En el campo de la biofermentación, los tanques de fermentación de vidrio siempre han sido el equipo preferido por el personal de optimización de procesos, especialmente en las etapas de laboratorio y a pequeña escala. Los tanques de fermentación de vidrio son transparentes, intuitivos, fáciles de limpiar y relativamente económicos, a la vez que satisfacen las necesidades de cultivo de la mayoría de los microorganismos. Los tanques de fermentación de vidrio de 5 litros son particularmente populares.
I. Material del tanque: La elección de un tanque de fermentación de vidrio adecuado comienza con la consideración del material. El vidrio de borosilicato de alta calidad se reconoce actualmente como la mejor opción, ya que combina estabilidad química, propiedades térmicas y transparencia física. El proceso de fermentación es esencialmente la actividad metabólica de los microorganismos en un entorno artificial. El caldo de fermentación tiene una composición compleja, que incluye sales inorgánicas, sistemas tampón, ácidos orgánicos, enzimas y metabolitos secretados por microorganismos. El vidrio de borosilicato de alta pureza, debido a la incorporación de una gran cantidad de trióxido de boro durante su proceso de fabricación, forma una estructura de red de silicio-oxígeno altamente estable, lo que le confiere una resistencia excepcional al agua, ácidos, álcalis y diversos disolventes orgánicos. Este tanque inerte no libera elementos adicionales al caldo de fermentación ni adsorbe sus componentes activos, garantizando así la autenticidad de los datos y la consistencia de los lotes.
En cuanto a sus propiedades térmicas, el vidrio de borosilicato de alta pureza resuelve el problema de fiabilidad más crítico de los materiales de vidrio. Los tanques de fermentación se someten casi invariablemente a esterilización a alta temperatura y deben alternar entre temperatura ambiente, temperatura de esterilización y temperatura de cultivo. Estos cambios drásticos de temperatura exigen una resistencia al choque térmico extremadamente alta. El vidrio de borosilicato de alta pureza tiene un coeficiente de dilatación térmica de tan solo un tercio del del vidrio común, lo que le permite soportar diferencias de temperatura instantáneas de cientos de grados Celsius sin sufrir daños. Desde la perspectiva de la observación del proceso, la transparencia del vidrio de borosilicato de alta calidad le confiere un valor único que ningún metal puede reemplazar. Los operadores necesitan monitorear constantemente los cambios en el estado del tanque, y el vidrio de borosilicato de alta calidad no solo tiene una alta transmitancia de luz, sino que tampoco amarillea fácilmente con el uso prolongado, manteniendo un campo de visión consistentemente bueno. A través de las paredes del tanque, los técnicos pueden evaluar directamente si la agitación es uniforme, si la capa de espuma es demasiado alta, si los microorganismos se agrupan o se adhieren, e incluso percibir el estado metabólico mediante cambios de color. Esta información visual intuitiva suele ser más directa que los datos de los sensores.
II. Volumen
El volumen nominal de un fermentador de vidrio de 5 L se refiere al volumen total del tanque de 5 litros, pero el llenado real de líquido generalmente se controla alrededor del 70 %, lo que equivale a aproximadamente 3,5 L de medio de cultivo. Si se llena demasiado, la espuma tiende a desbordarse durante la agitación, obstruyendo el filtro de escape e incluso causando contaminación; si se llena demasiado poco, afecta la rentabilidad. La relación diámetro-altura a menudo se pasa por alto. El diseño más común es una forma alargada con una proporción aproximada de 1:2,2–1:2,5. Esta proporción puede prolongar el tiempo de residencia de las burbujas de aire en el líquido, mejorar el coeficiente de transferencia de oxígeno (valor kLa) y es especialmente adecuada para cultivos de alta densidad de microorganismos aerobios como E. coli, levaduras o Bacillus subtilis. Si su experimento es sensible al esfuerzo cortante (como en el caso de ciertos hongos o células animales), puede optar por una proporción ligeramente más corta y ancha, pero en general, 1:2,5 es la opción más equilibrada.
III. Métodos de esterilización
El método de esterilización es un factor crucial en la selección de frascos de vidrio para laboratorio. La esterilización externa es actualmente la opción más común para fermentadores de vidrio de 5 L en laboratorios. El procedimiento consiste en retirar primero la tapa superior de acero inoxidable del reactor, verter el medio de cultivo previamente preparado, sellar la tapa superior y, finalmente, colocar todo el fermentador (incluido el cuerpo del tanque, los electrodos, los frascos de alimentación, los tubos y demás accesorios) en un autoclave para su esterilización. Las ventajas radican en una estructura de reactor sencilla y un bajo coste de fabricación (entre un 30 % y un 100 % más económico que la esterilización in situ); resulta adecuado para la mayoría de los escenarios de enseñanza, selección de cepas e investigación rutinaria. La desventaja es que requiere desmontaje, montaje y manipulación antes y después de cada experimento, lo que consume mucho tiempo. Si bien la esterilización externa es algo más compleja, ofrece una alta rentabilidad; siempre que el autoclave pueda alojar el tanque de 5 L y sus accesorios, la esterilización externa es la solución óptima.
La esterilización in situ consiste en introducir vapor a alta temperatura directamente en el fermentador y la camisa tras su instalación, mediante las tuberías, válvulas y el sistema de control de vapor integrados en el equipo. Esto elimina la necesidad de desmontaje y es especialmente adecuado para procesos que requieren cambios frecuentes de lote o que exigen una esterilidad extrema para la validación a escala industrial. En el caso de los fermentadores de vidrio, el calentamiento/enfriamiento rápido y las fluctuaciones de presión durante la esterilización in situ generan un estrés térmico significativo, que puede provocar fácilmente fallos en el sellado de la interfaz o daños en los electrodos. El equipo también requiere generadores de vapor adicionales, válvulas automáticas, sensores de presión y un diseño de vidrio reforzado, lo que incrementa significativamente los costos. Las reparaciones en caso de problemas también son más difíciles. Por lo tanto, la esterilización in situ es relativamente poco común en tanques de vidrio y se encuentra principalmente en tanques de acero inoxidable.
IV. Sistema de agitación:
El sistema de agitación determina la uniformidad de la mezcla, la transferencia de oxígeno y el control de la fuerza de corte, y es el componente principal del fermentador. Para reactores de vidrio de 5 L utilizados para la fermentación microbiana, se suele emplear un servomotor de CC de 100-300 W o un motor de CA de frecuencia variable para la agitación. Estos motores son pequeños, silenciosos, no requieren mantenimiento y ofrecen una regulación de velocidad precisa y continua. También admiten control PID digital, lo que facilita la conexión con el controlador de fermentación para ajustar el oxígeno disuelto y la fuerza de corte. Deben evitarse los motores asíncronos convencionales debido a su baja precisión en la regulación de velocidad, que no cumple con los requisitos de estabilidad y repetibilidad de la fermentación.
Los sellos mecánicos son un método común de sellado dinámico en sistemas de agitación para fermentadores de vidrio, utilizados principalmente en sistemas de agitación mecánica de entrada superior. Se pueden dividir en sellos mecánicos de una cara frontal y sellos mecánicos de doble cara frontal. Los primeros constan de un solo anillo giratorio (que rota con el eje) y un anillo fijo (fijado a la tapa del tanque), y se basan en la autolubricación del medio de cultivo dentro del tanque. Su estructura es simple, su costo es bajo y su transmisión de torque es eficiente, lo que los hace adecuados para reactores de vidrio de laboratorio. Los segundos utilizan dos conjuntos de sellos frontales conectados en serie, formando una cámara de lavado en el centro, a través de la cual se introduce un fluido de sellado especial, creando una doble barrera. Incluso si hay una pequeña fuga interna, los contaminantes externos no pueden entrar, lo que resulta en una mayor higiene.
La agitación con acoplamiento magnético inferior es una solución común de agitación aséptica en la fermentación microbiana en reactores de vidrio de 5 L. La diferencia visual más significativa es la ausencia de un motor en la tapa superior, mientras que el reactor cuenta con una base adicional. El motor se instala en la parte inferior, y el anillo magnético exterior gira con el motor, impulsando el anillo magnético interior (integrado con el eje de agitación y el impulsor) mediante un fuerte acoplamiento magnético. Esto evita que el eje del agitador atraviese la pared o la tapa del tanque, eliminando la necesidad de sellos mecánicos o empaquetaduras, y logrando una transmisión completamente sin contacto. Las ventajas de la agitación con acoplamiento magnético incluyen una esterilidad extrema, la eliminación completa de zonas muertas y riesgos de fugas asociados con la penetración del eje, ausencia de desgaste de los sellos, la ausencia de necesidad de reemplazo o lubricación regular de las juntas tóricas y una larga vida útil. Además, genera una mezcla axial y radial de abajo hacia arriba, lo que resulta en una distribución de gas más uniforme (cuando se usa con un chorro anular) y, a menudo, una mayor transferencia de oxígeno disuelto (kLa), especialmente con medios de bajo volumen o alta viscosidad. La fuerza de cizallamiento es relativamente suave, lo que la hace más adecuada para cepas sensibles (como ciertos hongos filamentosos). La desventaja es el riesgo de desacoplamiento en el acoplamiento magnético. Si la viscosidad del medio aumenta demasiado, la velocidad de rotación es excesiva o la carga es demasiado pesada, los anillos magnéticos interno y externo pueden desprenderse momentáneamente, deteniendo la agitación. Es necesaria una cuidadosa selección de un sistema de accionamiento magnético de alto par para fermentaciones de alta densidad o alta viscosidad (por ejemplo, con partículas sólidas).
Para la mayoría de las fermentaciones microbianas en reactores de vidrio de 5 L de laboratorio, la agitación mecánica combinada con un sello mecánico de un solo extremo es la opción más rentable y práctica. Es simple, fiable y fácil de mantener, y ha sido validada por numerosas marcas. La actualización a sellos mecánicos de doble extremo o agitadores con acoplamiento magnético inferior solo se considera en situaciones que requieren condiciones asépticas estrictas, microorganismos de alto riesgo o procesos especiales, para proporcionar seguridad adicional.
V. Impulsores
El impulsor es un componente clave que afecta la uniformidad de la mezcla, el coeficiente de transferencia de oxígeno (kLa), la fuerza de cizallamiento y el consumo de energía. El material del impulsor es acero inoxidable 316L con una superficie electropulida. El principio fundamental de selección consiste en equilibrar una alta transferencia de oxígeno (necesaria para microorganismos aerobios) con una baja cizalladura (que protege la célula microbiana).
Los impulsores de turbina son la opción más común para la fermentación microbiana. Generan principalmente flujo radial, rompen burbujas y aumentan significativamente el valor de kLa, lo que los hace adecuados para fermentaciones de alta densidad con altos requerimientos de oxígeno (como E. coli y levaduras). Su fuerte dispersión de gases y alta eficiencia de transferencia de oxígeno han sido validadas por numerosos estudios y marcas. Una desventaja es que las altas velocidades pueden dañar hongos filamentosos o cepas sensibles.
Los impulsores de álabes angulados se instalan a aproximadamente 45°, generando flujo radial y axial simultáneamente, lo que resulta en una mezcla más uniforme. Tienen una menor fuerza de cizalladura que los impulsores de turbina y también ofrecen una mejor transferencia de oxígeno. Son adecuados para medios de cultivo de viscosidad media o microorganismos que son algo sensibles a la cizalladura. Cuando se utilizan en combinación con un impulsor de turbina inferior, mejoran la circulación general y reducen las zonas muertas. La desventaja es que su capacidad de dispersión de gases es ligeramente menor que la de un impulsor de turbina puro. Los impulsores de flujo axial generan principalmente flujo axial, lo que resulta en la menor fuerza de cizallamiento, haciéndolos adecuados para cultivos de baja viscosidad y baja cizalladura. Estos impulsores tienen menor potencia y mayor eficiencia energética, lo que los hace idóneos para hongos filamentosos o cepas altamente sensibles a la cizalladura. El proceso de agitación es relativamente suave, con menos espuma y menor consumo de energía. Sus desventajas son una dispersión de gas y un valor kLa relativamente bajos, lo que los hace inadecuados para fermentaciones de crecimiento rápido con requerimientos de oxígeno extremadamente altos.
La configuración más común y recomendada para un fermentador de vidrio de 5 L es un impulsor combinado de 2 a 3 capas: un impulsor de turbina inferior para la dispersión de gas, que divide el gas entrante en microburbujas; un impulsor de palas inclinadas superior para la circulación axial, que evita la sedimentación celular y distribuye uniformemente las burbujas dispersas desde la capa inferior por todo el tanque; y se puede añadir un impulsor antiespumante mecánico.