo, hay que mantener el reactor limpio y en buen estado para evitar la contaminación y el mal funcionamiento. Esto garantiza la fiabilidad y reproducibilidad de la reacción y la seguridad del personal y del medio ambiente.

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