Configuración General de Biorreactores

Para la configuración de un biorreactor, se tienen en cuenta la **estequiometría**, la **cinética**, los **balances de calor y masa**, la **transferencia de masa**, la **dinámica de fluidos** y el **grado de mezcla**.

Tipos de Reactores según su Operación

• En un **reactor Batch (Discontinuo)** no hay entrada ni salida, y el volumen es constante. G=Acc (dCA/dt)
• En un **reactor Continuo** el tiempo de mezcla es cero, el volumen es constante y opera en estado estacionario. E+G=S
• En un **reactor Fed-Batch (Alimentado)** el volumen cambia.
• En un **reactor Tubular** el volumen es constante y opera en estado estacionario. E+G=S S=Q·(S+dS)

Configuraciones de Biorreactores según el Grado de Mezcla

Existen tres configuraciones principales en función del grado de mezcla. Es importante considerar que cuanto más se mezcla, más oxígeno se introduce y, por tanto, mayor puede ser el daño celular debido al cizallamiento.

Biorreactor de Tanque Agitado (*Stirred Tank*)

Este tipo de reactor realiza la mezcla de manera mecánica.

• Es **antiespuma** y se recomienda para **procesos químicos** porque tiene un mayor **OTR (Oxygen Transfer Rate)**.
• Se puede usar tanto para **enzimas libres como inmovilizadas**, e igualmente con **células**.
• Presenta **altos niveles de cizallamiento** que pueden dañar a las células sensibles.

Reactores Neumáticos (*Pneumatic Gas Bioreactors*)

Existen dos tipos principales: el biorreactor de columna de burbujas (*bubble column*) o el biorreactor *airlift*.

Biorreactor de Columna de Burbujas (*Bubble Column*)

La aireación y la mezcla se logran mediante la dispersión del gas.

• Es **fácil de construir y diseñar**.
• Depende del **comportamiento de las burbujas**.
• Según la velocidad de flujo del gas, se distinguen diferentes tipos de operación:

Tipos de Operación en Columna de Burbujas

• **Operación Ideal**: Flujo homogéneo. Todas las burbujas tienen la misma velocidad de subida y no hay ninguna que descienda para mezclarse.
  • **Perfecto**: todas las burbujas son del mismo tamaño.
  • **Imperfecto**: burbujas de diferente tamaño.
• **Operación a Gran Escala (*Large Scale Operator*)**: Flujo heterogéneo. Las burbujas suben desde el centro, pero hay una corriente que desciende desde las paredes.
  • **Flujo tipo *Slug***: coalescencia entre las burbujas, que se unen para formar burbujas grandes.
  • **Flujo Turbulento**: mezcla aleatoria de gradientes y la operación no se puede controlar.

Por tanto, la relación entre el diámetro y la velocidad del gas influye en el tipo de flujo:

• **Diámetro pequeño y alta velocidad** → Flujo tipo *slug*.
• **Diámetro grande y alta velocidad** → Flujo turbulento.
• **Diámetro de cualquier tipo y velocidad baja** → Flujo ideal.

Limitaciones del Biorreactor de Columna de Burbujas

• Se arrastra **líquido con las burbujas**.
• **Limitaciones del OTR (Oxygen Transfer Rate)** → se modifica el **OUR (Oxygen Uptake Rate)**.
• **Difícil predecir el comportamiento a gran escala**, ya que varía mucho con respecto a la escala de laboratorio.

Biorreactor *Airlift*

En este reactor, el líquido y el gas se separan por densidades. El flujo asciende y el líquido desciende.

• Tiene un **mejor grado de mezcla** que la columna de burbujas.
• En la zona del distribuidor (*sparger*), la mezcla asciende, y en la parte donde no está, el líquido desciende.
• Es recomendable para **células sensibles al cizallamiento** (animales, plantas, cultivos celulares) y procesos que impliquen un calor elevado.
• **No es apropiado para cultivos viscosos**.

Biorreactores con Biocatalizador Inmovilizado

En estos sistemas, la mezcla se obtiene de manera hidráulica.

• Recomendable para **células sensibles al cizallamiento**.
• Es difícil mantener **condiciones uniformes**.
• Facilita el **procesamiento *downstream*** y la purificación.

Biorreactor de Lecho Fijo (*Fixed-Bed*)

La fase gaseosa proviene del metabolismo celular. La transferencia de masa viene determinada por el reciclado del líquido.

• **Bajo reciclado**: gradientes que afectan la calidad y viabilidad del producto.
• **Alto reciclado**: afecta negativamente la formación del producto.

Hay aireación en un *conditioning vessel* para evitar la coalescencia. No se puede aplicar en bioprocesos que generan una gran cantidad de gases. Es difícil determinar el número de células viables.

Biorreactor de Lecho Fluidizado (*Fluidized-Bed*)

Es similar al de lecho fijo, pero se le añade un flujo ascendente (*upflow*) para obtener un mayor flujo de líquido y evitar atascos y gradientes.

• **Limitación**: cuando las partículas tienen una velocidad de sedimentación menor que la del líquido, ya que no pueden sedimentar.
• Se puede operar a **gran escala**.
• Se puede usar el *conditioning vessel* para evitar la coalescencia.

Biorreactores para Cultivos Celulares Animales

La operación a gran escala representa un gran reto.

Desafíos y Soluciones en Cultivos Celulares Animales

1. Son de gran tamaño y crecen lentamente.
2. Es difícil mantener la esterilidad.

• Tienen una **baja tasa de reacción (Rx)**, lo que se soluciona manteniendo una concentración de productos alta.
• Necesitan **muchos nutrientes**, lo que se soluciona añadiéndolos de forma controlada.
• **Metabolitos tóxicos**, lo que se soluciona eliminando los productos tóxicos.
• Muy **sensible al ambiente**, lo que se soluciona con condiciones homogéneas y controladas.
• Muy **sensible al cizallamiento**, lo que se soluciona con una baja agitación y aireación.
• Necesita una **superficie grande**, lo que se soluciona inmovilizando las células o cultivándolas en suspensión.

Las **células en suspensión** utilizan **biorreactores de tanque agitado (*stirred tank*)** y **biorreactores *airlift***.

Las **células adherentes** utilizan **biorreactores de lecho fijo (*fixed bed*)** y **biorreactores de lecho fluidizado (*fluidized bed*)**.

Aireación en Cultivos Celulares Animales

Es el mecanismo para suministrar **oxígeno (O2)** a la célula. Influye en diversas condiciones de operación, por lo que al medir variables, no solo se depende de la cinética, sino también de la geometría, el diámetro, etc.

Una **alta tasa de aireación (*aeration rate*)** puede, paradójicamente, llevar a más muertes celulares si las burbujas son numerosas y las células se adhieren a ellas, provocando daño por cizallamiento al romperse.

Si las burbujas son grandes, son más flexibles y producen menos daño celular. Además, las burbujas grandes liberan menos energía al romperse en la superficie del líquido, por lo que las pequeñas son más agresivas.

La altura y el diámetro del reactor determinan la **velocidad superficial del gas**. La **presión hidrostática** no es la misma dentro de la columna que en la superficie. Las burbujas pequeñas se encontrarán en la parte inferior debido a la mayor presión que sufren.

Minimización del Daño por Aireación

• **Protectores celulares**, aunque estos compuestos adicionales podrían dificultar el proceso *downstream*.
• Minimizar el **tiempo de exposición a las burbujas**.
• **Microporos** o **difusión a través de un tubo de silicona** para evitar la oxigenación que forme burbujas.
• **Aireación superficial** agitando el tubo con un Erlenmeyer.
• **Microcarriers**, que son células inmovilizadas en cápsulas protectoras y esferas macroporosas.

Tipos Específicos de Biorreactores para Células Animales

Biorreactor de Tanque Agitado (*Stirred Tank*) para Células Animales

Para evitar el problema de las **células anclaje-dependientes (*anchorage-dependent*)** a gran escala, se adapta un crecimiento en suspensión. Para ello, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos geométricos: el **tipo de impulsor (*impeller*)**, una **base curva o convexa**, y el **control de la temperatura** mediante una doble pared con líquido refrigerante para ayudar a controlar la operación y reducir el gradiente.

Modos de Operación

• **Batch (Discontinuo)**: gran tamaño de inóculo y el crecimiento finaliza al consumirse los nutrientes o al inhibirse por productos.
• **Fed-Batch (Alimentado)**: se añade cultivo fresco de manera continua para mantener la reacción y obtener la producción deseada.
• **Chemostat (Quimiostato)**: es difícil alcanzar el estado estacionario (*steady state*) en células animales debido a la gran cantidad de variables.
• **Perfusion (Perfusión)**: Hay una corriente de entrada y de salida, pero una barrera física impide que la biomasa salga, es decir, solo sale el medio de cultivo. Las células se acumulan en el reactor, facilitando la purificación posterior. Dos sistemas principales son:
  • **Spin filter (Filtro rotatorio)**: membrana con el tamaño de poro deseado; las células crecen dentro de una cesta mientras el medio fluye libremente. El límite técnico está en la durabilidad de la cesta.
  • **Dialysis perfusion (Perfusión por diálisis)**: la membrana retiene componentes de alto peso molecular y permite la eliminación de componentes de bajo peso molecular.

Biorreactor *Airlift* para Células Animales

No tiene eje mezclador, lo que reduce el riesgo de contaminación y crea un ambiente menos agresivo. Sin embargo, su comportamiento no es muy predecible, ya que está acoplado a la transferencia de masa, y es difícil de escalar.

Uso de *Microcarriers* en Células Animales

Buscan estabilizar el proceso mediante la inmovilización de células adherentes y en suspensión utilizando esferas microporosas.

• Disminuyen el **estrés por cizallamiento**, por lo que no es necesario añadir sustancias protectoras.
• Si hay una zona con gran densidad celular, se pueden generar **zonas necróticas**.

Biorreactor de Lecho Fijo (*Fixed-Bed*) para Células Animales

El diámetro del lecho (*beam*) es >1 mm.

Presenta bajas fuerzas de cizallamiento, por lo que la concentración de células en suspensión es baja.

• **Flujo radial**: el espacio del reactor es menor y se reducen los gradientes, ya que hay menos espacio para cambiar propiedades.
• **Flujo axial**: entrada longitudinal del líquido y sólido en diferentes puntos y direcciones.

Biorreactor de Lecho Fluidizado (*Fluidized-Bed*) para Células Animales

El diámetro del lecho (*beam*) es <1 mm.

Hay una gran **transferencia de masa** debido al movimiento de células y líquido. No tiene aireación, por lo que las fuerzas de cizallamiento son bajas.