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El reactor es el corazón de cualquier proceso de fermentación o conversión enzimática. El diseño de bioreactores es una tarea complicada, basada en principios científicos y de ingeniería y en muchas reglas empíricas. Los aspectos específicos del reactor y su operación incluyen varias decisiones criticas. (Doran, 1998)

DISEÑO BÁSICO DE UN BIOREACTOR


Las decisiones tomadas en el diseño del reactor tiene un efecto considerable sobre el rendimiento global del proceso. Todavía no existe procedimientos sencillos o estándar para el diseño reactores que cubran todos los aspectos del recipiente y de su operación.
El conocimiento de cinética de las reacciones es esencial para comprender cómo funciona los reactores biológicos , aunque también son necesarias otras áreas de ingeniería de bioprocesos como balances de materia y energía, la mezcla, la transferencia de materia y la transmisión de calor. (Doran,1998)


El diseño de biorreactores es una tarea de ingeniería bastante compleja. Los microorganismos o células son capaces de realizar su función deseada con gran eficiencia bajo condiciones óptimas. Las condiciones ambientales de un biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, etc.), temperatura, pH, oxígeno disuelto y velocidad de agitación o circulación, deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas.La mayoría de los fabricantes industriales de biorreactores usan recipientes, sensores, controladores y un sistema de control interconectados para su funcionamiento en el sistema de biorreacción.

La misma propagación celular (fenómeno conocido como Fouling) puede afectar la esterilidad y eficiencia del biorreactor, especialmente en los intercambiadores de calor. Para evitar esto, el biorreactor debe ser fácilmente limpiable y con acabados lo más sanitario posible (de ahí sus formas redondeadas).Se requiere de un intercambiador de calor para mantener el bioproceso a temperatura constante. La fermentación biológica es una fuente importante de calor, por lo que en la mayor parte de los casos, los biorreactores requieren de agua de enfriamiento. Pueden ser refrigerados con una chaqueta externa o, para recipientes sumamente grandes, con serpentines internos.

En un proceso aerobio, la transferencia óptima de oxígeno es tal vez la tarea más difícil de lograr. El oxígeno se disuelve poco en agua (y aún menos en caldos fermentados) y es relativamente escaso en el aire (20,8 %). La transferencia de oxígeno usualmente se facilita por la agitación que se requiere también para mezclar los nutrientes y mantener la fermentación homogénea. Sin embargo, existen límites para la velocidad de agitación, debidos tanto al alto consumo de energía (que es proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al daño ocasionado a los organismos debido a un esfuerzo de corte excesivo.

Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la fuerza de agitación. También son fáciles de mantener ya que requieren sólo soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.
En los biorreactores utilizados para crecer células o tejidos, el diseño es significativamente distinto al de los biorreactores industriales. Muchas células y tejidos, especialmente de mamífero, requieren una superficie u otro soporte estructural para poder crecer y los ambientes agitados son comúnmente dañinos para estos tipos de células y tejidos. Los organismos superiores también requieren medios de cultivo más complejos.


INTRODUCCIÓN
El diseño en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos básicos y teóricos que conlleven a lograr un prototipo; para la realización íntegra de un modelo, otra gran parte, trata de la adaptación creativa y de la utilización del ingenio propio para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biológico de un cultivo vivo con el ambiente artificial de un dispositivo controlado; este es el resultado denominado biorreactor o reactor biológico.

Un biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnológico que debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biológica. Externamente el biorreactor es la frontera que protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no controlado. El biorreactor debe por tanto suministrar los controles necesarios para que la operación o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con economía, alto rendimiento (productividad) y en el menor tiempo posible; esa es la parte tecnológica.
Los tratamientos biológicos son de gran interés en los procesos de depuración sobretodo para las aguas residuales. Su uso, se fundamenta en el aprovechamiento de la capacidad para degradar de ciertos microorganismos, de igual manera sus capacidades de acumular, adsorber, precipitar o volatilizar una gran variedad de contaminantes presentes en el agua contaminada en este caso.


El desempeño de los biorreactores depende casi en su totalidad del microorganismo que se selecciona para obtener el producto de interés. Aunque la productividad del proceso está relacionada con la optimización de los parámetros de operación del equipo, siendo la célula la entidad donde se desarrolla toda actividad manufacturada. Debido a que la producción depende de la población de microorganismos el ambiente donde las células se cultivan debe proporcionar lo necesario para que ellas rindan los resultados esperados.
Una etapa que juega un importante rol en el desarrollo de estos procesos, es el diseño de los biorreactores o reactores biológicos. A diferencia de lo que ocurre con equipos para procesos de transferencia de masa o de calor, no existe una metodología para el diseño de equipos, dentro de los cuales se desarrolle una reacción o conversión bioquímica, debido principalmente a que el diseño del biorreactor està regido por el sistema de reacción específico que se va llevar acabo y el tipo de microorganismos que se emple.
Un biorreactor o fermentador es aquel dispositivo que proporciona un medio ambiente controlado que permite el crecimiento eficaz de las células (microorganismos) para la transformación de una materia prima en un producto. Este medio ambiente, debe tener niveles óptimos de temperatura, pH, sustrato, sales, y oxígeno.
Los biorreactores son equipos donde se realiza el proceso de cultivo, sea en estado solido o líquido. Su diseño debe ser tal que se asegure homogeneidad entre los componentes del sistema y condiciones óptimas para el crecimiento microbiano y la obtención del producto deseado.

El biorreactor se configura para proveer al usuario un sistema tipo paquete que contiene elementos necesarios para funcionar en un proceso de fermentación; los dispositivos básicos requeridos para funcionar en un proceso de fermentación son:

  • Equipo para suministrar aire. ( transferencia de masa)
  • Equipo para generar y controlar la temperatura. (transferencia de energia)
  • Equipo para agitación mecánica. (transferencia de movimiento)


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Un biorreactor esta diseñado para brindar las características necesarias de monitoreo de diferentes variables como temperatura, presión y concentración de gases, originadas como resultado de la transformación química, las mismas que deben mantenerse controladas a fin de ofrecer condiciones óptimas para el desarrollo y la acción del microorganismo (Novoa, 2010).
Otros equipos como bombas, rotámetros, válvulas, filtros, tuberías, abrazaderas, pHmetros y sus controladores, deben ser adquiridos aparte, teniendo en claro que el equipo puede emplearse para realizar una fermentación controlando manualmente el pH, el oxígeno disuelto y el nivel de espuma. (1)
En el diseño del biorreactor se tiene en cuenta, además del tipo de proceso microbiológico, el efecto del flujo, el tiempo de residencia, el pH, la temperatura, la biomasa, la concentración de nutrientes y la velocidad de agitación para que se desarrolle en forma óptima la conversión de los lodos.

El siguiente video muestra un prototipo de un reactor:












Antes de diseñar un bioreactor, hay que entender que su cinética no está determinada exclusivamente por la velocidad de reacción y las variables que la determinan. La cinética biológica igualmente depende de características intrínsecas del organismo tales como crecimiento y tasa de división celular, y también del tipo de operación que se lleve a cabo. Es por esto que primero se define el propósito de utilización.

Clasificación de un Biorreactor



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Clasificación de un biorreactor


PRINCIPIOS DEL DISEÑO DE UN BIORREACTOR


Podemos realizar varias preguntas antes del diseño del reactor como :
  1. Configuración del Reactor, por ejemplo, ¿Debería ser el reactor un tanque agitado por medios mecánicos o por aire?
  2. Tamaños del reactor, ¿Que tamaño de reactor se necesita para alcanzar la velocidad de producción deseada.
  3. Condiciones del proceso dentro del reactor , ¿Que condiciones de reacción tales como temperatura, pH y tensión de oxígeno disuelto deberían de mantenerse en el recipiente y cómo se controlaría dichos parámetros? ¿Como se evitara la contaminación?
  4. Modo de Operación, ¿Operaría el reactor en discontinuo o mediante un proceso de flujo continuo?¿Deberá suministrarse el sustrato de manera intermitente?¿Deberá operar el reactor solo o en serie?

Existen varias preguntas pero los criterios más importantes para el diseño de un biorreator pueden resumirse del siguiente modo dependiendo del tipo de reactor y la fermentación a utilizar:

  1. El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante numerosos días, para evitar la aparición de contaminantes en las operaciones de bioprocesos de larga duración.
  2. Debe permitir una mayor área de contacto entre las fases biótica y abiótica del sistema, es decir, se debe proporcionar un sistema adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades metabólicas de los microorganismos.
  3. El consumo de energía debe ser el mínimo posible
  4. Entradas para la adición de nutrientes y el control del pH.
  5. El crecimiento microbiano es generalmente exotérmico, por lo que, el biorreator debe facilitar las transferencia de calor, del medio hacia las células y viceversa, a medida que se produce el crecimiento celular, además de mantener estable la temperatura deseada.
  6. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen del cultivo
  7. Suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo.
  8. El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente inoculado con el microorganismo deseado.

Los biorreactores más utilizados a nivel industrial están provistos de mecanismos de agitación, dispersión y aireación así como de sistemas para el control de la temperatura, pH.



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Tomado de : Ruiz, H. 2007. "Diseño de biorreactores para fermentacion en medio solido"

CONJUNTO BIORREACTOR-SISTEMA


El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos:

  1. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
  2. Mantener constante y homogénea la temperatura.
  3. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
  4. Prevenir la sedimentación y la floculación.
  5. Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.
  6. Mantener el cultivo puro.
  7. Mantener un ambiente aséptico.
  8. Maximizar el rendimiento y la producción.
  9. Minimizar el gasto y los costos de producción.
  10. Reducir al máximo el tiempo.
Las operaciones realizadas por estos biorreactores son las siguientes:
  • Homogenización, para mantener la temperatura y la distribución de concentración de manera uniforme.
  • Mezcla sólido/líquido, para mantener una suspensión con una distribución de sólidos uniforme.
  • Procesos líquido/líquido, para dispersar una fase en otra, formar emulsiones y realizar extracciones.
  • Procesos gaseoso/líquido, para dispersar el gas en los líquidos, airear el líquido.
  • Intercambio de calor

Para hacer un bioreactor de manera industrial se inicia con un biorreactor piloto, que permita simular el bioproceso, de forma experimental y con la ayuda de software.
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CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES


Clasificación operativa


Se clasifican de acuerdo al modo de operación: discontinuo, semicontinuo, continuo.

Esta es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor, sea químico o biológico. En este último, el modo de operación define el sistema de cultivo que es el mismo y delimita la clasificación procesal-productiva del cultivo. Al operar un biorreactor en cualquier modo de operación, automáticamente queda determinado el modo de cultivo del sistema y se definen los parámetros y las características operativas y de diseño que intervienen en el proceso productivo del sistema.

Clasificación biológica


Los biorreactores se clasifican biológicamente de acuerdo al metabolismo procesal del sistema de cultivo: anaeróbico, facultativo, aeróbico.

Los bioprocesos de cultivo y las fermentaciones están basados en el metabolismo celular del cultivo. El metabolismo define los parámetros y características operativas-biológicas de diseño y de operación del biorreactor, y estas características son las que intervienen en la parte biológica del sistema y tienen que ver con el crecimiento, productividad y rendimiento del cultivo.

  • Discontinuo(batch): por lotes o tandas, sistema cerrado, sin alimentación (F); se coloca dentro del biorreactor la carga total de cada proceso (tanda o lote) de cultivo o fermentación y se dejar que se lleve a cabo el proceso productivo o la fermentación por el tiempo que sea necesario, este tiempo se denomina tiempo de retención. Son sistemas cerrados que se caracterizan por cambiar las condiciones fisiológicas y ambientales. No hay entrada ni salida de medio de cultivo.

A estos reactores se los carga una vez de forma total o por intervalos durante varios días. Este tipo de reactores son aplicables cuando hay problemas de falta de personal o cuando el material para degradar no existe de forma continua.

    • Ventajas:
      • Procesamiento de una gran variedad de sustratos.
      • Admite cargas secas y con alta humedad.
      • Trabajo en ciclos para una operación menos personalizada.

    • Desventajas:
      • La carga y descarga requiere de una mayor operación de manera personalizada.

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Ventajas y Desventajas de los Reactores Continuo y Discontinuo





  • Semicontinuo (batch alimentado): por lotes alimentados, con alimentación de entrada (F1); se alimenta una línea de entrada (F1) para que el sistema de cultivo tenga un producto con máximo de crecimiento (exponencial) y aumente la productividad. Estos sistemas operan adicionando medio fresco, pero sin remoción del existente. Son muy útiles cuando se requiere una elevada densidad celular en la etapa de iniciación del proceso que implica un alto consumo de nutrientes, especialmente de fuente hidrocarbonada que suele funcionar como sustrato limitante.

    • Son muy útiles cuando se necesita una elevada densidad celular en la etapa de iniciación del proceso que implica un alto consumo de nutrientes (fuente hidrocarbonada que suele funcionar como sustrato limitante).
    • Consiste en remover, al final de la operación entre un 80 y un 90 % del cultivo y reemplazarlo por medio fresco.
    • De esta manera puede satisfacerse sencillamente la necesidad de contar con inóculos de gran tamaño y a su vez evitar la esterilización del reactor entre dos ciclos.

  • Continuo: por quimioestato, se alimenta una línea de entrada F1 o alimentación y se drena una línea de salida F2o lavado; de manera que los flujos o caudales de ambas líneas sean iguales y la producción sea continua. El caudal de entrada de medio fresco es igual al de salida de medio utilizado. Son utilizados en cultivos donde la velocidad de crecimiento celular es constante por lo que existe un suministro constante de nutrientes o para la remoción permanente de producto sobre todo en sistemas inmovilizados.

Ventajas:
    • Son utilizados en cultivos donde la velocidad de crecimiento celular es constante ya que hay un constante ingreso de nutrientes o para la remoción permanente de producto sobre todo en sistemas inmovilizados.
    • Para su buena aplicación se requiere minimizar lo que se denomina lavado del cultivo.
    • Una variante es la Perfusión que implica la remoción y suministro de medio dejando la biomasa ocluída en una malla.

Desventajas:

  • Presenta inconvenientes con respecto al mantenimiento de las condiciones de asepsia del proceso, y se dificulta debido a la tendencia a formar agregados de las células vegetales en cultivo, la formación de merengue y el lento crecimiento celular.
  • Para su buena aplicación se requiere del diseño de sistemas que permitan suplementar continuamente el medio de cultivo evitando la remoción de las células y así minimizar lo que se denomina lavado del cultivo.
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TIPOS DE REACTORES




Clasificación biológica-operativa


Ambas clasificaciones; la biológica y la operativa, son procesalmente interdependientes y en su conjunto afectan el diseño final del biorreactor.

Al conjuntarse ambas clasificaciones, se conjuntan también la función operativa y la biológica para establecer entre ambas un propósito de utilización, el modo de cultivo y el bioproceso. Siendo el propósito de utilización, el destino de cultivo del biorreactor; para qué tipo de cultivo va a ser utilizado el biorreactor; el modo de cultivo es sinónimo de sistema de cultivo y el bioproceso es en sí, todo el proceso. para la historia

BALANCES - ECUACIONES


Balance general


Es en este donde se toma en consideración únicamente el sistema, el ambiente externo y los flujos que entran (F1) y salen (F2) e interaccionan con el ambiente externo.

Balance general biomasa


Velocidad de Acumulación = Velocidad de Entrada – Velocidad de Salida + Velocidad de Formación – Velocidad de Consumo

Balance General por componente


Debe tomarse en cuenta que, en un sistema de cultivo, existen muchos componentes: sustratos, productos, compuestos metabólicos que conforman el caldo de cultivo (medio interno); incluso la biomasa, se considera un componente en sí misma.

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Donde, (V) es el volumen del cultivo, (F1) es el flujo de entrada, (Cºi) es la concentración inicial (alimentación) del componente i, (F2) es el flujo de salida, (Ci) es la concentración (lavado) del componente i, (rf) es la velocidad de formación del componente i, (rc) es la velocidad de consumo del componente.


FACTORES QUE AFECTAN AL FUNCIONAMIENTO
  • Concentración de los compuestos necesarios para el crecimiento y actividad bacterianas (nutrientes y sustratos).
  • Mantener los parámetros físico-químicos (temperatura, pH) del medio en rangos relativamente limitados para que la actividad de los microorganismos sea óptima.
  • Diseño del sistema para que sea capaz de resistir variaciones de las condiciones normales de operación.
  • Agitación

FACTORES QUE AFECTAN AL RESULTADO DEL PROCESO
  • Las características del efluente que se alimenta (porcentaje de sólidos, presencia de cloro, etc.).
  • La cinética de crecimiento bacteriano y de transformación de los lodos.
  • La composición de la población bacteriana en el biorreactor.
  • La calidad de la materia orgánica que se añade al proceso.
  • El funcionamiento estable del reactor dependerá de los siguientes factores:
  • Concentración de los compuestos necesarios para el crecimiento y actividad bacterianas (nutrientes y sustratos).
  • Mantener los de parámetros físico-químicos (temperatura, pH) del medio en rangos relativamente limitados para que la actividad de los microorganismos sea óptima.

DISEÑOS BÁSICOS DE BIORREACTORES PARA MULTIPLES PROPÓSITOS


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PARÁMETROS IMPORTANTES DE DISEÑO
  • Tanque.- La altura del tanque debe tener un 25% mas que su diámetro.

  • Deflectores.- Son láminas de metal unidas a la pared del tanque por medio de corchetes y sirven para reducir los vórtices que se forman por la agitación. Lo adecuado es colocar 4 deflectores espaciados en el tanque, con una anchura óptima de 1/10-1/12 el diámetro del tanque. La separación óptima de los deflectores con respecto a la pared del tanque es 1/50 del diámetro del mismo, esta separación evita la sedimentación y la formación de zonas estancadas al lado de los deflectores durante la mezcla de suspensiones viscosas de células.

  • Rodetes.- El diámetro del rodete debe ser 1/3 del diámetro total del tanque, el diámetro del disco en el caso de un rodete de Rushton, debe ser un 75% del diámetro total del rodete, las paletas para este rodete deben estar en una posición vertical en un número de 6 y con una inclinación de 90º, el tamaño de las paletas debe ser: en longitud el 25% y en grosor el 20% del diámetro del rodete. La distancia a la que debe estar ubicado el rodete desde el fondo del tanque es aproximadamente 10 % de la altura del tanque.


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Otro parámetro de diseño que se debe tomar en cuenta al diseño, son la cantidad de caldo que va estar contenida debe ser los 3/4 o 75% del volumen total del biorreactor. Para un funcionamiento adecuado como se indica en el gráfico.

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MODOS DE OPERACIÓN


Los bioreactores, tienen básicamente tres modos de operación para realizar las fermentaciones:

  • Modo lote (Batch)
  • Modo lote alimentado (Fed-Batch)
  • Modo continuo

Los modos de operación por lote, son modos discontinuos de operación, el modo lote es comúnmente llamado discontinuo, mientras que el modo lote alimentado se conoce como discontinuo alimentado a intervalos.

Reactores Químicos
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CONTROL Y MONITOREO DEL BIOPROCESO

Los parámetros a controlar dentro de un bioreactor son:
  • Temperatura
  • pH
  • Presión parcial de O2
  • Formación de espuma

Temperatura
La temperatura es un importante parámetro en la fermentación, si es que hay una desviación de un par de grados puede disminuir drásticamente el crecimiento y la biosíntesis de productos. Es por esto que la variación de temperatura debe variar entre ± 0,5 ° C.
Soluciones:
La temperatura de los biorreactores de laboratorio puede ser controlada de las siguientes maneras:

• Colocando un calentador situado en el interior del biorreactor, mediante tuberías con paredes delgadas que están conectados con una válvula electromagnética con el agua de refrigeración.

Controlando la calefacción y refrigeración con un termostato, el agua termostatizada con la ayuda de una bomba circula a través de la camisa de biorreactor.

pH
El pH en un bioproceso tiene menos efecto sobre la actividad biológica de los microorganismos que la temperatura, frecuentemente las bacterias crecen en un intervalo de pH de 4 – 8, las levaduras de 3 – 6 y los mohos de 3 – 7. Esto también es aprovechado en la industria. Por ejemplo, las fermentaciones de levaduras generalmente operan a un pH tan bajo como sea posible para reducir la contaminación por baterías.
Soluciones:
El control de pH se basa enla comparación del “punto fino” de ajuste y los valores de pH reales, para esto se utilizan únicamente electrodos estériles Mettler-Tolede. El control de los valores de pH se asegura con la ayuda de las bombas peristálticas que dosifiquen ácido y álcali. Las mediciones de pH deberían ser precisas, con valores de ± 0,02 unidades de pH, ya que la dinámica de los cambios de los valores de pH proporcionan cambios valiosos sobre la cinética del proceso.

Espuma

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La aparición de espuma es un fenómeno muy indeseable ya que existe el riesgo de perder el caldo de fermentación y no es posible llevar a cabo análisis de alta calidad y mediciones con la presencia de espuma en el reactor. La espuma también interfiera en la velocidad de transferencia de materia en los fluidos como se menciona en Uso de agentes antiespumantes para el consumo de Oxígeno

Solución
• La eliminación de la espuma es posible mediante un agente antiespumante teniendo en cuenta que una sobredosis podría disminuir dramáticamente los parámetros de cinéticos microbianos.

• Es conveniente el uso de dispositivos de medición mecánica de espuma, este es un dispositivo especial instalado en la cubierta superior del biorreactor que empieza a funcionar si hay formación de espuma.

Una solución óptima es la combinación de ambos métodos. La aplicación de la variante uno se usa másen biorreactores de laboratorio.


PROTOTIPO CASERO





































Referencias:
  1. http://www.myminstrumentostecnicos.com/wenv/file_data.php?id=397
  2. Novoa, D. 2010. Introducción a las bioseparaciones. Consultado el 4 de Enero del 2012. Disponible en:http://soebi.wordpress.com/bioprocesos-e-industrias-de-alimentos/
  3. Cunill, Fidel. Reactores Quimicos. http://diposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/12703/1/APUNTS%20DE%20REACTORS%20QU%C3%8DMICS.pdf

El diseño de biorreactores es una tarea de ingeniería bastante compleja. Los microorganismos o células son capaces de realizar su función deseada con gran eficiencia bajo condiciones óptimas. Las condiciones ambientales de un biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, etc.), temperatura, pH, oxígeno disuelto y velocidad de agitación o circulación, deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas.bricantes industriales de biorreactores usan recipientes, sensores, controladores y un sistema de control interconectados para su funcionamiento en el sistema de biorreacción (ver PLC).
La misma propagación celular (fenómeno conocido en inglés como Fouling) puede afectar la esterilidad y eficiencia del biorreactor, especialmente en los intercambiadores de calor. Para evitar esto, el biorreactor debe ser fácilmente limpiable y con acabados lo más sanitario posible (de ahí sus formas redondeadas).
Se requiere de un intercambiador de calor para mantener el bioproceso a temperatura constante. La fermentación biológica es una fuente importante de calor, por lo que en la mayor parte de los casos, los biorreactores requieren de agua de enfriamiento. Pueden ser refrigerados con una chaqueta externa o, para recipientes sumamente grandes, con serpentines internos.
En un proceso aerobio, la transferencia óptima de oxígeno es tal vez la tarea más difícil de lograr. El oxígeno se disuelve poco en agua (y aún menos en caldos fermentados) y es relativamente escaso en el aire (20,8 %). La transferencia de oxígeno usualmente se facilita por la agitación que se requiere también para mezclar los nutrientes y mantener la fermentación homogénea. Sin embargo, existen límites para la velocidad de agitación, debidos tanto al alto consumo de energía (que es proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al daño ocasionado a los organismos debido a un esfuerzo de corte excesivo.
Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la fuerza de agitación. También son fáciles de mantener ya que requieren sólo soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.
En los biorreactores utilizados para crecer células o tejidos, el diseño es significativamente distinto al de los biorreactores industriales. Muchas células y tejidos, especialmente de mamífero, requieren una superficie u otro soporte estructural para poder crecer y los ambientes agitados son comúnmente dañinos para estos tipos de células y tejidos. Los organismos superiores también requieren medios de cultivo más complejos.
El diseño en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos básicos y teóricos que conlleven a lograr un prototipo; para la realización íntegra de un modelo, otra gran parte, trata de la adaptación creativa y de la utilización del ingenio propio para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biológico de un cultivo vivo con el ambiente artificial de un dispositivo controlado; este es el resultado denominado biorreactor o reactor biológico. Un biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnológico que debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biológica. Externamente el biorreactor es la frontera que protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no controlado. El biorreactor debe por tanto suministrar los controles necesarios para que la operación o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con economía, alto rendimiento (productividad) y en el menor tiempo posible; esa es la parte tecnológica.