Biorreactor: qué es, cómo funciona y cómo elegir según la escala

Un biorreactor es un equipo que mantiene condiciones controladas para que células, microorganismos o enzimas lleven a cabo un proceso biológico, como crecer, fermentar o producir una proteína.

La definición de la IUPAC describe el biorreactor como el aparato utilizado para llevar a cabo cualquier tipo de bioproceso , con el fermentador y el reactor enzimático como ejemplos clásicos.

La importancia de este equipo se refleja en las cifras de la industria. Un análisis publicado en Nature Biotechnology identificó 197 biofármacos aprobados en Estados Unidos y la Unión Europea entre enero de 2018 y junio de 2022, con ventas globales de US$ 343 mil millones en 2021 . Entre los productos recombinantes fabricados mediante sistemas celulares, la mayoría procede de células de mamífero, un tipo de cultivo que depende de biorreactores bien controlados desde el laboratorio hasta la planta de producción.

En esta guía conocerás:

• qué es un biorreactor y para qué sirve;
• cuáles son las partes de un biorreactor y cómo trabajan en conjunto;
• los tipos de biorreactores según su diseño y su escala;
• los modos de operación más utilizados;
• las principales aplicaciones en la industria y la investigación;
• los criterios para elegir el biorreactor adecuado para cada proceso.

Qué es un biorreactor y para qué sirve

Las células y los microorganismos son sensibles a las condiciones de cultivo. Pequeñas variaciones de temperatura, pH u oxígeno pueden modificar la velocidad de crecimiento y la cantidad de producto generado. El biorreactor existe para mantener estas condiciones estables durante todo el cultivo.

Un matraz en un agitador orbital también permite cultivar células, pero ofrece un nivel de control limitado. En un biorreactor, cada variable importante se mide continuamente y se corrige cuando se desvía del intervalo deseado. El resultado es un proceso que puede reproducirse, documentarse y transferirse a volúmenes mayores.

Por esta razón, los biorreactores aparecen en etapas muy diferentes: en el cribado de cepas en un laboratorio de investigación, en el desarrollo de medios de cultivo, en la producción piloto de lotes para estudios preclínicos y en la fabricación industrial de medicamentos, enzimas y alimentos fermentados.

Partes de un biorreactor

A pesar de las diferencias de tamaño y configuración, prácticamente todos los biorreactores están formados por los mismos componentes básicos. Conocer cada uno ayuda a entender por qué dos equipos con el mismo volumen pueden presentar desempeños muy diferentes.

• Recipiente: es el contenedor donde se realiza el cultivo. En equipos de bancada suele ser de vidrio; en escala piloto e industrial, de acero inoxidable. También existen recipientes desechables de un solo uso.
• Sistema de agitación: un motor y uno o más impulsores mezclan el contenido, distribuyen los nutrientes y dispersan las burbujas de gas.
• Sistema de aireación: tubos o difusores introducen aire, oxígeno, nitrógeno o CO ₂ en el medio de cultivo.
• Sensores: sondas que miden temperatura, pH, oxígeno disuelto, espuma, nivel y, en algunos sistemas, biomasa y gases de salida.
• Control de temperatura: camisas, resistencias o dispositivos de refrigeración permiten calentar o enfriar el cultivo.
• Bombas: añaden ácido, base, nutrientes y antiespumante en las cantidades necesarias.
• Software de control: recibe los datos de los sensores, los compara con los valores programados y acciona los actuadores correspondientes.

Estos componentes funcionan como un sistema integrado. Un sensor preciso aporta poco si la bomba de base no responde a tiempo, y una buena agitación pierde valor si el software no registra correctamente los datos del lote. Al evaluar un equipo, es importante considerar el conjunto.

Cómo funciona un biorreactor

El funcionamiento de un biorreactor sigue un ciclo sencillo: medir, comparar y corregir. Los sensores informan sobre el estado del cultivo, el controlador compara esos valores con los puntos de ajuste definidos por el operador y activa el actuador necesario.

Un ejemplo práctico ocurre durante el crecimiento bacteriano. Muchas bacterias producen ácidos que reducen el pH del medio. Cuando el sensor detecta la disminución, el controlador activa la bomba de base hasta que el pH vuelve al valor programado. El mismo principio se aplica al control de temperatura, espuma y oxígeno.

El oxígeno requiere una atención especial. En procesos aeróbicos es un sustrato esencial, pero presenta una solubilidad limitada en medios acuosos. Por ello, debe suministrarse de forma continua y la tasa de transferencia de oxígeno (OTR) debe conocerse para diseñar y escalar biorreactores . La agitación y la aireación existen, en gran medida, para resolver este desafío.

En procesos anaeróbicos, la lógica se invierte: el sistema debe mantener el oxígeno fuera del recipiente, normalmente mediante gasificación con nitrógeno. En todos los casos, el cultivo también debe mantenerse estéril, lo que requiere sellos confiables y un método adecuado de esterilización.

Tipos de biorreactores según el diseño

El diseño determina cómo el biorreactor mezcla su contenido y transfiere oxígeno. Cada configuración se adapta mejor a determinados tipos de células o procesos.

• Tanque agitado: es la configuración más utilizada en cultivos microbianos y celulares. Los impulsores mecánicos proporcionan mezcla y transferencia de masa.
• Columna de burbujas y airlift: el propio gas genera el movimiento del líquido sin una agitación mecánica intensa. Son alternativas adecuadas para células sensibles al cizallamiento.
• Lecho fijo y lecho fluidizado: las células o enzimas permanecen inmovilizadas sobre un soporte mientras el medio circula por el sistema.
• Fotobiorreactor: proporciona iluminación controlada para el cultivo de microalgas y otros organismos fotosintéticos.
• Biorreactor de un solo uso: utiliza un recipiente o bolsa desechable, lo que reduce las operaciones de limpieza entre lotes y el riesgo de contaminación cruzada.

En la práctica, el tanque agitado domina el desarrollo de bioprocesos porque combina una buena mezcla, control preciso y una estrategia de escalado ampliamente estudiada. Esta es la configuración utilizada por los equipos presentados en la siguiente sección.

Tipos de biorreactores según la escala

Un bioproceso rara vez comienza a gran escala. Normalmente empieza con decenas de pequeños experimentos, pasa por pruebas en unos pocos litros, se valida en escala piloto y finalmente llega a producción. En cada etapa cambia la pregunta que debe responderse y, con ella, cambia también el biorreactor más adecuado.

Microbiorreactores: muchos experimentos al mismo tiempo

Los microbiorreactores trabajan con volúmenes que van desde microlitros hasta unos pocos mililitros por pocillo. Su principal ventaja es el paralelismo: decenas de condiciones pueden analizarse simultáneamente, con medición continua, en un único equipo de bancada.

Se utilizan en el cribado de cepas, la optimización de medios de cultivo y las primeras pruebas de estrategias de alimentación. El objetivo es identificar rápidamente qué condiciones justifican avanzar a la siguiente escala.

Dentro de esta categoría se encuentra el BioLector XT de Beckman Coulter. Utiliza placas de 48 pocillos con volúmenes de 800 a 2.400 µL por pocillo, según el tipo de placa y las condiciones de agitación , y mide online biomasa, fluorescencia, pH y oxígeno disuelto. Con el módulo microfluídico opcional, cada pocillo dispone de control independiente de pH y alimentación. Para laboratorios que buscan una automatización más completa, existe la integración del BioLector XT con el manipulador de líquidos Biomek i5 .

Biorreactores de bancada: donde el proceso toma forma

Los biorreactores de bancada trabajan en el rango de unos pocos litros, generalmente con recipientes de vidrio. Es en esta escala donde el proceso se caracteriza con mayor detalle: cinética de crecimiento, estrategias de alimentación y efectos de la agitación y la aireación. También es donde se realizan estudios de scale-down, que reproducen en pequeños volúmenes determinadas condiciones de la producción.

Una diferencia importante entre los modelos de bancada es el método de esterilización. En los sistemas autoclavables, el recipiente se lleva al autoclave y posteriormente se vuelve a conectar. En los sistemas esterilizables in situ, el recipiente se esteriliza directamente en su posición de operación, como ocurre en los equipos industriales.

El RALF de Bioengineering AG pertenece al primer grupo. Es un biorreactor autoclavable de vidrio con capacidades de 1,3 a 4,5 litros y posibilidad de controlar hasta seis biorreactores mediante una única unidad , preparado para procesos batch, fed-batch y perfusión.

El KLF del mismo fabricante pertenece al segundo grupo. Se esteriliza in situ mediante calentamiento eléctrico, lo que resulta útil en laboratorios sin línea de vapor, y ofrece capacidades de 1,6 a 2,5 litros, con recipiente de vidrio o acero inoxidable .

Biorreactores piloto: el puente entre investigación y producción

En escala piloto, el volumen aumenta a decenas o cientos de litros y el recipiente normalmente es de acero inoxidable. El objetivo es confirmar que el proceso se comporta adecuadamente fuera del laboratorio y producir material para estudios preclínicos o clínicos. La limpieza y esterilización automatizadas mediante CIP y SIP, junto con la documentación para entornos regulados, pasan a ser requisitos relevantes.

El NLF fue desarrollado para esta transición. Dispone de capacidades de 11, 13 y 20 litros, recipiente de acero inoxidable, sistemas SIP y CIP automatizados y documentación conforme a FDA y EMA para aplicaciones preclínicas . Para volúmenes mayores, el LP/P cubre capacidades de 28 a 1.000 litros con tecnología GMP, orientada a producción clínica y escalado.

Biorreactores de producción industrial

En escala industrial, cada biorreactor se convierte prácticamente en un proyecto de ingeniería. Los desafíos aumentan con el volumen: mezclar miles de litros de forma homogénea, transferir suficiente oxígeno y eliminar el calor generado por el metabolismo. Por ello, estos sistemas suelen dimensionarse específicamente para el proceso del cliente.

El Biorreactor de Producción cubre capacidades de 30 a 25.000 litros, mientras que las Plantas de Biofermentadores se diseñan a medida para cultivo microbiano en volúmenes de hasta 50.000 litros.

La siguiente tabla resume la relación entre escala, objetivo y equipo:

Un aspecto facilita la transferencia entre estas etapas: según Bioengineering, sus sistemas de laboratorio y piloto utilizan el mismo software BioSCADA que las plantas de producción . Mantener la misma lógica de control entre escalas reduce el número de variables que cambian de una etapa a otra.

Modos de operación del biorreactor

Además del tamaño, la forma en que los nutrientes entran y los productos salen del sistema influye directamente en el resultado del cultivo. Los cuatro modos de operación más comunes son:

• Batch: todos los componentes principales se añaden al inicio y posteriormente no se suministran nutrientes de forma significativa, salvo adiciones como ácido, base o antiespumante necesarias para controlar el proceso. Es un modo sencillo y útil para estudiar el comportamiento básico del cultivo.
• Cultivo fed-batch : los nutrientes se añaden durante el cultivo sin retirar continuamente el medio. Esto permite controlar el crecimiento y alcanzar mayores densidades celulares.
• Continuo: entra medio fresco mientras una parte equivalente del cultivo sale al mismo caudal, permitiendo mantener el sistema en condiciones próximas a un estado estacionario durante períodos prolongados.
• Perfusión: el medio se renueva continuamente mientras las células permanecen retenidas dentro del biorreactor. Es un modo frecuente en cultivos de células de mamífero.

La elección del modo de operación depende del organismo, del producto y de la escala. Muchos procesos industriales de proteínas recombinantes utilizan cultivo fed-batch, mientras que la perfusión gana relevancia cuando el producto es inestable o se busca una elevada productividad en volúmenes menores.

Aplicaciones de los biorreactores

En las industrias farmacéutica y biotecnológica, los biorreactores se utilizan para producir anticuerpos monoclonales, vacunas, proteínas recombinantes, vectores virales, antibióticos y enzimas. Las células de ovario de hámster chino (CHO) constituyen la principal plataforma entre los sistemas de mamífero y, según el mismo análisis de Nature Biotechnology, alcanzan títulos de anticuerpos de 3 a 8 g por litro en escala de producción .

Fuera del sector farmacéutico, los biorreactores se utilizan en la producción de probióticos, levaduras, enzimas industriales e ingredientes alimentarios, así como en el cultivo de microalgas, la producción de biocombustibles y el tratamiento biológico de efluentes. En investigación académica son herramientas para estudiar el metabolismo microbiano y desarrollar nuevos procesos.

Cómo elegir un biorreactor

No existe un biorreactor que sea el mejor en términos absolutos. Existe el equipo más adecuado para el organismo, la etapa de desarrollo y las exigencias de cada proceso. Estos son algunos de los criterios con mayor peso en la decisión:

• Organismo: las bacterias y levaduras toleran generalmente una agitación intensa y pueden presentar una elevada demanda de oxígeno; las células de mamífero son más sensibles al cizallamiento.
• Objetivo de la etapa: el cribado requiere paralelismo; la caracterización exige un control preciso; la producción requiere volumen y robustez.
• Esterilización: el sistema puede ser autoclavable, esterilizable in situ o de un solo uso, según la infraestructura disponible y la frecuencia de los lotes.
• Requisitos regulatorios: los procesos desarrollados en entornos GMP requieren documentación y trazabilidad de datos, de acuerdo con requisitos como los establecidos en 21 CFR Part 11 .
• Continuidad entre escalas: una geometría similar y el mismo sistema de control pueden facilitar el escalado.

Analizar estos aspectos antes de la compra ayuda a evitar la inversión en un equipo sobredimensionado o incapaz de acompañar la evolución del proceso. Para comparar diferentes modelos, consulta la línea completa de biorreactores y biofermentadores o habla con un especialista de Innotec.

Preguntas frecuentes sobre biorreactores

¿Qué es un biorreactor, en pocas palabras?

Es un equipo que mantiene condiciones controladas, como temperatura, pH, oxígeno y agitación, para que células, microorganismos o enzimas lleven a cabo un proceso biológico.

¿Cuál es la diferencia entre un biorreactor y un fermentador?

Fermentador es el término tradicional utilizado para el cultivo de microorganismos. Biorreactor es un concepto más amplio que también incluye células animales, células vegetales y enzimas. En procesos microbianos, ambos términos suelen utilizarse como sinónimos.

¿Cuál es la diferencia entre un biorreactor y un microbiorreactor?

Las principales diferencias son la escala y el paralelismo. Un microbiorreactor trabaja con microlitros o pocos mililitros y permite analizar muchas condiciones al mismo tiempo. Un biorreactor convencional trabaja con litros o más y se utiliza para caracterización, validación y producción.

¿Qué parámetros se controlan en un biorreactor?

Los parámetros más habituales son temperatura, pH, oxígeno disuelto, agitación, caudal de gases, espuma, nivel y alimentación de nutrientes. Los sistemas más completos también pueden monitorizar biomasa y gases de salida.

¿Cuál es el tipo de biorreactor más utilizado?

El biorreactor de tanque agitado. Combina una buena mezcla, control preciso y una estrategia de escalado ampliamente establecida desde el laboratorio hasta la producción industrial.

¿Qué significa que un biorreactor sea esterilizable in situ?

Significa que el recipiente puede esterilizarse directamente en su posición de operación mediante vapor o calentamiento, sin necesidad de desmontarlo y trasladarlo a un autoclave. Este método se utiliza en la industria y también está disponible en algunos sistemas de bancada.

¿Biorreactor de vidrio o de acero inoxidable?

El vidrio es habitual en equipos de bancada porque permite observar el cultivo y facilita la manipulación. El acero inoxidable predomina en escalas piloto e industrial, donde se requieren resistencia mecánica, esterilización in situ y limpieza automatizada.

¿Por qué el oxígeno es tan crítico en un biorreactor?

Porque es esencial para los organismos aeróbicos, pero presenta una solubilidad limitada en el medio de cultivo. Si la transferencia de oxígeno es insuficiente, el crecimiento y la producción pueden disminuir, especialmente a medida que aumenta el volumen.

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