Diseño de novedosos microbiorreactores agitados y burbujeados.

En los últimos años, se han desarrollado y publicado diferentes biorreactores miniaturizados en la literatura. Además de los sistemas agitados, como los matraces o las placas de microtitulación, se han investigado otros sistemas, como los sistemas agitados y aireados por burbujas. En varias revisiones y artículos de investigación [2, 5, 7, 69-71] se ofrece una descripción general amplia y completa de los últimos desarrollos. En este capítulo, se presenta un resumen de biorreactores miniaturizados agitados, con burbujas aireadas o agitados con volúmenes <100 ml.

Los sistemas de reactores microbianos agitados tienen algunas ventajas generales. Proporcionan un entorno homogéneo, que ofrece la posibilidad de monitorear de manera integral los parámetros importantes del proceso en línea durante el cultivo. Además, los biorreactores con agitación proporcionan varias opciones para aumentar la mezcla y la transferencia de masa. Según la reproducibilidad de diseño cerrado y la calidad de la medición, los resultados son generalmente altos en sistemas de reactores microbianos agitados. Sin embargo, los microbiorreactores agitados son a menudo costosos y poco adecuados para la experimentación de alto rendimiento. Uno de los primeros biorreactores agitados miniaturizados se informó en 2001. Este microbiorreactor de bajo costo consiste en una cubeta de poliestireno de 4 ml con un volumen de trabajo de 2 ml. Se integraron los optodos para la tensión de oxígeno disuelto (DOT) y las mediciones de pH, una medición de OD y una barra de agitación magnética. Se han alcanzado velocidades de agitación de hasta 300 rpm y valores de kLa de hasta 21 h − 1 en el cultivo de Escherichia coli. En 2003, Lamping publicó un biorreactor de turbina Rushton de 10 ml. El sistema es accionado mecánicamente por un motor eléctrico microfabricado y la aireación se logra con un rociador de tubo único. Por medio de fibra óptica, se realizaron mediciones de DOT, pH y OD. Se alcanzaron valores de _kLa hasta ∼ 360 h⁻¹en el sistema agua-aire, pero, para el cultivo de E. coli, se informan valores de hasta 128 h⁻¹. Este sistema de microbiorreactor se caracterizó luego de manera integral en términos de coeficiente de transferencia volumétrico de oxígeno y tiempo de mezcla en un amplio rango de velocidades del impulsor.

Además, la entrada de potencia se determinó mediante mediciones de entrada de potencia eléctrica. Yang y otros usaron un biorreactor agitado miniaturizado con 12 ml de volumen de llenado para los análisis de flujo metabólico. Se aplicó una interfaz de entrada de membrana de perfluoroalcoxialcano para conectar el biorreactor a un espectrómetro de masas para estudios de trazadores ¹⁸O para determinar la actividad respiratoria y los flujos metabólicos durante el cultivo de Corynebacterium glutamicum. También se instaló una sonda de pH para determinar el pH. Puskeiler presentó un sistema de biorreactor de poliestireno agitado y miniaturizado, que permite hasta 48 experimentos paralelos. A un volumen de llenado de 8 ml, se alcanzaron valores de k_La de aproximadamente 1600 h⁻¹a una velocidad de agitación de 2300 rpm. Mediante la integración en un sistema robótico de manejo de fluidos, se realizaron el control del pH, las mediciones de OD y la operación de alimentación por lotes. Más tarde, se integró un sensor DOT en estos sistemas. Betts y Baganz informan sobre un prototipo de un biorreactor de tanque agitado miniaturizado de 18 ml. Equipado con medición DOT y pH, se alcanza un valor de kLa de 480 h⁻¹a 7000 rpm. Klein presentó un sistema a pequeña escala de ocho tubos Hungate paralelos con un volumen de trabajo de 10 ml. El sistema funciona como un quimiostato y permite la monitorización de CO₂y la medición DOT. Se alcanzó kLa de 48.5h⁻¹a 2000 rpm.

Si solo se requiere un suministro moderado de oxígeno, una alternativa interesante a los microbiorreactores con agitación son la columna de burbujas o los microbiorreactores agitados. Ambos tipos de biorreactores son técnicamente simples y rentables. Doig desarrolló un reactor de columna de burbujas en miniatura con un volumen de trabajo de 2 ml que alcanzó valores de k_La de 220 h⁻¹. El sistema permite mediciones ópticas de DOT y pH. En 2006, se introdujo el sistema Micro 24 (𝜇24), que es un biorreactor de columna de burbuja miniaturizado agitado basado en una placa de microtitulación con sensor de temperatura DOT y pH óptico integrado y sensor de temperatura de conductor térmico. El control individual de pH, DOT y temperatura en cada pozo es posible. El sistema basado en placa de microtitulación disponible comercialmente con DOT y medición de pH y control de temperatura fue probado por Isett con cultivos de E. coli, Saccharomyces cerevisiae y Pichia pastoris. Se alcanzó k_La de 56 h⁻¹a 800 rpm.