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.

Knowledge about fermenter is, therefore, essential to contemporary science and technology, irrespective of the choice of an individual profession.

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?

A bioreactor is a medical device designed to host living microorganisms and to provide conducive environments for these microorganisms to thrive. Essentially, fermenter mimic real-life environmental conditions of these microorganisms with the intention of producing certain organic compounds as desired. Without a bioreactor, these microorganisms would not survive, hence its significance cannot be understated especially in the field of medicine.

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

The foremost role of a bio reactor is to provide optimal conditions for biological organisms to bloom, reproduce, or synthesize essential items. To do this, it is crucial to fully understand the components of a bioreactor and how they work.

1. Condiciones ambientales controladas

Bioreactors are designed to host living organisms in a controlled environment to grow and develop in full storage. Without fermenter, these microorganisms would not survive outside their environments, and we would therefore never be able to produce important medical compounds.

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

Bioreactors use mixing and agitation processes to assist cells absorb nutrients and gas, such as oxygen, within the fermenter. Without this feature, the organisms would probably take long to absorb the necessary nutrients, or in the worst case scenario, die out of lack of nutrients or insufficient gaseous exchange.

While airlift bioreactors culturally mix by generating gas bubbles, stirred-tank bio reactors use mechanical impellers. Stirring is carried out continuously so that cell division and product formation occur throughout the system.

3. Esterilidad

Sterility plays a major role in avoiding undesirable microorganism infection in bio reactors, which has the potential to destroy entire batches of biological products. Sterilization should be performed prior to each use of a bioreactor, which is why they are meticulously engineered to ensure sterility.

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.

For this reason, bio reactors come with two important features. Spargers and membranes. Spargers help in adding tiny oxygen bubbles to the culture while membranes allow for regulated oxygen delivery and carbon dioxide removal.

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

Now that we’ve looked at what is a bioreactor and how it functions, it’s time to go through its wide range of applications. Bio reactors are at the core of several industries undergoing radical change, from improving sustainable energy solutions to altering the production of pharmaceuticals.

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

One of the biggest markets for fermenter is the pharmaceutical sector. Gene-modified cells cultivated in bio reactors are used in the production of many life-saving medications, including insulin, monoclonal antibodies, and vaccinations.

To cultivate the required cells on a large scale, for instance, fermenter technology was very crucial to the development and mass production of COVID-19 vaccines. Cultures of microorganisms or genetically modified mammalian cells that yield particular proteins, enzymes, or other medicinal chemicals can be grown in bio reactors.

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

As the world moves toward more sustainable energy sources, bio reactors are becoming increasingly important in the production of biofuels. Microorganisms such as algae, yeast, or bacteria can be grown in bioreactors, where they convert organic material into biofuels like ethanol, biodiesel, or even hydrogen.

Biofuels produced in fermenter offer a renewable alternative to fossil fuels and can significantly reduce greenhouse gas emissions. Algae, for example, can be cultivated in photobioreactors, where they photosynthesize and produce lipids, which can then be converted into biodiesel. These processes are seen as critical to the transition to a cleaner energy in future.

3. Alimentos y bebidas

Fermentación industrial, the process by which microorganisms break down sugars to generate goods like beer, wine, yogurt, and bread, has long been a food and beverage industry’s staple. This age-old method has been elevated by fermenter, which provide exact control over fermentation conditions for consistently high-quality and flavor results.

For example, these fermentation bio reactors, sometimes called fermentadores industriales, are used in the brewing industry to efficiently convert sugars into alcohol by cultivating yeast in an ideal environment. Fermenter in dairy production allow milk to ferment on a massive scale to make fermented products like cheese and yogurt.

4. Tratamiento de aguas residuales

Environmental engineering requires fermenter especially for cleaning up wastewater. For instance, membrane bio reactors are used to clean industrial and sewage waste by cultivating bacteria that decompose organic waste. Water treated like this is safe to reuse or discharge into the environment.

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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