Fermentadores y biorreactores industriales: del laboratorio a la producción a gran escala

El tanque de fermentación de laboratorio sirve como punto de partida para muchos esfuerzos de investigación y desarrollo. Proporciona un entorno controlado donde los científicos pueden realizar experimentos, optimizar las condiciones y estudiar el comportamiento de los microorganismos o las células. Estos tanques suelen ser de menor tamaño, pero están equipados con sistemas esenciales de monitoreo y control para mantener parámetros precisos como la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto y la agitación.

En el laboratorio, la flexibilidad y adaptabilidad del tanque de fermentación son muy valoradas. Los investigadores pueden modificar y probar fácilmente diferentes variables para comprender los aspectos fundamentales del proceso de fermentación. Esta etapa inicial de experimentación es fundamental para sentar las bases para una futura ampliación y aplicación industrial.

A medida que avanza la investigación y el proceso muestra potencial para su comercialización, se hace necesaria la transición a fermentadores y biorreactores a escala industrial . Los fermentadores industriales están diseñados para manipular grandes volúmenes de sustrato y funcionar de forma continua durante períodos prolongados. A menudo se construyen con materiales robustos para soportar las exigentes condiciones de la producción industrial.

Uno de los principales desafíos a la hora de ampliar el cultivo desde el laboratorio a la escala industrial es mantener la homogeneidad del entorno de cultivo. En un pequeño tanque de laboratorio, es relativamente más fácil garantizar una distribución uniforme de nutrientes, oxígeno y calor. Sin embargo, en un fermentador industrial de gran tamaño, lograr esta uniformidad requiere un diseño cuidadoso de los sistemas de agitación y aireación.

Se emplean diseños avanzados de impulsores y técnicas optimizadas de burbujeo de gas para evitar la formación de zonas muertas y garantizar que todas las células tengan acceso a los recursos necesarios para el crecimiento y el metabolismo.

Los sistemas de control de los fermentadores industriales también son significativamente más complejos que los de laboratorio. Se utilizan sensores sofisticados y mecanismos de retroalimentación automatizados para monitorear y ajustar múltiples parámetros en tiempo real. Esto garantiza que el proceso se mantenga dentro del rango óptimo, maximizando la productividad y la calidad del producto.

Otro aspecto importante a tener en cuenta en los fermentadores industriales es la esterilización. Mantener un entorno estéril es esencial para evitar la contaminación por microorganismos no deseados, que podrían tener efectos perjudiciales en el proceso de fermentación y el producto final. Se emplean métodos de esterilización a escala industrial, como la esterilización por vapor y el uso de sistemas de filtración estéril, para garantizar la integridad del proceso.

La elección del tipo de fermentador o biorreactor industrial depende de varios factores, entre ellos la naturaleza del organismo o las células que se cultivan, el producto que se produce y los requisitos específicos del proceso. Los fermentadores por lotes se utilizan habitualmente cuando se desea una cantidad discreta de producto, mientras que los fermentadores continuos ofrecen la ventaja de una producción más constante a lo largo del tiempo.

Además de los fermentadores tradicionales de tanque agitado, en los últimos años han surgido otros tipos de biorreactores. Los biorreactores de membrana, por ejemplo, utilizan membranas semipermeables para separar y retener células o productos, lo que permite procesos de separación y purificación más eficientes. Los biorreactores de células inmovilizadas proporcionan un medio para anclar las células en una matriz fija, lo que permite un funcionamiento a largo plazo y una reducción del lavado de células.

El funcionamiento exitoso de los fermentadores paralelos industriales requiere un enfoque multidisciplinario que involucre a la microbiología, la ingeniería, la química y la informática. Equipos de expertos trabajan juntos para optimizar el proceso, solucionar problemas y garantizar la producción eficiente y segura de los productos deseados.

De cara al futuro, es probable que el campo de los fermentadores y biorreactores industriales experimente nuevos avances. Los avances en la ciencia de los materiales conducirán a la creación de materiales para reactores más duraderos y biocompatibles. Los avances en la tecnología de sensores y la inteligencia artificial permitirán un control aún más preciso y un mantenimiento predictivo de los sistemas. Además, el creciente enfoque en la sostenibilidad impulsará el desarrollo de procesos de fermentación más eficientes energéticamente y respetuosos con el medio ambiente.

En conclusión, los fermentadores y biorreactores industriales son el núcleo de la biotecnología industrial moderna. La transición fluida de los tanques de fermentación a escala de laboratorio a las instalaciones de producción industrial a gran escala es un proceso complejo pero esencial que requiere innovación y colaboración continuas entre múltiples disciplinas. Al comprender y aprovechar el poder de estos sistemas, podemos seguir impulsando el progreso en la producción de productos esenciales para diversas industrias, desde productos farmacéuticos y alimentarios hasta biocombustibles y productos químicos.