Tipos de fermentadores: Guía completa para principiantes

Elegir el fermentador adecuado es una inversión importante que afectará la velocidad de su proceso, la cantidad de producto que obtiene y su rentabilidad. ¿No está seguro de qué fermentador es el ideal para sus objetivos de producción? Esta guía explorará los diferentes tipos de fermentadores y sus aplicaciones industriales.

¿Qué son los fermentadores?

Los biorreactores, también llamados fermentadores, son recipientes cuidadosamente controlados donde se cultivan microorganismos como bacterias, levaduras u hongos para producir biomasa o subproductos. A nivel industrial, se utilizan para mantener la temperatura, el pH, el flujo de aire y la agitación constantes, permitiendo así el crecimiento de los microorganismos y la elaboración de productos.

Clasificación de fermentadores por modo de operación

Fermentadores por lotes

Cuando fermentación por lotes Se utiliza este método, añadiendo todos los nutrientes y el cultivo iniciador al principio. El proceso continúa hasta su finalización y se cosecha todo. Sin embargo, su rendimiento volumétrico es menor debido al tiempo que requiere entre ciclos para su limpieza, esterilización y preparación. Además, una vez iniciado, el control sobre el proceso es limitado.

Entre sus usos más comunes se encuentran la elaboración de antibióticos como la penicilina, algunas vacunas, bebidas alcohólicas especiales y productos químicos que no se producen en grandes cantidades. La elaboración de levadura de panadería o de muchas fermentaciones clásicas de cerveza es un buen ejemplo de ello en el mundo empresarial.

Fermentadores continuos

Los fermentadores continuos son dispositivos abiertos que permiten añadir medio de cultivo y extraer el producto y el caldo usado simultáneamente. Los principales problemas son la alta probabilidad de contaminación o cambios en la cepa durante ciclos prolongados, así como la complejidad del diseño del sistema y el control del proceso, lo que requiere una importante inversión en ingeniería previa.

Este modo funciona mejor para artículos de alto volumen y bajo valor donde la configuración es adecuada con una salida constante. Algunos usos importantes son la fabricación de etanol o biocombustibles para la industria que utilizan recintos con clima controlado, produciendo proteínas unicelulares (como la micoproteína Quorn), depurando aguas residuales y generando algunos ácidos orgánicos. Por ejemplo, en la industria de las bebidas, se utiliza un fermentador de torre para mantener la cerveza en fermentación continua.

Fermentadores de lotes alimentados

En lote alimentado, Se empieza con una cantidad base y se añaden nutrientes (alimento) poco a poco sin retirar el caldo de cultivo hasta la cosecha. Esto permite evitar el bloqueo del sustrato o la represión catabólica, controlar las vías metabólicas y obtener un gran número de células y productos. La desventaja es que aún así se tarda demasiado en obtener los resultados.

Es el método más utilizado actualmente en la industria biofarmacéutica y en bioprocesos de alto valor. La producción de proteínas recombinantes (por ejemplo, insulina y anticuerpos monoclonales), la mayoría de los antibióticos actuales y las enzimas de alto valor son algunos de sus usos comunes. Biopharma International afirma que la tecnología de cultivo discontinuo alimentado se utiliza en más de 701 TP3T de procesos de fermentación industrial porque ofrece la mejor combinación de control y rendimiento.

Clasificación de fermentadores según su diseño

Fermentadores de tanque agitado (STR)

El tipo de reactor más común en la industria es el reactor de tanque agitado (STR). Este utiliza impulsores mecánicos para agitar y mezclar el cultivo. Esto permite un gran movimiento de masa (oxígeno, nutrientes) y condiciones uniformes, lo que lo hace muy útil para una amplia gama de viscosidades y tipos de células. Sin embargo, las piezas móviles (sellos, eje) dificultan su uso y mantenimiento, y también aumentan el riesgo de dañar las células sensibles por contaminación o estrés.

Debido a su flexibilidad, los STR se utilizan habitualmente para fabricar antibióticos, producir proteínas recombinantes en células de mamíferos y fermentar enzimas. Como señala el Instituto Americano de Ingenieros Químicos, la mayoría de los biorreactores y tanques farmacéuticos de acero inoxidable Los STR se utilizan en el procesamiento farmacéutico y biotecnológico.

Fermentadores de elevación neumática

Los fermentadores de columna de aire mueven el cultivo inyectando gas (generalmente aire) en la parte inferior. La diferencia de densidad entre la sección superior, que está saturada de gas, y la sección inferior, que está desgasificada, crea un flujo continuo y uniforme. Este diseño elimina los agitadores mecánicos, lo que reduce la tensión de cizallamiento, el riesgo de contaminación y la energía necesaria.

Un problema es que no transporta el oxígeno tan bien como los reactores STR cuando hay muchas células, y no es tan eficaz para mezclar caldos muy espesos. También se utilizan comúnmente para tratar grandes cantidades de residuos y producir proteínas unicelulares. Los sistemas de columna de aire se utilizan a menudo en la producción industrial de levadura porque son eficientes y escalables.

Fermentadores de columna de burbujas

Una columna de burbujeo es un recipiente cilíndrico sencillo que se llena de gas en la parte inferior. Esto crea burbujas ascendentes que mezclan el cultivo y permiten la entrada de aire. Es incluso más fácil de construir que un sistema de aireación, ya que no requiere un tubo de extracción interno. La desventaja es que resulta difícil controlar la mezcla, puede producirse en sentido inverso y no es adecuada para cultivos de alta viscosidad o alta densidad.

Algunos usos comunes son el cultivo de algas, ciertas fermentaciones de levadura y la producción de productos químicos básicos (como ácido acético) mediante fermentación. Al añadir fuentes de luz, también pueden utilizarse como fotobiorreactores. Muchas plantas industriales de etanol utilizan grandes columnas de burbujeo para la primera etapa de la fermentación.

Fermentadores de lecho empacado

En un fermentador de lecho fijo, las células se adhieren a una matriz de soporte sólida que se compacta formando una columna. Esta matriz de soporte puede estar compuesta de perlas de gel o fibras huecas. Los nutrientes se bombean lentamente a través de este lecho plano. Algunos de los principales problemas de este método incluyen la posibilidad de canalización (flujo irregular) y la dificultad para controlar el pH y los niveles de oxígeno en el lecho grueso.

Son reactores especiales ideales para la producción repetida de sustancias mediante sistemas enzimáticos o celulares fijos. Algunos usos comunes incluyen la elaboración de jarabe de maíz de alta fructosa con glucosa isomerasa fija y la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales.

Fermentadores de lecho fluidizado

En este caso, las células se adhieren a partículas pequeñas y gruesas que se mantienen en suspensión gracias al flujo ascendente de gas o líquido. Esto combina las mejores características de un lecho empaquetado y un dispositivo suspendido. Sin embargo, este método presenta algunos inconvenientes: requiere mucha energía para fluidizar, puede perderse alguna partícula y la hidrodinámica es compleja, lo que dificulta su escalado.

Cuando se requiere una acción intensiva y una rápida reacción con catalizadores ya presentes, estos reactores son la solución ideal. Se utilizan para el tratamiento mejorado de aguas residuales, eliminando la DBO, en algunas reacciones biocatalíticas y en ciertos tipos de fermentación de levadura.

Fermentadores de membrana

Los fermentadores de membrana cuentan con una unidad de filtración que separa los productos o subproductos del cultivo celular, manteniendo las células dentro del reactor. Esto se puede lograr mediante ultrafiltración o microfiltración. Esto permite obtener recuentos celulares muy elevados, una eliminación constante del producto (lo que puede ayudar con la inhibición por retroalimentación) y la reutilización de células antiguas. Sin embargo, se acumula mucosidad en las membranas; el proceso es más costoso y complejo, y requiere sistemas de control muy avanzados.

Este diseño de alta tecnología se utiliza para tareas continuas de alto valor. Algunos de sus usos más importantes son la producción de ácido láctico, la generación continua de etanol mediante el reciclaje celular y el cultivo de células de mamíferos por perfusión para la obtención de proteínas inestables.

Fotobiorreactores

Los fotobiorreactores (PBR) se utilizan para cultivar organismos que emplean la luz para producir alimento, como algas y cianobacterias. Controlan la cantidad de luz que ingresa (mediante iluminación interna o superficies transparentes), distribuyen el CO2 y lo mezclan. Los PBR cerrados mantienen la limpieza y ofrecen un gran control, pero requieren una inversión considerable y pueden presentar problemas de acumulación de oxígeno y limitaciones en el gradiente de luz.

Su principal uso es el cultivo de microalgas para obtener productos valiosos como biocombustibles, astaxantina, betacaroteno y ácidos grasos omega-3. También se utilizan para la producción de bioplásticos (PHA) o colorantes derivados de cianobacterias. Un ejemplo en el ámbito empresarial es el uso de fotobiorreactores tubulares o de panel plano para la producción de espirulina destinada a nutracéuticos.

Tipos de fermentadores especializados y emergentes

Biorreactores de un solo uso

Los biorreactores de un solo uso (SUB) utilizan una bolsa desechable preesterilizada como recipiente de cultivo dentro de una camisa de soporte y control que puede reutilizarse. La ausencia de validación de la limpieza y esterilización reduce significativamente el tiempo de reacción y la contaminación cruzada. Los principales problemas son los mayores costos continuos de los consumibles, la escala limitada (aunque está mejorando) y las preocupaciones ambientales sobre los residuos plásticos.

Gracias a su flexibilidad, son ideales para las empresas de fabricación por contrato (CMO, por sus siglas en inglés) que trabajan con una amplia gama de productos. Pall (Cytiva) y Sartorius son dos de los principales proveedores, y sus sistemas ahora pueden procesar hasta 2000 litros.

Biorreactores de escala reducida

Se trata de biorreactores muy pequeños, con un volumen de trabajo de entre 1 ml y 1 litro. Están altamente instrumentados y diseñados para simular las condiciones de los grandes reactores de producción. Permiten la creación, optimización y selección de clones de procesos a gran escala, utilizando muy poco material.

Son muy importantes para desarrollar bioprocesos y realizar estudios sobre cómo aumentar o disminuir la escala. Algunos usos comunes son la optimización de medios, la creación de nuevas estrategias de alimentación y la solución de problemas en procesos de fabricación a gran escala utilizados en medicamentos y biotecnología industrial. Los sistemas fabricados por Applikon Biotechnology y M2P-Labs son la norma en el campo. El esfuerzo cortante, la transferencia de oxígeno y la mezcla en el fermentador de acero inoxidable Debe coincidir con la ruta metabólica de su organismo y del producto (por ejemplo, aeróbica/anaeróbica).

Tabla comparativa: Biorreactores de un solo uso frente a biorreactores a escala reducida

Característica	Biorreactor de un solo uso (SUB)	Biorreactor a escala reducida (SDR)
Propósito principal	Producción de lotes clínicos/comerciales	Desarrollo y optimización de procesos
Ventaja clave	Elimina los sistemas CIP/SIP; reduce la contaminación cruzada.	Cribado de alto rendimiento con un uso mínimo de recursos.
Escala típica	50L – 2000L	1 mL – 10 L
Modelo de costos	Alto costo de consumibles (bolsas), menor capital	Alto costo de capital para el sistema, bajo costo por ejecución.
Usuario ideal	Instalación de fabricación multiproducto con certificación GMP	Laboratorios de I+D y desarrollo de bioprocesos

Cómo elegir el fermentador adecuado

Considere su producto y los microorganismos.

Escala de producción

Esta es la escala de laboratorio para investigación y desarrollo. Se necesitan datos de escalabilidad para los programas de prueba. Confíe en la fiabilidad, la eficiencia y la experiencia en forja de KDM Steel para la fabricación.

Necesidades de control y automatización

Para procesos que requieren precisión, como los biológicos, se necesitan sensores y robótica de alta tecnología. Para procesos más sencillos, como algunos biocombustibles, se pueden utilizar bucles de control básicos.

Presupuesto y costos operativos

Considere el costo total de propiedad, que incluye la inversión inicial, la instalación, los servicios (como refrigeración y agitación), el mantenimiento y los consumibles (como bolsas de un solo uso o productos de limpieza).

Cumplimiento y limpieza in situ (CIP)/esterilización in situ (SIP)

Las industrias reguladas, como la alimentaria y la farmacéutica, necesitan fermentadores diseñados para ciclos CIP/SIP validados, con superficies lisas, conexiones sanitarias y documentación completa.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es el tipo de fermentador más sencillo?

Un fermentador de tanque mixto básico, operado por lotes, es el tipo más sencillo. Es popular en entornos pequeños o para principiantes, como laboratorios de elaboración de cerveza y centros educativos, y no requiere mucha automatización.

Procesamiento por lotes o continuo: ¿cuál funciona mejor?

Los fermentadores continuos son más eficaces para mantener una producción constante a través del volumen. Por otro lado, los sistemas de alimentación discontinua suelen hacer que los productos de alto valor sean más rentables al aumentar el rendimiento y reducir el riesgo.

¿Qué tipo de recipiente funciona mejor para la fermentación a gran escala?

El reactor de tanque agitado (STR) es el más común y útil. La elección del recipiente dependerá de los microorganismos, el producto y la escala de producción que se utilice.

¿Qué tamaño de fermentador necesito?

El tamaño que necesitas depende de la cantidad que quieras producir anualmente, la concentración del producto y la frecuencia con la que realices lotes. Haz un estudio exhaustivo de escalado y consulta con un experto en fabricación para determinar la cantidad óptima.

¿Son lo mismo los fermentadores y los biorreactores?

“El término ”biorreactor“ es más general y abarca diversos procesos biológicos. El término ”fermentador» generalmente se refiere únicamente a los recipientes que se utilizan para cultivar microorganismos como levaduras y bacterias.

¿Cuánto cuesta un fermentador?

El precio oscila entre aproximadamente 14.000 y 10.000 dólares para unidades de laboratorio y millones de dólares para sistemas industriales totalmente automatizados. Depende de factores como el tamaño de la máquina, los materiales y los instrumentos utilizados, y el grado de automatización necesario.

¿Se pueden automatizar los fermentadores?

Sí, la mayoría de los fermentadores industriales actuales cuentan con automatización de alta tecnología para factores importantes como el pH y el oxígeno disuelto. Esta automatización garantiza la consistencia, reduce el trabajo manual y cumple con los criterios reglamentarios.

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