Biorreactores: Protagonistas de los bioprocesos

Escrito por Sergio Hernández-Ixta y Juan Carlos González-Hernández

Los bioprocesos usan a los microorganismos para convertir materia prima barata o deshechos en materia valiosa. Para lograr esta labor, es necesario el uso de biorreactores, espacios donde los microorganismos se reproducen, crecen, trabajan, e incluso mueren, por lo tanto, el estudio de los biorreactores debe considerar múltiples variables de diseño, operación y monitoreo que aportan un entendimiento de los fenómenos fisicoquímicos y bioquímicos que suceden en el mismo para optimizar el crecimiento celular

Generalidades de los Bioprocesos y Biorreactores

La evolución de la ingeniería química y la demanda del mercado han hecho posible que cada día se formulen nuevas formas de obtener productos de valor o procesos para prestar un servicio, aunado con los acuerdos internacionales de sustentabilidad. Los bioprocesos son una forma de integrar los conocimientos ingenieriles y biotecnológicos en un mismo lugar. El espacio donde convergen ambos factores es denominado «biorreactor».

Un biorreactor es un dispositivo mecánico que suministra energía, nutrientes y mantiene constante las variables fisicoquímicas óptimas para el crecimiento microbiano. En la Figura 1 se observan los componentes más comunes en un biorreactor, los cuales tienen comportamientos definidos y predecibles por las correlaciones de diseño y por los fenómenos de transporte, es decir, con ecuaciones preestablecidas se puede conocer su comportamiento a diferentes escalas.

Figura 1. Partes del Biorreactor tipo Batch (Hernández-Ixta).

Para lograr que un biorreactor sea eficiente, viable comercialmente y escalado a nivel industrial, se deben conocer las variables de operación que influyen en la eficiencia del biorreactor, ya que los parámetros de operación mejoran o retardan el crecimiento celular, el cual es la variable más importante en un biorreactor debido a que el tiempo que dura en multiplicarse un microorganismo y conseguir una concentración celular adecuada de operación, es un obstáculo para la viabilidad de varios proyectos que involucren a los microorganismos en la industria. A pesar de ello, existen varios ejemplos de éxito que demuestran que los bioprocesos son viables, rentables, innovadores y necesarios para nuestra vida cotidiana. Un ejemplo es la producción de cerveza, insulina, vinagre, yogurt, antibióticos, hormonas, entre muchos otros productos de interés para diversas industrias.

 

Variables que influyen en el crecimiento microbiano

pH y temperatura. Existen diferentes variables que inhiben o incrementan el crecimiento y actividad metabólica que llevan a cabo los microorganismos en el biorreactor. Las variables de temperatura y pH son las más conocidas e importantes porque afectan al crecimiento y la supervivencia del microorganismo. Los biorreactores operan comúnmente bajo las condiciones óptimas del microorganismo que esté cultivándose en ese reactor, ya que cada especie biológica tiene un intervalo de pH y temperatura óptima de crecimiento. La función del biorreactor es replicar estas condiciones y mantenerlas constantes frente a los cambios que suceden en el proceso para que el microorganismo crezca normal y apropiadamente.

La temperatura es una variable que influye de manera importante en el crecimiento, pero también es fácil de alterar con diferentes técnicas, aunque en un reactor lo más común es incluir sistemas de calentamiento y enfriamiento según se desee por baño María o por un enchaquetamiento o encamisado. El pH también debe monitorearse continuamente porque es un valor con comportamiento logarítmico, es decir, entre un número y otro hay gran diferencia de iones de hidrógeno. En complemento, el pH es la variable más cambiante respecto al crecimiento, puesto que el valor depende de la temperatura, la aireación, el crecimiento celular, la composición del medio y los niveles de diferentes productos excretados durante el crecimiento. A pesar de que el medio puede ser un poco ácido o básico, el pH interior en la célula debe ser lo más neutro posible con el objetivo de impedir la destrucción de macromoléculas internas. El intervalo común al que debe mantenerse el medio es de un pH de 6 y 8, si el biorreactor opera en un valor demasiado ácido o básico, el crecimiento del microorganismo es inhibido.

Aireación, agitación y mezclado. Otra de las principales variables es la aireación, porque suministra oxígeno o dióxido de carbono a los microorganismos que viven en el biorreactor. La aireación de un gas entrega el alimento a los microorganismos para que crezcan, esta operación es la forma equivalente a la respiración en los humanos, por ello es fundamental en el biorreactor; sin embargo, es compleja porque el gas está en diferente estado al medio acuoso donde estos crecen. Al coexistir diferentes estados de la materia, la solubilidad del gas en el líquido es muy pequeña. En adición, la aireación se complementa con dos variables de operación: la agitación y el mezclado.

La función del mezclado es que todo el alimento que requieren los microorganismos llegue por igual en cualquier parte del biorreactor, mientras que la agitación permite que haya uniformidad y se pueda dispersar al gas con el fin de aprovechar las dimensiones y facilitar el contacto entre el alimento o sustrato y el microorganismo. Este comportamiento de homogeneización se puede ver simulado en la Figura 2 donde se observa un biorreactor con un fluido agitado por aspas.

 

Figura 2. Simulación de la agitación y mezclado en un biorreactor tipo Batch (Tomada y modificada de Uribe, 2012).

 ¿Qué es el KLa?

Para cuantificar la eficiencia de suministro del gas en el medio acuoso bajo agitación, se requiere calcular el valor de KLa que, por definición, es el coeficiente volumétrico de masa. Es decir, es un número que mide la eficiencia de suministro de gas en un biorreactor bajo las dimensiones de diseño y agitación. Se puede afirmar, que entre más grande sea el valor de KLa, mayor cantidad de suministro existe en el biorreactor. Para calcular el valor de KLa, se han estudiado varias ecuaciones experimentales que relacionan el volumen y el consumo de energía del biorreactor, como la velocidad de flujo en la aireación. En complemento, el KLa puede aumentar o disminuir proporcionalmente respecto al mezclado, velocidad del flujo en la aireación, tamaño de la burbuja, entre otros.

En la Figura 3 se observa al biorreactor siendo suministrado con un gas donde se pueden apreciar las variables que influyen en el KLa, este coeficiente debe ser constante cuando se haga un escalamiento ya que se replica el comportamiento de aireación y eficiencia entre el microorganismo y el gas para el crecimiento.

   

Fig. 3. Sistema montado del biorreactor para calcular el coeficiente KLa (Hernández-Ixta).

Oxígeno disuelto y dióxido de carbono disuelto

La entrada de gases en el biorreactor influye e impacta en el crecimiento microbiano porque puede resultar benéfico o perjudicial dependiendo del metabolismo del microorganismo. En microorganismos aerobios, el oxígeno es benéfico para su crecimiento y el dióxido de carbono perjudicial. Por otro lado, en microorganismos fotosintéticos, el oxígeno podría ser perjudicial o indiferente, mientras que su sustrato sería el dióxido de carbono, el cual promueve la asimilación de otros nutrientes presentes en el medio de cultivo para la formación de macromoléculas necesarias para el crecimiento celular y la formación de energía.

 

Los bioprocesos como alternativa sustentable

Son considerados de esta manera por su viabilidad económica e innovadora para introducir productos y servicios menos contaminantes, orgánicos y vanguardistas. Para lograrlo, los biorreactores como sistema combinan ciencias multidisciplinarias que requieren de estudios y pruebas de operación desde varios enfoques como el químico, electrónico y mecánico. En adición, la combinación de estas disciplinas promueve el diseño como el estudio del comportamiento del biorreactor bajo diferentes intervalos de las variables, que optimizan o reducen su rendimiento con el fin de establecer las mejores condiciones de operación.

Finalmente, todo ello tiene el propósito de escalar el prototipo dirigido hacia un bioproceso que pueda aportarnos soluciones a problemáticas ambientales, de salubridad, alimenticias y energéticas que enfrenta el mundo moderno.

 

Montoya-Guzmán, A. D. y Bermúdez-Segura, M. Y. (2003). Modelamiento de la transferencia de oxígeno para el cultivo de microorganismos en un biorreactor de columna de burbujeo [Tesis de Licenciatura]. Universidad Nacional de Colombia.

https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/handle/unal/2787/didierabdresmontoyaguzman.monicayamilebermudezsegura.2003.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Uribe, A., Rivera, R. y Murrieta, E. (2012). Agitación y Mezclado. Revista Enlace Químico, 4(1), 22-28.

http://quimica.ugto.mx/index.php/nyt/article/view/64

 

Eldridge, B. y Kunjapur, A. (2010). Diseño de fotobiorreactor para producción comercial de microalgas. Sociedad Americana de Química, 49(1), 3516-3525.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ie901459u

 

Sergio Hernández-Ixta. Estudiante de Ingeniería Bioquímica en el Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico de Morelia.

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Juan Carlos González-Hernández. Profesor e Investigador de Ingeniería Bioquímica en el Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico de Morelia.

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