La morfología de las células microbianas cambia la forma en que las células se mueven, intercambian masa y se separan dentro de los equipos de bioprocesamiento. La forma celular, el tamaño, las capas superficiales y la agregación influyen en el transporte de nutrientes y oxígeno, la reología de la suspensión, el arrastre hidrodinámico, el comportamiento en la centrifugación, la resistencia a la filtración y el ensuciamiento de las membranas. Como resultado, los equipos diseñados para partículas esféricas ideales pueden requerir diferentes ajustes de agitación, aireación, presión, tiempo de residencia o fuerza centrífuga para cultivos microbianos reales.
La morfología celular es una variable operativa, no solo una característica biológica. Afecta las condiciones hidrodinámicas y de transferencia de masa que experimentan las células y determina la eficiencia con la que se puede recuperar la biomasa sin un exceso de cizallamiento, ensuciamiento o pérdida de producto.
Por qué la morfología es importante en los equipos de bioprocesos
La forma cambia la interacción con el fluido
Los cocos, bacilos y espirilos presentan diferentes áreas proyectadas y orientaciones al fluido circundante. Estas diferencias cambian la fuerza de arrastre, el comportamiento rotacional, la frecuencia de colisión y la capa límite local alrededor de cada célula.
Las suposiciones de células esféricas son útiles para cálculos simplificados, pero no describen completamente a los microorganismos alargados, curvos o en espiral. Las células no esféricas pueden alinearse con el flujo, dar vueltas o experimentar una resistencia dependiente de la orientación.
El tamaño influye en la distancia de transporte
El tamaño de la célula afecta la distancia que los nutrientes, el oxígeno y los productos metabólicos deben recorrer entre el fluido principal y la superficie celular. Las células más grandes o alargadas pueden desarrollar mayores diferencias de concentración interna, particularmente cuando las reacciones intracelulares consumen sustratos rápidamente.
La limitación relevante puede ocurrir fuera de la célula, a través de la envoltura celular o dentro de la propia célula. Por lo tanto, el rendimiento del equipo depende tanto de la transferencia de masa externa como de la demanda biológica de las especies transportadas.
Las capas superficiales modifican el comportamiento interfacial
Las capas mucosas externas y otros materiales extracelulares alteran la hidratación, la adhesión y la fricción de la superficie. Pueden aumentar el tamaño efectivo de una célula y cambiar la forma en que interactúa con burbujas, membranas, medios filtrantes y células vecinas.
Estas capas también pueden promover la agregación o depósitos similares a biopelículas. En consecuencia, el comportamiento aparente del cultivo puede diferir sustancialmente del de partículas aisladas y limpias.
Efectos en la transferencia de masa
La transferencia de oxígeno depende de la suspensión celular
La morfología microbiana afecta la transferencia de oxígeno indirectamente a través de las propiedades de la suspensión y directamente a través de la interfaz célula-fluido. La forma celular, el material superficial y la agregación influyen en cómo las células circulan a través de las regiones ricas y pobres en oxígeno del recipiente.
La agitación y la aireación deben proporcionar una transferencia gas-líquido suficiente mientras mantienen un entorno de cizallamiento aceptable. Los contactores de membrana de fibra hueca y los absorbedores empacados estructurados pueden proporcionar una gran área interfacial para la transferencia de oxígeno con menos espuma o cizallamiento que algunos arreglos convencionales de dispersión de gas.
La morfología cambia la capa límite
La transferencia de masa desde el líquido a granel hacia una célula ocurre a través de una capa límite de fluido. El espesor y la estructura de esta capa dependen de la velocidad local, la turbulencia, la forma de la célula y su orientación.
Las células alargadas o en espiral no presentan la misma geometría de capa límite que las esferas. Por lo tanto, los cambios en la agitación, la viscosidad y el régimen de flujo pueden cambiar el coeficiente de transferencia de masa a escala celular, incluso cuando la concentración de oxígeno en el fluido principal permanece constante.
Los agregados crean gradientes internos
Las células que se adhieren a través de capas mucosas u otras interacciones superficiales pueden formar grupos, flóculos o agregados más grandes. Las células exteriores pueden recibir más oxígeno y nutrientes que las células ubicadas dentro del agregado.
Esto produce gradientes de concentración internos y puede reducir la productividad efectiva de la biomasa. También crea un problema dependiente de la escala: un agregado puede comportarse como una partícula porosa grande aunque esté compuesto por muchas células microbianas individuales.
La reología acopla la biología y el equipo
La morfología y la agregación influyen en la viscosidad del caldo, el esfuerzo de fluencia y el comportamiento de flujo no newtoniano. Un caldo más viscoso o estructurado puede reducir la circulación, la dispersión de gas y la eficacia de la mezcla.
Una mala circulación aumenta los gradientes de concentración y temperatura. También puede reducir el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno efectivo, comúnmente representado como kLa, incluso cuando las tasas de agitación y aireación no cambian.
Efectos en la dinámica de separación
La centrifugación depende de algo más que la densidad celular
Las centrífugas separan la biomasa según el equilibrio entre la fuerza centrífuga, la flotabilidad y el arrastre hidrodinámico. Para partículas esféricas ideales en condiciones de bajo número de Reynolds, la sedimentación a menudo se aproxima con relaciones de tipo Stokes.
Las células microbianas reales pueden ser alargadas, curvas, flexibles, agregadas o estar rodeadas de mucosidad. Por lo tanto, sus coeficientes de arrastre y dimensiones efectivas difieren de los de las esferas, lo que hace que las tasas de sedimentación se aparten de las predicciones simples de partículas esféricas.
La orientación afecta la sedimentación
Una célula con forma de bastón o espiral puede presentar diferentes áreas transversales dependiendo de su orientación en el fluido. El arrastre resultante no es constante de la misma manera que lo es para una esfera.
En una centrífuga, las células pueden rotar o alinearse a medida que migran. Por lo tanto, el rendimiento de la separación depende de la distribución de formas y orientaciones, no solo del diámetro celular promedio.
La agregación puede mejorar la recuperación
Los agregados tienen un tamaño efectivo mayor y pueden sedimentar más rápidamente que las células individuales. Esto puede mejorar la recuperación de biomasa en la centrifugación o aumentar la retención durante la microfiltración.
Sin embargo, la agregación también puede atrapar el producto soluble, reducir la eficiencia del lavado y crear sedimentos heterogéneos. Un agregado más grande es más fácil de separar mecánicamente, pero puede ser más difícil de procesar biológica o químicamente después.
La disrupción celular cambia el problema de separación
Muchos bioproductos son intracelulares, por lo que la recolección de biomasa puede ir seguida de la disrupción celular. La disrupción convierte las células intactas en una mezcla de fragmentos, membranas, proteínas solubles, ácidos nucleicos y otros materiales con tamaños y densidades muy diferentes.
El tren de procesamiento posterior debe combinar la separación sólido-líquido con una purificación adicional. La centrifugación y la filtración eliminan los desechos más grandes, mientras que las operaciones de membrana y cromatografía manejan los solutos más pequeños y las biomoléculas objetivo.
La filtración es sensible a las propiedades superficiales
Durante la microfiltración o ultrafiltración, la morfología determina cómo las células se acercan, se orientan y se acumulan en la superficie de la membrana. Los bastones, espirilos, agregados y células recubiertas de mucosidad pueden formar depósitos con diferentes porosidades y resistencias.
Un depósito compacto puede reducir el flujo al aumentar la resistencia hidráulica. Un depósito deformable o adhesivo también puede promover la polarización por concentración y el ensuciamiento irreversible.
El flujo de membrana refleja resistencias acopladas
La separación por membrana se rige por gradientes de presión o concentración, la difusión de solutos y la resistencia de la membrana y la biomasa acumulada. La morfología afecta la capa de biomasa, mientras que la reología del caldo afecta el transporte a través de esa capa.
Por lo tanto, monitorear el flujo, la presión, la polarización por concentración y el comportamiento general de transferencia de masa es importante durante la operación a escala piloto. Las condiciones que funcionan para una suspensión de baja viscosidad pueden fallar cuando los cambios en la morfología causan una mayor deposición o un transporte dificultado.
Cómo deben adaptarse los parámetros del equipo
La agitación debe equilibrar la mezcla y el cizallamiento
Una mayor agitación puede reducir el espesor de la capa límite externa y mejorar la entrega de nutrientes y oxígeno. También puede aumentar el cizallamiento, romper agregados frágiles, dañar las células o alterar la morfología que el proceso intenta preservar.
Por lo tanto, el ajuste apropiado es un compromiso entre la demanda de transferencia de masa y la sensibilidad de la célula o el producto. La entrada de potencia por sí sola no es suficiente para predecir el rendimiento cuando la reología y la morfología del caldo varían.
La aireación requiere más que flujo de gas
Aumentar el flujo de gas puede elevar la disponibilidad de oxígeno, pero también puede aumentar la formación de espuma, el estrés relacionado con las burbujas y los cambios en la retención de gas. El mejor punto operativo depende de la demanda de oxígeno, la viscosidad del caldo, el tamaño de la burbuja y la capacidad del recipiente para dispersar el gas de manera uniforme.
La oxigenación por membrana proporciona una alternativa cuando la transferencia suave y la baja generación de espuma son prioridades. Su rendimiento sigue dependiendo de la resistencia de la membrana, los gradientes de concentración y las propiedades del fluido de cultivo.
La fuerza centrífuga debe coincidir con el comportamiento celular
Aumentar la fuerza centrífuga puede mejorar la recuperación de células que sedimentan lentamente, pero puede compactar los sedimentos, aumentar el consumo de energía o exponer células y productos sensibles a tensiones desfavorables.
El equipo piloto debe evaluarse utilizando la clarificación observada, la recuperación, las propiedades del sedimento y la calidad del producto en lugar de confiar solo en los coeficientes de sedimentación calculados.
La filtración requiere control de ensuciamiento
La presión, el flujo tangencial, la estructura de los poros de la membrana y el tiempo de residencia influyen en el rendimiento de la filtración. Más presión no siempre produce proporcionalmente más permeado porque la biomasa depositada puede aumentar la resistencia de la torta y la polarización por concentración.
Puede ser necesario el pretratamiento, la separación por etapas, el flujo tangencial controlado o un paso de clarificación previo cuando las células son alargadas, adhesivas o están fuertemente agregadas.
Comprender las compensaciones
Una mejor transferencia de masa puede aumentar el estrés celular
La agitación y aireación intensificadas generalmente mejoran la mezcla a granel y la transferencia gas-líquido. Las mismas condiciones pueden generar un mayor cizallamiento y cambiar la estructura de los agregados o las capas superficiales.
Por lo tanto, un proceso que maximiza la transferencia de oxígeno puede reducir la viabilidad, alterar la morfología o liberar material intracelular no deseado.
Una separación más rápida puede reducir la recuperación del producto
Una centrifugación fuerte o una filtración agresiva pueden clarificar el caldo rápidamente. También puede compactar los sólidos, retener el producto dentro de un sedimento o torta, o promover la lisis celular.
La separación debe juzgarse por la recuperación y calidad general del producto, no simplemente por la velocidad a la que el líquido se vuelve claro.
Los modelos esféricos son útiles pero limitados
Las ecuaciones de partículas esféricas proporcionan un punto de partida práctico para estimar la sedimentación y el arrastre. Se vuelven menos confiables cuando las células son muy alargadas, flexibles, agregadas, recubiertas de mucosidad o están presentes en una suspensión concentrada.
Se deben utilizar datos empíricos a escala piloto para corregir o validar los modelos simplificados antes del escalado.
La morfología puede cambiar durante el proceso
Las condiciones de crecimiento, la disponibilidad de nutrientes, la limitación de oxígeno, la agitación y el cizallamiento pueden alterar el tamaño, la forma, la agregación y el material extracelular de las células. Por lo tanto, el comportamiento de separación y transferencia de masa puede cambiar a lo largo de un lote.
Diseñar en torno a una sola medición de morfología puede pasar por alto estos cambios dependientes del tiempo. El monitoreo del proceso debe conectar las observaciones de morfología con los datos de transferencia de oxígeno, reología del caldo, disminución del flujo, clarificación y recuperación.
Tomar la decisión correcta para su objetivo
Las decisiones sobre el equipo deben vincular la morfología observada con el modo de falla real: transferencia insuficiente, mezcla deficiente, baja recuperación, ensuciamiento o daño al producto.
- Si su enfoque principal es la productividad de la fermentación: Ajuste la agitación y la aireación para reducir las limitaciones de la capa límite y la mezcla a granel, manteniendo el cizallamiento y la espuma dentro de límites aceptables.
- Si su enfoque principal es la entrega de oxígeno: Evalúe la transferencia gas-líquido o basada en membrana utilizando el kLa específico del cultivo, la viscosidad, la agregación y la demanda de oxígeno en lugar de solo el flujo de gas.
- Si su enfoque principal es la recolección de biomasa: Mida la clarificación y la recuperación para las formas celulares, agregados y capas superficiales reales en lugar de aplicar estimaciones de sedimentación de partículas esféricas sin validación.
- Si su enfoque principal es la separación por membrana: Caracterice la polarización por concentración, la resistencia de la torta, la disminución del flujo y el ensuciamiento, porque la morfología puede controlar la estructura de la capa de biomasa depositada.
- Si su enfoque principal es la recuperación de productos intracelulares: Planifique la secuencia desde la recolección hasta la disrupción celular, la eliminación de desechos, el procesamiento por membrana y la cromatografía como una estrategia de separación integrada.
Comprender la morfología permite a los ingenieros seleccionar y operar equipos unitarios de acuerdo con cómo se comporta realmente el cultivo, mejorando la eficiencia de transferencia, el rendimiento de separación y la recuperación del producto.
Tabla resumen:
| Factor de morfología | Impacto en la transferencia de masa | Impacto en la separación | Consideración del equipo |
|---|---|---|---|
| Forma y orientación celular | Cambia el arrastre, el espesor de la capa límite y el intercambio célula-fluido | Altera la sedimentación y el comportamiento de deposición en membrana | Validar las suposiciones de partículas esféricas con datos piloto |
| Tamaño celular | Aumenta la distancia de transporte y los posibles gradientes internos | Influye en la sedimentación, retención y clarificación | Ajustar el tiempo de residencia, la fuerza centrífuga o las condiciones de membrana |
| Capas superficiales y mucosidad | Modifican la adhesión, hidratación y transferencia interfacial | Aumentan la agregación, la resistencia de la torta y el ensuciamiento de la membrana | Incluir control de ensuciamiento y evaluación de propiedades superficiales |
| Agregación y floculación | Crea gradientes internos de oxígeno y nutrientes; cambia la reología del caldo | Puede mejorar la recuperación pero atrapar el producto y reducir la eficiencia de lavado | Optimizar la mezcla, el cizallamiento, el pretratamiento y la clarificación |
| Viscosidad del caldo y comportamiento no newtoniano | Reduce la circulación, la dispersión de gas y el kLa efectivo | Aumenta la resistencia hidráulica y la polarización por concentración | Evaluar la reología específica del cultivo durante el escalado |
| Disrupción celular | Libera componentes intracelulares y cambia las condiciones de transporte | Produce desechos que requieren clarificación y purificación por etapas | Integrar recolección, disrupción, filtración y cromatografía |
| Cambios morfológicos impulsados por el proceso | Causa cambios dependientes del tiempo en la demanda de oxígeno y la mezcla | Cambia la disminución del flujo, la clarificación y la recuperación durante un lote | Monitorear la morfología junto con el kLa, el flujo, la reología y la calidad del producto |
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