Biorreactores: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones en Biotecnología

Biorreactores: Fundamentos y Aplicaciones

Un biorreactor es el recipiente donde se realiza el cultivo. Su diseño debe asegurar un ambiente uniforme y adecuado para los microorganismos, buscando:

• Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
• Mantener constante y homogénea la temperatura.
• Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
• Suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo.
• Mantener el cultivo puro.

Tipos de Biorreactores

• Tanque agitado
• Columnas o tubulares (burbujeo, sustrato sólido, entre otros)
• Loop (Air lift, Jet)
• Lecho empacado
• Lecho fluidizado
• Biopelículas
• Membrana

Tipos de Flujo

• Circular
• Axial
• Radial

El tipo de flujo depende de:

• Diseño de la paleta
• Propiedades del fluido
• Tamaño y proporciones del recipiente, bafles y agitador

Columnas de Burbujeo

• Estructura sencilla
• Agitación por inyección de aire
• Bajo shear stress
• Adecuado rendimiento de transferencia de materia y calor
• Bajo costo

Usos: Producción de levaduras de panificación, cerveza, vinagre, tratamiento de aguas residuales.

El flujo depende de:

• Caudal de aire
• Diseño del difusor
• Diámetro de la columna
• Propiedades del líquido

Loop “Air Lift”

• Estructura sencilla
• Agitación por inyección de aire
• Separación física de las corrientes ascendentes y descendentes

Usos: Cultivo de células animales, vegetales, procesos con catalizadores inmovilizados, producción de proteínas unicelulares a partir de metanol y tratamiento de aguas residuales.

Reactor de Lecho Empacado

• Las partículas deben ser incompresibles.
• El medio de recirculado debe ser límpido.
• La aireación no debe realizarse en el lecho empaquetado (columna).
• No apto para procesos productores de gas.

Usos:

• Producción de aspartato y fumarato.
• Conversión de penicilina a 6-aminopenicilánico.
• Resolución de isómeros de aminoácidos.

Reactor de Biopelícula

El contaminante es obligado a atravesar una capa de material húmedo donde se ha desarrollado una biopelícula (biofilm) de microorganismos sobre una superficie.

• Asociación de microorganismos adheridos a una superficie
• En condiciones naturales los microorganismos tienden a formar biofilms espontáneamente.
• El desarrollo de los microorganismos trae como consecuencia una estratificación fisiológica del biofilm.

Formación de un Biofilm

• Acondicionamiento del medio soporte por adsorción de moléculas orgánicas
• Transporte de microorganismos desde el seno del agua hasta el medio soporte
• Parte de los microorganismos quedan adsorbidos permanentemente
• Estas bacterias crecen a expensas del sustrato
• Se produce un crecimiento del biofilm y una producción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) de origen microbiano
• Estas EPS facilitan la adhesión de nuevas células y material particulado al biofilm
• Separación de parte o porciones del biofilm (sloughing off) por procesos físicos

Composición de un Biofilm

• Microorganismos adheridos a un material soporte
• Matriz de exopolímeros orgánicos de origen microbiano
• Materias en suspensión inorgánicas adheridas

Uso de los Biofiltros

• Remoción de malos olores de plantas de tratamiento de aguas.
• En la industria alimentaria
• En la industria de aromas y sabores.
• En la Industria de pinturas, fotografía, etc.