CONFIGURACIONES DE LOS BIOREACTORES

10. Selección, ampliación, operación y control de

biorreactores

El Capítulo 9 , “ Consideraciones operativas para biorreactores para

suspensión y cultivos inmovilizados ”, se centró en las descripciones
idealizadas de biorreactores homogéneos con respecto al modo de
operación (lote, alimentación discontinua, continua y multietapa) y
discusiones generalizadas de reactores heterogéneos (sistemas
celulares inmovilizados y Fermentación en estado sólido [SSF]). Los
procesos reales exigen una mayor comprensión de los detalles de la
configuración del reactor. Sería imposible en un libro de este tipo
proporcionar toda la información necesaria para convertirse en un
ingeniero de diseño, pero este capítulo presenta algunos de los
conceptos que impulsan la elección de los biorreactores reales. Nuestro
enfoque es principalmente en reactores para bacterias y
hongos; Algunos de los problemas del reactor especial para el cultivo de
tejidos de células animales y vegetales se manejan enCapítulo 12 ,
“ Consideraciones sobre bioprocesos en el uso de cultivos de células
animales ”, y Capítulo 13 , “ Consideraciones sobre bioprocesos en el
uso de cultivos de células vegetales”.

10.1. LA AMPLIACIÓN Y SUS

DIFICULTADES.
¿Por qué el rendimiento de un cultivo de hongos que hace que un antibiótico
sea tan diferente a 10.000 l que a 10 l? A primera vista, podría no estar claro
por qué el rendimiento debería cambiar con la escala. Las respuestas se
encuentran en la dificultad de mantener la homogeneidad en grandes sistemas,
los cambios en las relaciones de superficie a volumen y los cambios en los
propios cultivos debido a las diferencias en los microentornos. Para entender
los problemas enEn cuanto a la ampliación, primero debemos describir qué
son los buques de cultura tradicionales y cómo se operan.

10.1.1. Resumen de los tipos de reactores tradicionales

En lugar de enumerar la gran variedad de diseños sugeridos de fermentadores
y biorreactores, nos limitamos a considerar algunos tipos básicos:
• Reactores con agitación mecánica interna.
• Columnas de burbujas , que se basan en el gaseado para agitar
• Reactores de bucle , en los cuales la mezcla y la circulación de líquidos
son inducidas por el movimiento de un gas inyectado, por una bomba
mecánica o por una combinación de ambas.
Aunque el fermentador y el biorreactor a menudo se usan
indistintamente, algunos profesionales usan el "biorreactor"
principalmente para cultivos de células animales. Aquí utilizamos
“fermentador” para referirnos a cultivos microbianos o fúngicos y al
“biorreactor” como un término amplio que incorpora cualquier sistema
para cultivar células vivas.
Los tres tipos de reactores (ver la figura 10.1 para los esquemas)
invariablemente están relacionados con reacciones trifásicas (gas-
líquido-sólido). Los reactores descritos aquí están hechos de materiales
que permiten un uso repetido. Los reactores trifásicos son difíciles de
diseñar, ya que la transferencia de masa de los componentes entre las
tres fases debe controlarse. Las herramientas inadecuadas para la
mecánica de fluidos complejos en tales sistemas, junto con la
naturaleza compleja de las células como sólidos reactivos, hacen que la
predicción del rendimiento del sistema sea muy difícil.
Figura 10.1. Tipos de biorreactores. (a) reactor de tanque de agitación, (b) reactor de columna
de burbujas, (c) reactor de bucle de puente aéreo con tubo de aspiración central, (d) reactor de
bucle de hélice, y (e) reactor de bucle de chorro. Las flechas indican patrones de circulación de
fluidos. (Con permiso, de DN Bull, RW Thoma y TE Stinnett, Adv. Biotechnol. Processes I , 1,
1985, y Alan R. Liss, Inc., Nueva York).

10.1.2. Reactores con agitación mecánica interna

$$$
El fermentador tradicional es el reactor de tanque agitado ( Figura 10.2 ), el
primer ejemplo de un reactor con agitación mecánica interna. Las principales
virtudes de tales sistemas es que son altamente flexibles y pueden
proporcionar alta k  L un valores para la transferencia de gas (coeficiente de
transferencia de masa volumétrica). Se utilizan reactores con agitación de
hasta 400 m 3 en la producción de antibióticos, con potencias de agitación de
hasta 5 kW / m 3 . Los reactores con agitación pueden usarse comercialmente
hasta viscosidades de aproximadamente 2000 centipoises (2 Pa sec). Los
sistemas de tanque de agitación para el cultivo de células animales y vegetales
suelen ser mucho más pequeños que para los sistemas microbianos. Un reactor
de 20 m 3 es el límite superior utilizado para células animales y 75 m 3. Para las
células vegetales.
Figura 10.2. (a) Agitador mecánicamente agitado de 100.000 litros. (Con permiso, de S. Alba,
AE Humphrey, y NF Millis, Biochemical Engineering , 2ª ed., University of Tokyo Press,
Tokio, 1973.)

Figura 10.2. (b) Instalación de fermentador agitado mecánicamente: S, vapor, C, condensado,

W, agua y A, aire. Las líneas de vapor permiten la esterilización in situ de válvulas, tuberías y
sellos. El aire de entrada puede ser esterilizado por incineración y filtración. (Con permiso, de
W. Crueger y A. Crueger, Biotechnology: A Textbook of Industrial Microbiology , R.
Oldenbourg Verlag, München, Alemania, 1984. Con permiso de Science Tech Publishers.)

El gas a presión se suministra al rociador (generalmente un anillo o

disco con orificios o un tubo con un solo orificio). El tamaño de las
burbujas de gas y su dispersión en todo el tanque son fundamentales
para el rendimiento del reactor. Aunque un anillo de rociado
inicialmente proporcionará un tamaño de burbuja más pequeño y una
mejor distribución del gas, los rociadores con un solo punto de
descarga son más resistentes al taponamiento.
La dispersión de gases es una función no solo del rociador sino también
del impulsor . El impulsor debe proporcionar una agitación lo
suficientemente rápida como para dispersar burbujas en todo el
tanque, para aumentar su tiempo de residencia dentro del líquido, y
para cortar burbujas más grandes en burbujas pequeñas. Demasiada
agitación puede ser perjudicial, debido a lala sensibilidad al cortante
exhibida en diversos grados por algunas células (p. ej., células
animales) y la estratificación de los contenidos del reactor con sistemas
de impulsores múltiples. Aunque se ha propuesto una amplia variedad
de diseños de impulsores, las opciones predominantes son impulsores
de disco y turbina, y para sistemas celulares con altos niveles de
sensibilidad al corte, los impulsores marinos y de paletas son de
particular interés.
El impulsor Rushton ( Figura 10.3 ) es un disco con típicamente entre
seis y ocho cuchillas diseñadas para bombear el fluido en una dirección
radial. Hasta mediados de la década de 1980, el impulsor Rushton era
la opción de diseño predominante, y se encuentra comúnmente en
fermentadores industriales y de laboratorio. Los impulsores de aceite
de flujo axial se han vuelto cada vez más populares. Los sistemas de
flujo axial pueden bombear líquido hacia abajo o hacia arriba. Se ha
demostrado que ofrecen un rendimiento superior (en comparación con
los impulsores de flujo radial de Rushton) con respecto a las menores
demandas de energía para el mismo nivel de transferencia de
oxígeno.Además, muestran velocidades de corte máximas reducidas, lo
que las hace utilizables con cultivos sensibles como las células
animales, a la vez que son capaces de un excelente rendimiento con
fermentaciones miceliales viscosas. Los sistemas de flujo axial rompen
la compartimentación que a menudo se observa con varios impulsores
de flujo radial en el mismo eje. Algunas veces se utilizan combinaciones
de sistemas de impulsores de flujo axial y radial. Para aumentar la
mezcla y la dispersión de gas, se emplean deflectores. Una disposición
típica incluye cuatro deflectores, el ancho de cada uno es de
aproximadamente 8% a 10% del diámetro del reactor. Con los cultivos
celulares de animales, los deflectores causan daños por
cizallamiento; En lugar de deflectores, se pueden usar impulsores
axiales de accionamiento inferior ligeramente desplazados del centro.

Figura 10.3. Flujo de líquido en tanques embotellados con (A) impulsores de flujo radial
Rushton y con (B) impulsores de hidroplano de flujo axial.

El recipiente en sí es casi siempre de acero inoxidable. El tipo 316 se

usa en todas las partes húmedas, el tipo 304 en las cubiertas y
chaquetas. Con cultivos de tejidos celulares animales y vegetales, unLa
versión baja en carbono (tipo 316L) se usa a menudo. Muchos
fermentadores de banco son recipientes de vidrio con placas de
cubierta de acero inoxidable. Los fermentadores de vidrio rara vez se
utilizan en la escala de 50 l, y las consideraciones materiales limitan el
tamaño máximo de los vasos de vidrio a aproximadamente 500 l. El
uso de acero inoxidable y vidrio se debe a la necesidad de esterilizar el
reactor y la naturaleza corrosiva y / o abrasiva de muchos medios de
fermentación.
La mayoría de los fermentadores se construyen con una relación de
altura a diámetro de 2 a 3, aunque para los biorreactores de células
animales, esta relación tiende a ser más cercana a 1. El impulsor
Rushtonel diámetro suele ser del 30% al 40% del diámetro del tanque,
mientras que para los impulsores de perfil de aceite de flujo axial puede
alcanzar el 50%. En reactores grandes, las dos limitaciones principales
en cuanto al tamaño son las capacidades del diseño para proporcionar
un suministro adecuado de oxígeno y eliminar el calor metabólico de
manera eficiente. Los reactores grandes usualmente usan bobinas
internas para la remoción de calor o un recipiente con camisa. Aunque
las bobinas de cobre tienen mejores características de transporte
térmico, las bobinas de acero inoxidable casi siempre se usan, pero esta
elección puede depender de la naturaleza de los medios y la
cultura. Las bobinas internas proporcionan ventajas sobre los
recipientes encamisados en términos de eficiencia de eliminación de
calor, debido a la mayor área de superficie para la transferencia de
calor. Sin embargo, en muchos sistemas, las bobinas se ensucian
rápidamente por el crecimiento microbiano, disminuyendo la
transferencia de calor y, a menudo, afectando adversamente la mezcla y
el mantenimiento de la esterilidad. En tales casos, los buques
encamisados ofrecen ventajas.
Otro problema frecuente en las fermentaciones comerciales es
la formación de espuma . Si la espuma se escapa del fermentador,
puede humedecer los filtros, aumentando la caída de presión y
disminuyendo el flujo de gas. De mayor preocupación es que
proporciona una vía para que las células contaminantes entren al
fermentador. Para la mayoría de los productos de interés comercial, se
requiere esterilidad absoluta y la contaminación puede causar la
pérdida de mucho producto, tiempo y dinero. La espuma se puede
controlar con un triturador mecánico de espuma o con la adición de
agentes químicos tensioactivos. Aunque tales productos químicos
pueden ser muy efectivos para controlar la espuma, existen
sanciones. Productos químicos de desintegración de espuma por lo
general inferior k  L unaLos valores reducen la capacidad del reactor
para suministrar oxígeno u otros gases, y en algunos casos pueden ser
inhibidores del crecimiento celular. La formación de espuma no se
conoce bien, pero los medios complejos o la formación de altos niveles
de polímeros extracelulares (por ejemplo, proteínas) tienden a
promover la formación de espuma. La espuma puede limitar la
productividad final de un fermentador. Todos los fermentadores de
tanque agitado proporcionan espacio para la cabeza para que el gas se
desprenda del líquido. El volumen de trabajo (la cantidad de cultivo)
en un fermentador es típicamente alrededor del 75% del volumen total
del fermentador.
Esterilidades una consideración primordial de diseño para el hardware
del fermentador. El vapor a presión se utiliza para la esterilización in
situ del reactor, sellos, sondas y válvulas. El número de aberturas en el
fermentador debe limitarse a lo que es esencial. Es necesario un
compromiso entre el uso de muchas sondas, lo que mejora el control
del fermentador, y de pocas sondas, lo que mejora las posibilidades de
mantener la esterilidad. Las aberturas pequeñas se hacen a prueba de
fugas con juntas tóricas, mientras que las juntas planas son
satisfactorias para aberturas más grandes. Aunque los pequeños
fermentadores pueden usar agitadores acoplados magnéticamente, los
fermentadores de tamaño industrial tienen ejes móviles que deben
penetrar en el fermentador. La prevención de la contaminación debida
a la entrada de organismos extraños a través de un pozo de este tipo es
un desafío importante en el diseño mecánico de los fermentadores. Los
sellos de la caja de relleno son comunes en fermentadores
viejos, Mientras que los sellos mecánicos dobles se utilizan en los más
nuevos. Todas las superficies deben ser lisas. Las grietas en la
superficie del tanque, tuberías y válvulas pueden atrapar grandes
cantidades de partículas orgánicas y organismos contaminantes. Estos
grupos de células aumentan las posibilidades de que un contaminante
sobreviva al procedimiento de esterilización. La limpieza de todas las
superficies es importante.
La limpieza generalmente se realiza "en el lugar" y el diseño del
fermentador incluye bolas de rociado para permitir la tecnología de
limpieza en el lugar (CIP). A menudo se usan detergentes altamente
alcalinos, y este factor ayuda a dictar la selección de materiales. Las
superficies, especialmente en biorreactores para cultivos de tejidos
vegetales o animales, a menudo se someten a electropulido, un proceso
electrolítico que elimina las proyecciones microscópicas afiladas que a
menudo resultan del pulido mecánico. Todos los puertos y válvulas
involucrados en el muestreo y la inyección deben protegerse con cierres
esterilizables con vapor. La aplicación de un flujo continuo de vapor
vivo a las válvulas de muestra es una estrategia que a menudo se aplica
en plantas de antibióticos.

10.1.3. Columna de burbujas y reactor de bucle

La misma preocupación por la esterilidad se aplica a las columnas de burbujas
y a los reactores en bucle (por ejemplo, airlift). Las columnas de burbujas
ofrecen distintas ventajas para algunos sistemas. Son adecuados para caldos
newtonianos de baja viscosidad; La mezcla satisfactoria puede no ser posible
en caldos muy viscosos. Las columnas de burbujas proporcionan una mayor
eficiencia energética que los sistemas de tanque agitado; por eficiencia
energética nos referimos a la cantidad de oxígeno transferido por unidad de
potencia de entrada. Una ventaja adicional que a menudo se menciona para las
columnas de burbujas es que proporcionan un entorno de bajo esfuerzo
cortante, lo que puede ser una consideración crítica con algunas celdas. Sin
embargo, las células tienden a acumularse en la superficie de la burbuja, y la
explosión de la burbuja es altamente perjudicial para las células. La ausencia
de agitación mecánica también reduce el costo y elimina un posible punto de
entrada para contaminantes.
Además de tener capacidades de mezcla menos vigorosas que los
tanques agitados, el funcionamiento de la columna de burbujas a
menudo está limitado por consideraciones de formación de espuma y
coalescencia de burbujas. Debido a la coalescencia de burbujas, las
columnas de burbujas funcionan en un rango bastante estrecho de
caudales de gas. El rango de flujos de gas apropiados varía con la
naturaleza del caldo. Así, las columnas de burbujas son menos flexibles
que los tanques agitados. El alivio parcial del problema de la
coalescencia se puede encontrar usando columnas de varias
etapas; Cada etapa (placa perforada) actúa para redistribuir el flujo de
gas. Esta redispersión de gas, sin embargo, conlleva una penalización
energética.
Los reactores de bucle tienen características intermedias entre
columnas de burbujas y tanques agitados. Consideramos
principalmente el sistema de transporte aéreo ( Figura 10.1 ) en el
queEl movimiento del gas lleva fluido y las células suben por un tubo
de aspiración. En la parte superior, el gas se desprende del líquido y el
líquido desgasificado (que es más denso que el líquido gaseado)
desciende en el anillo fuera del tubo. En la parte inferior del reactor, el
fluido descendente se encuentra nuevamente con la corriente de gas y
regresa por el tubo de aspiración. Los sistemas de transporte aéreo
generalmente pueden manejar fluidos algo más viscosos que las
columnas de burbujas, y la coalescencia no es un problema tan
grande. El fermentador más grande (1500 m 3 ) jamás construido (por
ICI) es un diseño de transporte aéreo para la producción de proteína
unicelular. Con fermentadores muy grandes (> 200 m 3), se prefiere el
uso de diseños no mecánicamente agitados, ya que se pueden lograr
altas tasas de transferencia de oxígeno y un mejor enfriamiento. Con un
diseño de puente aéreo, el intercambio de material entre elementos
fluidos es pequeño, por lo que el tiempo transitorio para circular desde
la parte inferior del tubo de tiro hacia la parte superior y hacia atrás es
importante. En el diseño de ICI, se utilizan múltiples puntos de
inyección para el sustrato para evitar que las células se conviertan en
sustrato sin alimento durante la circulación. La adición de agitación
mecánica a un reactor de circuito aumenta la flexibilidad (el rango de
operación).
Aunque centramos nuestra atención en los tanques agitados, nos
damos cuenta de que la mayoría de las fermentaciones anaeróbicas (en
términos de volumen total) se llevan a cabo en recipientes no
arrancados y no remolcados. Dichos recipientes se usan a menudo en
fermentaciones de alimentos, como cerveza, vino y productos lácteos
(por ejemplo, queso). En las fermentaciones anaeróbicas, la evolución
del gas por parte de los organismos fermentadores puede proporcionar
cierta mezcla, pero los gases normalmente no se introducen en el
recipiente. Sin embargo, los recipientes agitados y / o aireados se
utilizan en una variedad más amplia de fermentaciones (en términos de
número de procesos), son más difíciles de escalar y es más probable
que se elijan para la producción de nuevos productos.

10.1.4. Biorreactores de un solo uso

Durante los últimos 15 años, la industria ha comenzado a utilizar biorreactores
de un solo uso (o "desechables") en lugar de los sistemas reutilizables
tradicionales. El uso de estos sistemas se enfoca en productos de alto valor,
como los que se producen típicamente a partir de cultivos de células animales
donde el tamaño del reactor es modesto. Los avances que han aumentado la
productividad por celda a menudo pueden apoyar el uso de biorreactores de
tamaños modestos (orden de 100 l) y son particularmente atractivos para las
células madre humanas. Sin embargo, esta tecnología también se ha utilizado
con sistemas microbianos.
Los biorreactores de un solo uso se hacen típicamente de plásticos
aprobados por la FDA (por ejemplo, policarbonato, poliestireno y
otros). El contenedor de cultivo se entrega premontado y estéril y está
"listo para usar". Después de su uso, la cámara de cultivo se
descontamina y se desecha. Las ventajas de esta tecnología incluyen
una rápida ampliación e implementación debido a que no se requieren
procedimientos de esterilización / limpieza y su validación. Dado que
las restricciones reglamentarias en la industria farmacéutica,
particularmente en lo que respecta a la limpieza, son tan exigentes, la
tecnología de un solo uso ofrece una gran ventaja. También conduce a
una gran flexibilidad de procesos y capacidad de respuesta a los
cambios del mercado, costos reducidos (especialmente los costos
iniciales de capital se reducen varias veces) y mejoras en la
bioseguridad. Existen desventajas potenciales en términos de
problemas con los químicos que pueden filtrarse del plástico y
contaminar el producto y la estabilidad mecánica del plástico. También
es limitante la capacidad de transferencia de oxígeno de los sistemas
desechables, así como el grado de mezcla, que limita la concentración
celular efectiva alcanzable. La tecnología de sensores para uso en
productos desechables se retrasa y es otralimitación. El tamaño
máximo es del orden de 2 m 3 (2000 l), aunque se están haciendo
esfuerzos para aumentar el tamaño máximo utilizable.
Los biorreactores desechables típicamente son impulsados
mecánicamente ya sea por medios externos o internos. Un ejemplo de
un sistema accionado externamente es el uso de una bolsa de cultivo en
una plataforma de balancines (por ejemplo, WAVE Bioreactor). El
balancín puede impactar el movimiento oscilatorio, lo que resulta en
una "onda". Otros movimientos, como las plataformas rotativas,
vibratorias o "sacudidas", son posibles. Una categoría de sistemas
impulsados internamente implica el uso de una bolsa de cultivo con un
agitador giratorio interno acoplado magnéticamente a la plataforma
externa o un recipiente cilíndrico rígido con un agitador acoplado
mecánicamente. Otra categoría es la de recipientes con agitación
neumática. También existen sistemas híbridos con mezcla mecánica y
pre-neumática. Si bien la mayoría de estos sistemas se usan
principalmente para células animales, algunos (por ejemplo,
La tecnología desechable se está desarrollando no solo para
biorreactores sino también para preparación de medios y tampones,
filtración e incluso cromatografía. Esta tendencia se debe, en parte, a
los mismos problemas que al desarrollo de biorreactores desechables.
Los principios para el diseño del reactor, basados principalmente en la
aireación, agitación y transferencia de calor, son los mismos para los
biorreactores desechables y permanentes, aunque los detalles pueden
variar debido a las diferencias en la geometría y los detalles de cómo
entra el oxígeno y cómo sale el dióxido de carbono del reactor. En la
siguiente sección, abordamos estos temas.

10.1.5. Consideraciones en aireación, agitación y

transferencia de calor.
Las ecuaciones básicas que describen la transferencia de oxígeno, la evolución
del dióxido de carbono y la generación de calor mediante el crecimiento
microbiano se encuentran en el Capítulo 6 , “ Cómo crecen las células ”. Para
los fermentadores a escala industrial, el suministro de oxígeno y la
eliminación de calor son las consideraciones clave del diseño.
La severidad de los requerimientos de oxígeno depende de la elección
del organismo. La ecuación 6.21se puede reescribir como

donde q  o   es la tasa de captación específica de oxígeno (mol O 2 /

2

gh). Los valores típicos de q  o   se dan en la Tabla 10.1 . El valor de q  o   (o
2 2

tasa de consumo de oxígeno OUR) es el lado de la demanda de la

ecuación; Los requisitos típicos en sistemas a gran escala son de 40 a
200 mmol O 2 / lh, con la mayoría de los sistemas en el rango de 40 a
60 mmol O 2 / lh.
En el lado de la oferta, el parámetro crítico es k  L a (h –1 ), el coeficiente
volumétrico de transferencia de oxígeno. Se ha sugerido una amplia
gama de ecuaciones para la estimación de k  L a . Las referencias al final
de este capítulo detallan algunas de estas correlaciones. Una
correlación típica tiene la forma.

donde k es una constante empírica, P  g es el requisito de potencia en un

biorreactor aireado (gaseado), V  R es el volumen del biorreactor, v  s es
la velocidad de salida del gas superficial y N es el Velocidad de rotación
del agitador. Con las ecuaciones de la forma de la ecuación 10.2a , todos
los parámetros deben estar en las unidades requeridas por la
correlación. A continuación se muestra un ejemplo de una de las
correlaciones originales de este tipo (cuando se usan presiones
parciales):

Un valor de P  g se puede estimar a partir de otras correlaciones, como

las siguientes:

donde K es una constante basada en la geometría del reactor, P  u es la

potencia requerida en el fermentador sin gas, D  i es el diámetro del
impulsor y Q es la tasa de aireación (volumen de gas suministrado por
minuto dividido por el volumen de líquido en el reactor) .