Biorreactores de agitación orbital, de balanceo y de tanque agitado: ventajas de cada uno

Anteriormente hemos escrito artículos que comparan los biorreactores de un solo uso con los biorreactores de uso múltiple de acero inoxidable o de vidrio.

Anteriormente hemos escrito artículos que comparan los biorreactores de un solo uso con los biorreactores de uso múltiple de acero inoxidable o de vidrio. Puede leer cuándo pasar al uso único, las ventajas del uso único en el bioprocesamiento a pequeña escala y el impacto ambiental de los biorreactores de un solo uso y de uso múltiple. En este artículo comparamos las siguientes tecnologías de mezcla: biorreactores de agitación orbital, de balanceo y de tanque agitado. En Interphex 2021 tuvimos la oportunidad de hablar con ingenieros de Kuhner Shaker sobre sus nuevos biorreactores de agitación orbital, con MicroDigital Co. sobre sus biorreactores de balanceo de un solo uso Cel Bic y con Eppendorf sobre sus biorreactores de tanque agitado. Cada una de estas tecnologías de biorreactor puede utilizarse con biorreactores de un solo uso o reutilizables, y se diferencian principalmente en su método de aireación y mezcla del cultivo para maximizar la transferencia de oxígeno del entorno del biorreactor a las células en crecimiento.

Biorreactores de tanque agitado

Los biorreactores de tanque agitado son el clásico del sector. Suelen ser cilíndricos, contienen al menos un difusor (sparger) para introducir gas en el medio de cultivo y utilizan un agitador para mezclar el cultivo celular y romper/distribuir las burbujas de gas por todo el biorreactor. Estos biorreactores pueden ser de un solo uso o de acero inoxidable. Los reactores de un solo uso van desde unos 15 mL hasta 2000 L, y los biorreactores reutilizables pueden llegar a 50 000 L.

Ventajas

Los biorreactores de tanque agitado se utilizan a menudo para escalar un bioproceso desde la I+D hasta la escala de fabricación. Como están probados desde hace tiempo y son los más disponibles, las matemáticas, la física y la biología de la transferencia de masa son bien conocidas. Estos principios de mezcla conocidos permiten una transferencia de gas muy eficiente en los biorreactores de tanque agitado. También son muy flexibles en una amplia gama de condiciones de funcionamiento, lo que significa que pueden utilizarse para cultivar células de mamífero sensibles con bajos esfuerzos cortantes o para cultivar ciertos hongos que requieren temperaturas extremas y altas presiones.

Desventajas

Aunque el burbujeo permite la transferencia de oxígeno en volúmenes mayores y tiene una huella menor, no es tan eficiente como la transferencia de oxígeno a través del espacio de cabeza. Otra desventaja es el esfuerzo cortante que introducen los agitadores, que debe minimizarse al agitar cultivos de mamífero. Los agitadores introducen además espuma en los biorreactores y deben tratarse con agentes antiespumantes. Por último, los agitadores y difusores de los biorreactores de acero inoxidable deben limpiarse a fondo para evitar la contaminación.

Biorreactores de balanceo

Los biorreactores de balanceo (o de ondas) también son bastante habituales. Suelen ser bolsas de plástico grandes, de un solo uso, que se tienden planas sobre una plataforma que se balancea suavemente (<100 rpm). Estos biorreactores aportan oxígeno al cultivo celular a través del espacio de cabeza y mezclan el caldo con la plataforma de balanceo. Los biorreactores de balanceo se utilizan sobre todo en laboratorios. Como son muy eficientes pero tienen una gran huella, también pueden utilizarse para pequeños volúmenes de producción o para sembrar biorreactores de tanque agitado más grandes.

Ventajas

Los biorreactores de balanceo, grandes, planos y de 2 dimensiones, tienen una relación superficie/volumen muy alta, lo que permite una transferencia de masa de oxígeno muy eficiente. También son más suaves que los biorreactores de tanque agitado porque airean completamente el cultivo sin necesidad de agitadores. Por último, como los biorreactores de balanceo no utilizan difusores ni agitadores y son casi siempre de un solo uso, son sencillos de limpiar y no plantean casi ningún riesgo de contaminación cruzada.

Desventajas

Los biorreactores de balanceo, grandes y planos, no escalan bien. Por lo general van solo de 5 a 100 L, con un tamaño limitado por la velocidad de transferencia de oxígeno a través del espacio de cabeza.

Biorreactores de agitación orbital

Los biorreactores de agitación orbital se asientan sobre una plataforma que mezcla con un movimiento circular tan simple como un círculo 2D o tan complejo como un ocho 3D. Al igual que los biorreactores de balanceo, aportan el gas íntegramente a través del espacio de cabeza.

Ventajas

El movimiento giratorio lleva el caldo del cultivo celular hacia los lados del biorreactor, lo que da lugar a una capa de fluido muy fina adherida a la pared del recipiente. Esto permite la máxima transferencia de oxígeno sin necesidad de una gran huella. La transferencia de masa depende por completo del caudal de gas a través del espacio de cabeza, por lo que los biorreactores de agitación orbital escalan bien de forma lineal.

Este enfoque de mezcla también mitiga el esfuerzo cortante, por lo que es muy adecuado para cultivos de células de mamífero.

Biorreactores de agitación orbital, no matraces agitados

Los matraces agitados son una opción de bajo coste y fácil de usar para el cultivo celular en un laboratorio a pequeña escala. No escalan bien, ya que carecen del conjunto completo de sensores de un biorreactor y no pueden supervisar, controlar ni responder a las condiciones ambientales. Los biorreactores de agitación orbital están totalmente sensorizados y son escalables.

Desventajas

Aunque los biorreactores de agitación orbital resuelven muchos de los problemas asociados al burbujeo y a los agitadores, son una tecnología mucho más reciente. Las matemáticas del escalado y de la transferencia de masa de oxígeno son mucho menos conocidas que para otros tipos de biorreactor.

¿Qué tipo de biorreactor debo utilizar?

Los biorreactores de tanque agitado han demostrado que escalan bien, pueden controlarse estrechamente y funcionan según principios conocidos de transferencia de masa. Los biorreactores de balanceo tienen la transferencia de masa más eficiente, pero la huella se convierte rápidamente en un problema al escalar. Los biorreactores de agitación orbital son una tecnología más reciente, pero con potencial para una alta eficiencia y altos rendimientos, y para un escalado lineal.

Según los volúmenes de producción necesarios y el plan de escalado, es probable que distintos tipos de biorreactores resulten más o menos ventajosos en las distintas fases de desarrollo. Elegir biorreactores optimizados para cada fase de desarrollo es una estrategia sólida. Sin embargo, puede ser viable elegir en su lugar un biorreactor que no sea el más adecuado para las fases iniciales pero que pueda escalar fácilmente desde el laboratorio hasta la escala de fabricación.

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