¿Qué son los fermentadores y los biorreactores?

¿Qué son los fermentadores y los biorreactores?

Respondiendo a la pregunta central:¿Qué son los fermentadores y los biorreactores, y en qué difieren en la práctica?Un fermentador es un recipiente que cultiva microorganismos como levaduras, bacterias o hongos para convertir un sustrato en un producto objetivo,mientras que un biorreactor es el término de ingeniería más amplio para cualquier recipiente que soporte una reacción biológicamente catalizadaEn términos de hardware, son la misma máquina: un tanque estéril, con instrumentos, agitado que mantiene la temperatura entre 20 y 40 °C,pH en 3.5 a 8.0Los volúmenes de trabajo van desde las unidades de banco de 5 litros hasta los recipientes de producción de 300.000 litros, y el oxígeno se entrega a través del aire esparcido a 0.2-1.5 vvm con un coeficiente volumétrico de transferencia de masa kLa de 30-200 h-1.

1Cómo funcionan los fermentadores y los biorreactores

Cada recipiente de cultivo cumple las mismas cuatro funciones: contiene un ambiente estéril, transfiere oxígeno y calor, mantiene el caldo homogéneo y deja que el operador controle la trayectoria biológica.Tres mecanismos determinan si tiene éxito:

• Transferencia de oxígeno y kLa:Las células aeróbicas consumen oxígeno a una velocidad OUR = QO2·X, donde QO2 es 2-5 mmol O2/g·h y X es 30-80 g/l de peso de la célula seca.donde C* es aproximadamente de 7 a 8 mg/l para el agua espolvoreada con aire a 1 atm y a 30°CEn un tanque de agitación a 0,5-1,5 vvm, kLa de 50-200 h-1 es típico; las columnas de burbujas alcanzan 30-120 h-1 con una entrada de energía mucho menor.el cultivo cambia a un metabolismo de desbordamiento o a la formación de subproductos anaeróbicos y el título se derrumba.
• Balanza de mezcla y corte:Los impulsores deben suspender sólidos y dispersar gas sin destruir las células. La velocidad de suspensión sigue la correlación de Zwietering Njs = S·(nu^0.1) ·(g·(rhos - rhol) / rhol) ^ 0.45·dp ^ 0.2 · X ^ 0.13Los cultivos de bacterias y levaduras toleran velocidades de punta de 5-7 m/s, mientras que las células de mamíferos requieren 0,5-1,5 m/s e hidrofoils de flujo axial en lugar de turbinas de Rushton radiales.5-5 kW/m3 para la fermentación microbiana y 0.01-0.10 kW/m3 para cultivos de células animales sensibles al corte.
• Esterilidad y limpieza:El funcionamiento aséptico depende de la esterilización en el lugar a vapor a 121°C durante 20-30 min con una letalidad equivalente Fo >= 15, presión positiva del recipiente de 0,05-0,10 MPa durante el enfriamiento y 0.2 μm de aire de suministro filtrado HEPAEntre las campañas, el limpiador en el lugar circula 0,5-2,0% de cáustico a 60-80°C seguido de un enjuague ácido, dirigido a un acabado de la superficie de contacto del producto de Ra <= 0,5 μm (electrolibrado 316L,Las medidas de seguridad de los sistemas de ensayo de la UE deben tener en cuenta los requisitos de seguridad de los sistemas de ensayo de la UE..

2Tipos principales y cómo elegir uno

La selección comienza con el organismo, luego con la demanda de oxígeno, la tolerancia al corte y la clase de esterilidad requerida.

• Reactor de tanque de agitación (STR):La opción predeterminada para la mayoría de las fermentaciones microbianas y cultivos celulares. Un recipiente de 316L con uno a cuatro impellers con una relación de diámetro impeller-tanque de 0.33-0.50, cuatro deflectores a T/10, y un anillo o micro-sparger. Entrega kLa de 50-200 h-1 y maneja viscosidades de hasta unos 5.000 cP con impulsores helicoidales o de anclaje.Lo que lo convierte en la única configuración que se escala limpiamente de laboratorio a planta.
• Columna de burbujas y puente aéreo:No hay agitador mecánico; la mezcla y la transferencia de masa provienen del aumento del gas a velocidades superficiales de 0,02-0,10 m/s. Un puente aéreo agrega un tubo de corriente de aire que impone una circulación ordenada,dando una mejor mezcla a baja energíaEstos recipientes se adaptan a hongos filamentosos, células vegetales, proteínas unicelulares y volúmenes muy grandes (hasta 300.000 L) donde la longitud del eje del agitador y el costo del sello se vuelven prohibitivos.El consumo de energía es 30-50% inferior a un STR equivalente.
• Biorreactor de un solo uso:Una bolsa de polímero multicapa irradiada por rayos gamma (clase VI de la USP, libre de componentes derivados de animales) dentro de un caparazón de soporte inoxidable, generalmente de 50 a 2.000 L.Elimina la validación de limpieza por completo y reduce el cambio de campaña de días a horasEn el caso de las instalaciones de CDMO multiproducto, la compensación es una presión limitada (generalmente inferior a 0,05 MPa de calibre), un techo de kLa más bajo,y costos recurrentes de los consumibles más los extractables y los lixiviados según las USP <665> y <1665>.
• Fermentadores sólidos y anaeróbicos:Las unidades de estado sólido cultivan hongos en un sustrato de partículas húmedas con aire humidificado forzado en lugar de una fase líquida libre, utilizada para enzimas, koji y compostaje.Biogás, y la producción de disolventes omiten el esparcimiento por completo y en su lugar manejan la evolución del CO2, la espuma y la eliminación de calor a 30-38 °C, basándose en una agitación lenta y un enfriamiento externo para mantener el caldo dentro de ±1 °C.

Tipos de fermentador y biorreactor Matriz de comparación

Preguntas frecuentes (FAQ)

P: ¿Es un fermentador lo mismo que un biorreactor?

R: No exactamente, aunque el hardware se superpone casi completamente. Fermentador es el término tradicional para un recipiente que ejecuta una conversión microbiana como el etanol, ácido láctico, biomasa de levadura,o antibióticosEl biorreactor es el término de ingeniería más amplio que abarca cualquier recipiente que sostiene un catalizador biológico, incluido el cultivo microbiano aeróbico,cultivo de células de mamíferos e insectosEn la contratación pública, la diferencia práctica se refleja en la ficha de especificaciones:un pedido de biorreactor generalmente exige un acabado de superficie más apretado, más instrumentación y documentación formal de validación.

P: ¿Qué tamaño de fermentador o biorreactor necesito?

R: Tamaño basado en la producción anual requerida, no en el catálogo de recipientes.3-10 g/l para los anticuerpos monoclonales) y por número de lotes por año., se aplicará un volumen de trabajo del 70 al 80% del volumen total del recipiente para dejar espacio para la separación de espuma y gas.000 litros de volumen de trabajo en un ciclo de 48 horas con un 85% de disponibilidad de programación produce aproximadamente 150 lotes al año. Siempre confirme que el tamaño elegido puede alcanzar el kLa objetivo con el aire disponible y la potencia del agitador.

P: ¿Qué material y acabado superficial debe especificarse?

R: Para los productos alimenticios, bebidas y productos farmacéuticos, especificar el acero inoxidable 316L con bajo contenido de carbono (por debajo del 0,03%) y bajo contenido de azufre para garantizar una penetración constante de la soldadura.con un contenido de acero en peso superior o igual a 10%, pero no superior a 30% en peso.5 μm, con soldaduras orbitales y accesorios de abrazadera o soldadura de extremo ASME-BPE. Para caldos altamente corrosivos que contengan cloruros superiores a unas 100 ppm o para la química CIP agresiva, pasar a 904L, dúplex 2205,o titanio de grado 2El etanol industrial o el servicio de tratamiento de residuos pueden utilizar 304L con un acabado de molino, lo que reduce sustancialmente el coste de capital sin afectar al rendimiento.

P: ¿Cuánto tiempo toma poner en marcha una nueva línea de fermentación?

R: Para una línea de acero inoxidable llave en mano, esperar 10-14 meses desde el lanzamiento del pedido hasta el primer lote de producción: aproximadamente 4-6 meses para la ingeniería y fabricación detalladas,Entre 2 y 3 meses para las pruebas de aceptación en fábrica, envío e instalación, y 2-3 meses para pruebas de aceptación de sitio, vinculación de servicios públicos y calificación DQ/IQ/OQ/PQ más tres pruebas consecutivas de calificación de rendimiento del proceso.Los deslizamientos de un solo uso comprimen esto a 5-8 meses porque la validación de la limpieza y la puesta en marcha del sistema CIP/SIP desaparecen de la ruta crítica.