Los reactores bioquímicos (o biorreactores) son dispositivos fundamentales para el cultivo controlado de microorganismos, células animales, células vegetales y sistemas enzimáticos. Su función principal es proporcionar un entorno óptimo para que ocurran reacciones biológicas a escala controlada, permitiendo desde experimentos académicos hasta el desarrollo de procesos biotecnológicos avanzados.

En el laboratorio moderno, los biorreactores se utilizan tanto para investigación básica como para el escalado de procesos industriales, desde la producción de metabolitos hasta la fabricación de bioproductos como proteínas recombinantes, vacunas, enzimas o bioenergía.

En esta guía desglosamos su diseño, operación y estrategias de optimización, con un enfoque riguroso y práctico orientado a expertos y estudiantes de biotecnología.

 1. ¿Qué es un reactor bioquímico?

Un reactor bioquímico es un sistema diseñado para albergar una reacción catalizada por organismos vivos o sus componentes (enzimas, células, tejidos). A diferencia de los reactores químicos tradicionales, los biorreactores requieren un control más cuidadoso debido a la sensibilidad fisiológica de los organismos.

Funciones principales:

• Mantener condiciones estables de crecimiento (pH, temperatura, oxígeno, nutrientes).

• Maximizar la producción de biomasa o metabolitos.

• Permitir el monitoreo continuo mediante sensores.

• Facilitar cultivos estériles y reproducibles.

 2. Tipos de reactores bioquímicos utilizados en laboratorio

A escala de laboratorio, los biorreactores suelen tener volúmenes entre 100 mL y 10 L, aunque existen minirreactores de microvolúmenes para screening.

2.1 Reactores discontinuos (batch)

El medio se carga al inicio y no se añade ni retira durante el proceso, salvo oxígeno o espuma.

• Simples y económicos.

• Ideales para estudios cinéticos.

2.2 Reactores discontinuos alimentados (fed-batch)

Se añaden nutrientes durante el cultivo.

• Muy usados en producción de proteínas recombinantes.

• Permiten controlar la limitación de nutrientes y evitar inhibición.

2.3 Reactores continuos (chemostatos)

Entrada y salida continua de medio.

• Mantienen estado estacionario.

• Útiles en investigación de fisiología microbiana y evolución experimental.

2.4 Reactores aireados/agitados (STR)

Son los clásicos biorreactores de tanque agitado (Stirred Tank Reactors).

• Amplio control de parámetros.

• Excelente transferencia de oxígeno.

2.5 Reactores de membrana

Utilizan barreras semipermeables para retener células.

• Aplicados en bioprocesos continuos de alta densidad celular.

2.6 Reactores de lecho fijo y lecho fluidizado

Células inmovilizadas o soportes porosos.

• Ideales para cultivos de células animales o procesos enzimáticos.

 3. Diseño de un reactor bioquímico de laboratorio

El diseño de un biorreactor se basa en combinar ingeniería química, biología celular y bioingeniería.

3.1 Componentes esenciales

• Vaso o cámara de cultivo: generalmente acero inoxidable o vidrio borosilicato.

• Sistema de agitación: impulsor Rushton, mariposa, palas inclinadas.

• Sistema de aireación: spargers, difusores o membranas.

• Sensores: pH, DO (oxígeno disuelto), temperatura, espuma, CO₂.

• Controladores automáticos: PID para pH, temperatura, antiespumante, etc.

• Chaqueta o serpentín térmico: para regulación de temperatura.

• Puertos estériles: para adición de sustratos o muestreo.

3.2 Aspectos de diseño clave

• Transferencia de masa gas-líquido (kLa).

• Transferencia de calor.

• Mezclado y tiempos de residencia.

• Minimización del estrés mecánico (importante en células animales).

• Esterilidad de todos los componentes.

 4. Operación de un reactor bioquímico paso a paso

4.1 Preparación previa

1. Limpieza y ensamblaje del biorreactor.

2. Esterilización en autoclave o SIP (Sterilization-In-Place).

3. Preparación del medio de cultivo.

4. Prueba de fugas y calibración de sensores.

4.2 Inoculación

Se introduce el microorganismo o células en condiciones estériles.
Es clave usar un inóculo activo en fase exponencial para evitar retrasos de crecimiento.

4.3 Control de parámetros

Durante el cultivo se ajustan:

• Temperatura: generalmente ±0.1 °C.

• pH: mediante ácido/base o CO₂.

• Oxígeno disuelto: aumentando rpm, aire, O₂ o presión.

• Espuma: mediante antiespumante o sondas de ruptura.

4.4 Muestreo

Debe realizarse en condiciones esterilizadas para evitar contaminación.

4.5 Finalización del proceso

El cultivo se recoge para análisis posteriores como:

• biomasa (peso seco)

• metabolitos (HPLC, espectrofotometría)

• proteínas recombinantes (SDS-PAGE, Western blot)

• enzimas (actividad catalítica)

 5. Optimización de procesos en biorreactores

Optimizar un reactor bioquímico permite aumentar la productividad, reducir costos y mejorar la eficiencia metabólica.

5.1 Optimización de transferencia de oxígeno

• Ajustar entre 300–900 rpm según sensibilidad del organismo.

• Usar mezclas aire/O₂.

• Mejorar configuración del impulsor.

5.2 Control de nutrientes

• Implementar estrategias fed-batch con:

  • alimentación exponencial

  • alimentación por DO

  • alimentación por pH

• Evitar acumulación de metabolitos tóxicos como acetato en E. coli.

5.3 Ingeniería metabólica

Modificar vías metabólicas para aumentar rendimiento:

• knockouts de rutas de desperdicio

• sobreexpresión de vías productivas

5.4 Modelos cinéticos y herramientas digitales

• Modelos Monod, Haldane, Andrews.

• Software para control avanzado: BioXpert, MFCS, DASware.

5.5 Minimización de estrés

• Reducir cizallamiento en cultivos de células animales.

• Ajustar burbujeo y tipo de impulsor.

 6. Aplicaciones modernas de los reactores bioquímicos

Los biorreactores actuales son esenciales en:

6.1 Biotecnología farmacéutica

• Producción de vacunas.

• Cultivo de líneas celulares para anticuerpos monoclonales.

• Síntesis de proteínas recombinantes.

6.2 Microbiología industrial

• Producción de antibióticos.

• Fermentación de aminoácidos y ácidos orgánicos.

• Biorremediación.

6.3 Biocombustibles

• Producción de bioetanol y biodiésel.

• Fermentación de algas y cianobacterias.

6.4 Ingeniería de tejidos

• Biorreactores de perfusión para cultivos 3D.

• Regeneración ósea, cartilaginosa y de tejidos blandos.

6.5 Biosensores y biocatálisis

• Reactores de enzimas inmovilizadas.

• Síntesis verde en química sostenible.

 7. Buenas prácticas y errores comunes

Buenas prácticas

• Calibrar DO y pH antes de cada corrida.

• Revisar la esterilidad de cada puerto.

• Mantener registros digitales detallados del proceso.

• Controlar el nivel de espuma desde el inicio.

Errores frecuentes

• Subestimar la mezcla y provocar gradientes de nutrientes.

• Ignorar el estrés por cizallamiento en células sensibles.

• Fallas en la esterilización del sistema.

• Falta de validación de sensores antes del cultivo.

Los reactores bioquímicos de laboratorio representan el corazón de los procesos biotecnológicos modernos. Su correcto diseño, operación y optimización permiten transformar microorganismos y células en biofactorías eficientes, capaces de producir compuestos de alto valor agregado.

Comprender cada parámetro, cada sensor y cada estrategia de operación no solo mejora la productividad del proceso, sino que impulsa la biotecnología hacia soluciones más sostenibles, eficientes y científicamente robustas.