Bacterias acidófilas en movimiento: El reto de agitar cultivos en biorreactores

Tema: Cultivar microorganismos en biorreactores plantea retos donde la biología y la ingeniería se cruzan. Este artículo explora cómo la viscosidad del cultivo y las condiciones de agitación influyen en el movimiento del fluido dentro del tanque. A través de la reología y la hidrodinámica, se explica cómo la presencia de bacterias, liquido, aire y partículas minerales puede hacer más complejo el mezclado en sistemas con bacterias acidófilas.

1. Introducción 

¿Te has preguntado cómo se comportan los líquidos cuando se agitan? El agua, por ejemplo, mantiene una viscosidad aproximadamente constante, sin importar la velocidad con la que se mueva. Sin embargo, existen otros fluidos, como el cátsup o la mostaza, que se vuelven más fáciles de mover a mayor velocidad. Este comportamiento tan particular no es exclusivo de los alimentos con los que convivimos, sino que también se observa en los cultivos de bacterias y hongos. A este campo de estudio se le conoce como reología:  la ciencia que analiza cómo se deforman y fluyen los materiales. En los procesos biotecnológicos, al trabajar con bacterias acidófilas (microorganismos que habitan en ambientes extremadamente ácidos), se aprecia que la viscosidad del medio cambia constantemente según la cantidad de bacterias presentes la producciTema: Cultivar microorganismos en biorreactores plantea retos donde la biología y la ingeniería se cruzan. Este artículo explora cómo la viscosidad del cultivo y las condiciones de agitación influyen en el movimiento del fluido dentro del tanque. A través de la reología y la hidrodinámica, se explica cómo la presencia de bacterias, liquido, aire y partículas minerales puede hacer más complejo el mezclado en sistemas con bacterias acidófilas.

1. Introducción 

¿Te has preguntado cómo se comportan los líquidos cuando se agitan? El agua, por ejemplo, mantiene una viscosidad aproximadamente constante, sin importar la velocidad con la que se mueva. Sin embargo, existen otros fluidos, como el cátsup o la mostaza, que se vuelven más fáciles de mover a mayor velocidad. Este comportamiento tan particular no es exclusivo de los alimentos con los que convivimos, sino que también se observa en los cultivos de bacterias y hongos. A este campo de estudio se le conoce como reología:  la ciencia que analiza cómo se deforman y fluyen los materiales. En los procesos biotecnológicos, al trabajar con bacterias acidófilas (microorganismos que habitan en ambientes extremadamente ácidos), se aprecia que la viscosidad del medio cambia constantemente según la cantidad de bacterias presentes la producción de biopolímeros o el consumo de nutrientes. Estos cambios dificultan la distribución uniforme del oxígeno y de las sustancias nutritivas en los biorreactores, donde es fundamental mantener un buen mezclado en condiciones hidrodinámicas adecuadas. No obstante, en el caso de estos “fluidos complejos” cuya viscosidad varía, lograr una mezcla eficiente se convierte en un verdadero desafío (de Lamotte et al., 2017). 

1. Bacterias mineras 

Algunas bacterias y hongos son capaces de desarrollarse en ambientes extremadamente ácidos (pH < 3), que resultan inhóspitos para la mayoría de los seres vivos. Un ejemplo de este tipo de microorganismo es Acidithiobacillus thiooxidans, una bacteria utilizada en la industria minera para favorecer la recuperación de metales no ferrosos. Esto se debe a que utiliza los compuestos de azufre como fuente de energía, es decir, los oxida para llevar a cabo su crecimiento y respiración. Durante este proceso, la bacteria puede adherirse al mineral y contribuir a la liberación de los metales presentes en la matriz mineral. Además, produce ácido sulfúrico, lo que puede favorecer la solubilización de dichos metales. A este proceso se le conoce como biolixiviación (Díaz et al., 2018; Gómez-Ramírez et al., 2020).

El proceso de biolixiviación puede llevarse a cabo​ en un ambiente controlado dentro de un biorreactor. Sin embargo, la presencia simultánea de bacterias, sus productos metabólicos o de desecho, aire, líquido y partículas minerales convierte su operación en un verdadero reto de ingeniería, especialmente desde el punto de vista del mezclado. 

2. El reto de trabajar en ambientes ácidos

Las condiciones en las que se desarrollan las bacterias acidófilas pueden representar un desafío para los materiales utilizados en los biorreactores. En los procesos de biolixiviación, los distintos elementos del equipo están en contacto con medios altamente ácidos y compuestos de hierro y azufre. Estas condiciones pueden provocar la corrosión de las superficies metálicas, como los sistemas de agitación (Ignatiadis y Amalhay, 2001; Inaba et al., 2019).

A pesar de que los aceros inoxidables presentan una capa protectora que les permite resistir los ambientes corrosivos, bajo ciertas condiciones de acidez y composición del medio, esta película pasiva puede deteriorarse y favorecer el desgaste del material (Dong et al., 2018; Inaba et al., 2019). Por esta razón, al diseñar un biorreactor para este tipo de procesos, se deben considerar no solo las condiciones necesarias para el crecimiento de los microorganismos, sino también la resistencia de los materiales utilizados. En el caso de los impulsores, su selección debe evaluar tanto el movimiento que generan dentro del tanque, como se abordará posteriormente, como su capacidad para resistir las condiciones del proceso.

3. Cuando un cultivo no fluye como el agua

El estudio de la reología permite conocer cómo varían las propiedades de los fluidos cuando experimentan cambios en su temperatura, concentración, agitación o tiempo. Por ejemplo, las bacterias pueden moverse libremente dentro del biorreactor o formar biopelículas cuando se adhieren a una superficie, como la de un mineral.  Las biopelículas formadas por estos microorganismos pueden presentar un comportamiento viscoelástico, es decir, muestran propiedades intermedias entre un sólido elástico y un líquido viscoso. En el caso particular de ciertas bacterias, estas producen una sustancia viscosa que las rodea, conocida como matriz extracelular. Esta capa les confiere resistencia frente a fuerzas externas y puede comportarse como un líquido o como un material elástico, muy similar al slime (Díaz et al., 2018; Jana et al., 2020).

Por eso, para los ingenieros es fundamental conocer la manera en que varía la viscosidad del cultivo con el fin de mantener el sistema correctamente mezclado. Para ello, se utiliza un equipo llamado reómetro, mostrado en la figura 1, el cual analiza cómo se deforma el material cuando se le aplica una fuerza. De este modo, es posible determinar su resistencia al movimiento, cómo cambia con el tiempo y qué condiciones modifican su comportamiento.

Figura 1. Reómetro de esfuerzo controlado utilizado para estudiar el comportamiento reológico de los cultivos microbianos.

5.¿Qué ocurre dentro de un biorreactor agitado?

Para el adecuado funcionamiento de un biorreactor se requiere que el sistema esté diseñado para mantener el medio de cultivo en constante movimiento, correctamente mezclado y con las condiciones óptimas de temperatura, oxígeno y nutrientes. En la figura 2 se muestra un biorreactor de tanque agitado a escala de laboratorio. Lograr las condiciones adecuadas es fundamental durante los procesos en tanques agitados, ya que una mezcla deficiente genera zonas donde el oxígeno, los nutrientes y las bacterias no interactúan adecuadamente. Esto puede afectar el crecimiento celular y reducir la eficiencia del bioproceso. Por esta razón, se convierte en un gran desafío lograr que el cultivo se mezcle uniformemente, evitando la formación de zonas estancadas o regiones con circulación limitada (de Lamotte et al., 2017). 

Figura 2. Biorreactor de tanque agitado a escala de laboratorio utilizado para el cultivo de microorganismos en condiciones controladas.

6.Los impulsores: diferentes maneras de mover el fluido

Los impulsores son piezas clave en los biorreactores de tanque agitado. La forma del impulsor y el tipo de movimiento que genera determina la manera en que el fluido se distribuye dentro del tanque. En este contexto, es posible encontrar impulsores de tipo radial y axial. Los primeros impulsan el fluido desde el centro hacia las paredes del tanque, como se observa en la figura 3a. En los impulsores axiales, el fluido se mueve principalmente de arriba hacia abajo (o viceversa), como se muestra en la figura 3b, lo que favorece la circulación del líquido y la suspensión de partículas. En la industria se utilizan diversos tipos y configuraciones de impulsores, entre los que destacan los agitadores Rushton y Maxflo. Su selección depende de las características del fluido, del diseño del tanque y de las condiciones requeridas para el proceso (Núñez-Ramírez et al., 2012). 

Figura 3. Patrones de flujo generados por distintos tipos de impulsores en un biorreactor: a) flujo radial y b) flujo axial.

7.¿Cómo se evalúa la mezcla?

Para comprender la manera en que un fluido se mueve dentro de un biorreactor, los científicos e ingenieros utilizan diversos parámetros hidrodinámicos. 

Uno de ellos es el número de Reynolds (Re), un valor sin unidades que relaciona las fuerzas inerciales que mantienen al líquido en movimiento con las fuerzas viscosas que se oponen a este. Cuando el cultivo presenta una viscosidad variable, se utiliza una versión adaptada conocida como número de Reynolds generalizado (Reg). Las ecuaciones y variables utilizadas para calcular ambos parámetros se muestran en el Recuadro 1. Sin embargo, estos parámetros no indican por sí solos si todos los componentes del biorreactor se encuentran distribuidos uniformemente (Kaiser et al., 2018).

Además de conocer cómo se mueve el fluido, es necesario estimar cuánta potencia requiere la agitación. Para ello se utiliza el número de potencia (Np), que permite comparar la energía requerida por diferentes impulsores y condiciones de operación. Su forma de cálculo se presenta en el Recuadro 2. El número de potencia se relaciona con el número de Reynolds para construir curvas de potencia (Fig. 4). Sin embargo, una menor potencia no significa necesariamente que la mezcla sea más uniforme, por lo que también deben analizarse parámetros como el tiempo de mezcla y la distribución del fluido (Benz, 2021).

Figura 4. Comportamiento general del número de potencia (NP) en función del número de Reynolds (Re) en un biorreactor agitado. Los límites entre los regímenes de flujo son aproximados y dependen de la geometría y del tipo de impulsor.

Cuando se trabaja con fluidos complejos, como los cultivos microbianos, el proceso de mezclado se vuelve más complicado debido a los cambios en la viscosidad y a la presencia simultánea de bacterias, sus productos metabólicos o de desecho, aire, líquido y partículas minerales. Durante la agitación, las burbujas de aire pueden romperse y cambiar de tamaño, mientras que las partículas minerales pueden desplazarse o permanecer suspendidas. Estos fenómenos dependen del diseño del tanque, la forma y velocidad del impulsor, la viscosidad del líquido, la aireación y la presencia de bafles (deflectores). Por ello, el estudio de parámetros como el tiempo de mezcla es fundamental, ya que permite conocer cuánto tarda el sistema en alcanzar una distribución uniforme bajo determinadas condiciones hidrodinámicas. Un menor tiempo indica un mezclado más rápido del trazador, aunque esto no significa por sí solo que el diseño del sistema sea óptimo (de Lamotte et al., 2017; Ascanio, 2015; Núñez-Ramírez et al., 2012). Por ejemplo, la figura 5 muestra el comportamiento del glicerol coloreado bajo una configuración de agitación combinada Rushton–Maxflo. Las áreas más oscuras indican regiones donde el fluido tarda más tiempo en distribuirse y donde todavía existen diferencias de concentración, lo que evidencia que la mezcla aún no es homogénea. 

Figura 5. Distribución del glicerol coloreado durante el mezclado en un biorreactor con configuración de impulsores Rushton–Maxflo. Las diferencias de color indican las regiones donde el trazador aún no se ha distribuido de manera uniforme.

8.El equilibrio entre mezcla y energía

Para que el proceso de biolixiviación se desarrolle de manera adecuada, no basta con mantener el impulsor en movimiento. Es imprescindible considerar las características reológicas del cultivo, el patrón de flujo generado, el tiempo requerido para alcanzar una distribución uniforme y el consumo energético del sistema. Una mayor velocidad de agitación favorece el movimiento del líquido, la suspensión de los sólidos y la transferencia de oxígeno. Sin embargo, también incrementa drásticamente la energía requerida por el biorreactor y puede generar un estrés mecánico que altere el estado de las células. Por esta razón, el análisis conjunto de la reología y de las condiciones hidrodinámicas permite comparar diferentes configuraciones de impulsores y velocidades de agitación. La selección de las condiciones óptimas del proceso debe considerar un equilibrio del comportamiento del cultivo, la distribución de los componentes y el consumo energético (Núñez-Ramírez et al., 2012).

9.Conclusión

Los biorreactores de tanque agitado son piezas clave en los procesos biotecnológicos. Gracias a su diseño y capacidad de mantener entornos controlados, permiten desarrollar bioprocesos con microorganismos extremófilos, como las bacterias acidófilas, en aplicaciones industriales como la biolixiviación. Sin embargo, para su correcto funcionamiento se requiere comprender el comportamiento del líquido, cómo se distribuyen el oxígeno, los nutrientes y las partículas, así como la manera en que responde el sistema ante los cambios de viscosidad. Por lo tanto, estudiar la hidrodinámica (el movimiento del fluido), y la reología (la deformación y el flujo de los materiales) permite seleccionar con mayor fundamento las condiciones operativas del sistema). El objetivo final es alcanzar una mezcla adecuada que equilibre la distribución de los componentes, las necesidades fisiológicas del microorganismo y la potencia requerida por la agitación.

10.Bibliografía 

Ascanio G. (2015). Mixing time in stirred vessels: A review of experimental techniques. Chinese Journal of Chemical Engineering, 23(7), 1065-1076. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2014.10.022   

Benz G. (2021). Agitator Design for Gas-Liquid Fermenters and Bioreactors (1st ed.). Wiley.

de Lamotte A., Delafosse A., Calvo S., Delvigne F., Toye D. (2017). Investigating the effects of hydrodynamics and mixing on mass transfer through the free-surface in stirred tank bioreactors. Chemical Engineering Science, 172, 125–142. https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.06.028 

Díaz M., Castro M., Copaja, S., Guiliani N. (2018). Biofilm formation by the acidophile bacterium Acidithiobacillus thiooxidans involves c-di-GMP pathway and Pel exopolysaccharide. Genes, 9(2), 113. https://doi.org/10.3390/genes9020113 

Dong Y., Jiang B., Xu D., Jiang C., Li Q., Gu T. (2018). Severe microbiologically influenced corrosion of S32654 super austenitic stainless steel by acid producing bacterium Acidithiobacillus caldus SM-1. Bioelectrochemistry, 123, 34–44. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2018.04.014  

Gómez-Ramírez, M., Moreno-Villanueva, F., Rojas-Avelizapa, N. G. (2020). Acidithiobacillus thiooxidans DSM 26636: An alternative for the bioleaching of metallic burrs. Catalysts, 10(11), 1230. https://doi.org/10.3390/catal10111230 

Ignatiadis I., Amalhay M. (2001). Experimental study of corrosion of two stainless steels during the oxidative bacterial dissolution of pyrite using mass loss and electrochemical techniques. International Journal of Mineral Processing, 62(1–4), 199–215. https://doi.org/10.1016/S0301-7516(00)00053-3  

Inaba Y., Xu S., Vardner J. T., West A. C., Banta S. (2019). Microbially influenced corrosion of stainless steel by Acidithiobacillus ferrooxidans supplemented with pyrite: Importance of thiosulfate. Applied and Environmental Microbiology, 85(21), e01381-19. https://doi.org/10.1128/AEM.01381-19 

Jana S., Charlton S. G. V., Eland L. E., Burgess J. G., Wipat A., Curtis, T. P., Chen J. (2020). Nonlinear rheological characteristics of single species bacterial biofilms. npj Biofilms and Microbiomes, 6, 19. https://doi.org/10.1038/s41522-020-0126-1 

Kaiser S. C., Werner S., Jossen V., Blaschczok K., Eibl D. (2018). Power input measurements in stirred bioreactors at laboratory scale. Journal of Visualized Experiments, (135), e56078. https://doi.org/10.3791/56078 

Núñez-Ramírez D. M., Valencia-López J. J., Calderas F., Solís-Soto A., López-Miranda J., Medrano-Roldán H., Medina-Torres L. (2012). Mixing analysis for a fermentation broth of the fungus Beauveria bassiana under different hydrodynamic conditions in a bioreactor. Chemical Engineering and Technology, 35(11), 1954–1961. https://doi.org/10.1002/ceat.201200130