Biorreactor airlift frente a biorreactor de tanque agitado: ventajas e inconvenientes

Desde el laboratorio, pasando por la planta piloto, hasta llegar a la industria, se da un hecho consumado: en todo proceso fermentativo impera el uso de biorreactores de tanque agitado ¿A qué razones obedece esta pauta tan sólidamente establecida frente al empleo de otros biorreactores menos convencionales, como los de tipo airlift?

Recordemos que un biorreactor no es más que un recipiente cerrado, en definitiva, un reactor biológico para el cultivo de microorganismos. Éste, que se conoce más comúnmente como “fermentador”, se emplea con los objetivos principales de mantener controladas las condiciones de crecimiento, a la vez que aislar al microrganismo con respecto del ambiente, para que se cumpla así una de las máximas en microbiología industrial, es decir, sí o sí los cultivos deben de ser puros y, al mismo tiempo, estar libres de la presencia de contaminantes. Si no fuera así, a pesar del empeño de algunos neófitos, sería imposible controlar nada: tasas de crecimiento, caudales adecuados de adición de sustratos o parámetros de proceso en condiciones óptimas (temperatura, pH u oxígeno disuelto).

Un biorreactor de tanque agitado es, por lo tanto, un fermentador provisto de un agitador vertical centrado, que homogeneiza el cultivo y las adiciones que puedan emplearse, tales como sustratos, ácidos y bases para el control de pH, antiespumante e incluso aire. El sistema de agitación más frecuente en estos equipos consiste en un eje provisto de tres niveles turbinas tipo Rushton, con seis palas cada una y accionado por un motor, así como cuatro deflectores anti-vórtice, ubicados en el interior de la virola. Éste es, como ya hemos mencionado anteriormente, el tipo de diseño predominante en biorreactores, debido, principalmente, como es obvio, a su gran versatilidad. No obstante, es preciso destacar al respecto, que este tipo de fermentador no es válido con carácter “universal”, dado que presenta una serie de inconvenientes, en ocasiones insalvables para su diseño “tipo”.

Dichas desventajas están relacionadas, sobre todo, con el daño mecánico que las palas del sistema de agitación pueden provocar en cultivos especialmente frágiles, como bien pueden ser aquellos cuyas células se propagan formando largos filamentos. Dentro de este tipo de microorganismos a todos nos vendrán inmediatamente a la cabeza los mohos, con sus características hifas. Pero no debemos olvidar también a aquellas bacterias de crecimiento filamentoso, entre las que debemos destacar especialmente a los streptomycetos, tan amplia e históricamente empleados en la industria de los antibióticos.

Los hongos filamentosos, o mohos, cuyas células crecen en cultivo formando un conjunto de hifas al que denominamos “micelio”, son generalmente anaerobios facultativos. A pesar de esto último, es preciso destacar, que en condiciones muy aeróbicas su rendimiento productivo suele aumentar de forma exponencial, lo que los hace muy atractivos para la industria como productores de antibióticos y enzimas, o incluso, en los últimos tiempos como fuente de proteína alimentaria alternativa de elevado valor biológico, cuyo micelio, además, es muy rico en otros micronutrientes interesantes. Desgraciadamente, como ya venimos adelantando en los anteriores párrafos, el micelio de un moho puede llegar a ser extremadamente frágil y, por lo tanto, fragmentarse con relativa facilidad si es sometido a estrés mecánico, bajando con ello abruptamente su rendimiento, por lo que no siempre los biorreactores de tanque agitado son la mejor opción a la hora de propagar su biomasa.

Por su parte las Streptomyces spp., género de bacterias aeróbicas, Gram + y que forman “pseudomicelio”, resultan ser también muy interesantes en la industria, sobre todo la farmacéutica, por ser productores de antibióticos, los conocidos como “estreptomicinas”. En el caso de este microorganismo, sus cultivos ven reducido con extrema facilidad el rendimiento en condiciones no óptimas, como bien pueden ser concentraciones de oxígeno insuficientes o un alto estrés mecánico, donde de nuevo juega un papel fundamental el sistema de agitación del biorreactor.

Es por todo ello que los biorreactores de tipo airlift pueden cobrar, en estos casos, un papel de gran relevancia. Un fermentador airlift consiste en un biorreactor sin agitación, en el que ésta es sustituida por el propio sistema de aireación, que realiza, en este caso, las funciones de oxigenar y homogeneizar el cultivo, al mismo tiempo. Este biorreactor posee controles similares a los de un fermentador de tanque agitado, como temperatura, pH, oxígeno disuelto, presión o espuma y se diferencian de estos últimos, además de carecer de agitación, por su geometría extrema. Decimos “extrema” porque en este caso no nos sirve una relación, por cierto, archiconocida, de altura de virola frente a diámetro de entre 2,5 y 3, si no que su diseño es mucho más esbelto, con relaciones de incluso 6, asemejándose más, por lo tanto, a una línea que a un biorreactor propiamente dicho. Debido a ello, el layout para un laboratorio o una planta que incluya este tipo de equipos, puede diferir completamente de las necesidades en este sentido para un biorreactor convencional, de forma que sean precisas alturas de salas totalmente desproporcionadas. A este inconveniente habría que añadir la elevada complejidad a la hora de diseñar y fabricar estos biorreactores, con la complicación de la limpieza de soldaduras y el acabado interior en general, dada la estrechez de sus virolas, lo que puede provocar que alcancen precios muy elevados.

Por otra parte, hemos hecho ya mención a la espuma como uno de los parámetros a controlar en biorreactores airlift, aunque en este caso debemos ser todavía más cuidadosos que con los fermentadores de tanque agitado, ya que la alta aireación empleada en los primeros, que puede ser incluso mayor que en los segundos, dificulta enormemente la operativa, con necesidades elevadas de antiespumante y un mayor riesgo de vaciado del tanque por la espumación total del cultivo. Al mismo tiempo, ésta muy elevada aireación provoca una mayor evaporación del cultivo, que puede llegar a ser incluso más alta que en sus homólogos de tanque agitado, lo que hace que resulte fundamental diseñar a la perfección los condensadores de gases vinculados a los venteos.

En resumen, un biorreactor airlift presenta una serie de ventajas con respecto al biorreactor de tanque agitado. Elimina el estrés mecánico del sistema de agitación, permitiéndonos cultivar en condiciones óptimas microorganismos filamentosos (mohos y streptomycetos), muy interesantes en industria farmacéutica y alimentaria, de forma que si no fuera por esta tipología de biorreactor algunas cepas concretas no serían cultivables.

Pero, al mismo tiempo, un biorreactor airlift, presenta también no pocos inconvenientes. Un mayor precio a consecuencia de su diseño complejo, una geometría extrema y una operativa mucho más complicada, con una elevada formación de espuma y con altas tasas de evaporación del cultivo.

En definitiva: un biorreactor airlift puede ser una buena solución para cultivar microorganismos muy concretos, pero carece de la versatilidad del clásico fermentador de tanque agitado.

Datos del autor

Nombre	David Barreras Martínez
Empresa	Instalaciones Industriales Grau.
Cargo	Área de Biotecnología