Diseño de un biorreactor de amplio espectro para el cultivo de microalgas

Abstract

En el contexto académico de la Pontificia Universidad Javeriana, los estudiantes de biotecnología enfrentan una limitación significativa en el acceso a biorreactores asequibles, lo que afecta su aprendizaje práctico y comprensión de los procesos de cultivo en estos sistemas. El manejo y operación de biorreactores a diversas escalas (laboratorio, planta piloto e industrial) es un proceso complejo que requiere conocimientos especializados, capacitación cuidadosa y considerables recursos financieros. Este proyecto tiene como objetivo desarrollar un biorreactor accesible y de bajo costo, diseñado específicamente para entornos educativos, permitiendo a los estudiantes experimentar y aprender de manera segura y efectiva. La meta es incrementar su confianza y competencia en el manejo de estos dispositivos, a la vez que se fomenta su interés en la biotecnología. La pregunta central del proyecto aborda cómo diseñar y configurar un biorreactor de bajo costo, versátil en su capacidad para cultivar microalgas y equipado para controlar parámetros críticos de crecimiento y desarrollo.

Este proyecto presenta el diseño de un biorreactor tubular vertical, con un sistema de agitación neumática (columna de burbujas) y equipado con capacidades avanzadas de control y monitoreo. Sus características incluyen control de temperatura, regulación de flujo de materiales de entrada y salida, y un sistema de aireación ajustable que permite modificar las condiciones de cultivo. Este diseño tiene como objetivo facilitar el control de parámetros clave para el crecimiento y desarrollo de los cultivos, promoviendo su aplicabilidad en entornos académicos y de investigación.

La etapa de diseño de este proyecto se basó en tres fases fundamentales: primero, se desarrolló una matriz de priorización para seleccionar el tipo de biorreactor a diseñar y construir; segundo, se eligieron materiales apropiados para cumplir con los requisitos técnicos y prácticos; finalmente, se diseñaron las partes necesarias en SolidWorks para su impresión 3D y ensamblaje, construyendo el prototipo presentado en este documento. En cuanto a los requisitos de rendimiento alcanzados, el biorreactor diseñado y construido cumple satisfactoriamente con los estándares establecidos. Este equipo demuestra un funcionamiento preciso en el monitoreo de temperatura y el control de flujo de materiales de entrada y salida, mostrando consistencia y estabilidad en estas operaciones. Además, responde eficazmente a variaciones en los niveles de aireación, adaptándose bien a cambios en la entrada de aire en el sistema. En conjunto, estas características aseguran que el biorreactor ofrezca un rendimiento confiable en línea con las expectativas técnicas para su uso en aplicaciones de laboratorio y aprendizaje.

El diseño del biorreactor se desarrolló superando limitaciones financieras mediante el uso de impresión 3D, facilitada por la Pontificia Universidad Javeriana, y con materiales como PETG financiados por el grupo de investigación y el presupuesto del proyecto. Otros componentes necesarios fueron proporcionados por los miembros del equipo. A medida que avanzaba el proyecto, se adquirieron conocimientos técnicos que permitieron mejoras en el diseño y el logro de los objetivos del proyecto. Para garantizar la calidad, se seleccionaron materiales que minimizan los riesgos de contaminación y previenen fugas, y se ajustaron las dimensiones a escala de laboratorio, dando como resultado un biorreactor cerrado adecuado para el cultivo de *Chlorella sp.*

Finalmente, el diseño y construcción del biorreactor fueron validados mediante su implementación en el cultivo de *Chlorella sp.*. Después de ocho días de cultivo, se realizó una comparación visual del crecimiento entre el biorreactor diseñado y construido por el grupo de investigación y un biorreactor New Brunswick. Los resultados mostraron un crecimiento significativamente mayor en el biorreactor diseñado por el grupo de investigación. Ambos cultivos se mantuvieron bajo condiciones controladas de temperatura, permitiendo una comparación justa. Sin embargo, se observaron diferencias clave entre los biorreactores, incluyendo el método de agitación, la presencia de iluminación en el sistema diseñado y su ausencia en el biorreactor comercial, así como variaciones en la geometría, que probablemente influyeron en el crecimiento de las microalgas.