Selección de impulsores en biorreactores: Rushton, pitched-blade e hydrofoil
Los impulsores son componentes clave en los biorreactores, ya que se encargan de homogeneizar el medio de cultivo y de favorecer la transferencia de oxígeno disuelto. Su diseño influye directamente en la eficiencia de la mezcla, en la distribución de nutrientes y oxígeno y en las fuerzas de cizallamiento a las que están expuestas las células, por lo que la selección del impulsor es una decisión crítica dentro del proceso upstream.
Puntos clave
Rendimiento de mezcla: Los impulsores garantizan condiciones homogéneas dentro del biorreactor, evitando gradientes de concentración y temperatura que pueden afectar al crecimiento celular y a la calidad del producto.
Transferencia de oxígeno (kLa): La dispersión del gas y la rotura de burbujas dependen en gran medida de la geometría del impulsor, influyendo directamente en la tasa de transferencia de oxígeno que puede alcanzarse.
Entorno de cizallamiento: Los distintos diseños de impulsosores generan perfiles de cizalla diferentes, que pueden resultar beneficiosos para microorganismos robustos o perjudiciales para cultivos celulares sensibles al cizallamiento.
Capacidad de suspensión: Una selección adecuada del impulsor mantiene las células y los sólidos uniformemente en suspensión, evitando la sedimentación o la aparición de zonas localizadas de alta densidad.
Escalabilidad del proceso: El tipo de impulsor y su configuración desempeñan un papel clave en la transferencia de procesos desde el laboratorio hasta las escalas piloto y de producción.
En la práctica, los impulsores permiten una mezcla eficiente y un aporte de oxígeno controlado al cultivo. Por ejemplo, un impulsor Rushton de seis palas se utiliza habitualmente en fermentaciones microbianas con organismos tolerantes al cizallamiento, ya que admite altas velocidades de agitación y proporciona una elevada capacidad de transferencia de oxígeno.
Tipos de impulsores en biorreactores
En biorreactores se utilizan diversos diseños de impulsores; aquí nos enfocamos en los más comunes: turbina Rushton, impulsor de palas inclinadas (pitched-blade) e impulsor tipo hydrofoil.
Turbina Rushton (radial, palas planas)
La turbina Rushton es un disco con 4-6 palas rectas montadas perpendicularmente al eje. Su patrón de flujo es principalmente radial: el líquido es impulsado desde el centro hacia las paredes laterales. Este diseño genera:
- Alta cizalla: Las palas planas rompen burbujas de gas y fuerzan un fuerte cizallamiento local, lo que favorece la disipación energética.
- Eficiente dispersión de gas: Al quebrar las burbujas se incrementa el área interfacial y, por ende, la transferencia de oxígeno (kLa), llegando a valores muy altos a costa de mayor consumo energético.
- Mezcla eficiente en regímenes turbulentos, manteniendo sólidos ligeros en suspensión.
Es ideal para fermentaciones microbianas aeróbicas (por ejemplo, E. coli), donde se busca una alta transferencia de oxígeno y las células toleran bien la cizalla. También se utiliza en sistemas con múltiples impulsores (a lo largo del eje) para escalas industriales, pues su geometría está bien caracterizada y escala de forma confiable.
Sin embargo, su fuerte flujo radial no induce recirculación axial descendente, por lo que no aspira aire adicional desde la superficie, característica útil cuando se desea evitar aireación superficial no deseada.
Impulsor de palas inclinadas (pitched-blade)
El impulsor de palas inclinadas (o pitched-blade turbine, PBT) tiene típicamente 4–6 palas planas inclinadas en torno a 45°. Este diseño produce un flujo mixto axial-radial: parte del líquido se impulsa hacia abajo o hacia arriba (axial) mientras parte va hacia los lados (radial). Las palas inclinadas generan:
- Cizalla moderada: Menor que la Rushton, pues la componente axial suaviza la agitación.
- Transferencia de masa eficiente: Mantiene buena dispersión de gas, aunque típicamente con kLa algo menor que la Rushton a la misma potencia.
- Mezcla versátil: Útil tanto en sistemas aerados como no aerados, manteniendo homogénea la suspensión. Es muy utilizada en cultivos celulares de mamíferos (p.ej. líneas CHO, Vero), donde el menor cizallamiento protege la viabilidad celular.
En la práctica, un agitador de palas inclinadas proporciona “movimiento perpendicular y paralelo al eje”. Es muy bueno para homogeneizar líquidos con sólidos en suspensión y dispersar burbujas de oxígeno. En diseños de bioprocesos se usa a menudo orientado hacia abajo (down-pumping) para forzar recirculación, o hacia arriba (up-pumping) para evitar acumulación de espuma.
Impulsor Hydrofoil
El impulsor tipo hydrofoil o hélice Marina cuenta con 3 palas curvas aerodinámicas (de perfil como alas de avión) inclinadas aproximadamente 45°. Su patrón de flujo es axial (especialmente descendente). Características clave:
- Baja cizalla: Al tener un perfil curvo y trabajar a menores revoluciones por volumen de líquido, genera fuerzas de corte reducidas, cuidando células sensibles.
- Alta eficiencia de bombeo axial: Maximiza el flujo vertical (bombeo) con poco esfuerzo mecánico.
- Menor consumo energético: Presenta un número de potencia bajo y una excelente capacidad de bombeo con una baja disipación de energía.
- Transferencia de masa moderada: Puede alcanzar buena kLa aprovechando un flujo uniforme, aunque requiere mantener flujo de gas fino.
Por su eficiencia y menor esfuerzo, los hidrofoil son adecuados en cultivos celulares a gran escala y en reactores de alta relación altura-diámetro, donde se busca mantener buena circulación vertical con mínimos gradientes de velocidad. En resumen, ofrece un flujo rápido hacia arriba/abajo, haciendo factible la mezcla a bajas RPM, a expensas de un diseño más complejo.
Comparativa de rendimiento: kLa, cizalla y consumo energético
Los tres diseños difieren notablemente en su rendimiento en cuanto a oxigenación, cizalla y potencia requerida:
Tabla: comparativa de impulsores en biorreactores (Rushton vs pitched-blade vs hydrofoil)
| Característica | Rushton | Pitched-blade | Hydrofoil |
|---|---|---|---|
| Patrón de flujo | Predominantemente radial | Mixto axial-radial | Predominantemente axial |
| Transferencia de O₂ (kLa) | Muy alta (rompe burbujas) | Buena (menor que Rushton) | Buena relativa (alta eficiencia) |
| Intensidad de cizalla | Alta (turbulenta) | Moderada (mezcla suave) | Baja (flujo laminar parcial) |
| Eficiencia energética | Baja (Po alto, consumo elevado) | Intermedia (Po medio) | Alta (Po bajo, menor consumo) |
| Uso típico (procesos) | Fermentaciones microbianas (E. coli, levaduras), gasificación intensa | Cultivos celulares sensibles (CHO, HEK) y mezclas líquido-líquido | Cultivo celular a gran escala, fluidos viscosos |
| Escala de uso | Laboratorio a industrial (típico en SS) | Laboratorio a piloto (SU o SS) | Laboratorio a industrial (SU o SS) |
| Material típico | Acero inoxidable (SS 316L) | Acero inoxidable o polímeros en SU | Acero inoxidable o polímeros SU |
Consideraciones de escalado (del laboratorio a la producción industrial)
Al escalar un proceso biotecnológico, es crucial mantener o ajustar parámetros de agitación para conservar el comportamiento hidrodinámico. Entre las estrategias de escalado más comunes se incluyen:
- Poder por volumen constante (P/V): Mantener la misma potencia por unidad de volumen asegura una mezcla homogénea similar. Sin embargo, al aumentar el tamaño del reactor se debe controlar el incremento en el tiempo de mezcla.
- Velocidad de punta constante: Mantener la misma velocidad lineal en la punta de pala protege las células, ya que las fuerzas mecánicas se mantienen constantes al escalar. Esto tiende a reducir la eficiencia de mezcla a gran escala, por lo que puede requerir aumentar el diámetro del impulsor.
- Tiempo de mezcla constante: Asegura alcanzar la homogeneidad deseada, pero exige más potencia en tanques grandes.
- kLa constante: Se orienta a mantener la misma capacidad de transferencia de oxígeno (importante en cultivos de mamíferos sensibles al oxígeno). En ese caso, puede permitirse mayor consumo energético para alcanzar ese kLa deseado.
En la práctica, se emplean enfoques híbridos. Por ejemplo, se puede mantener una velocidad punta constante y a la vez optimizar la geometría del reactor (diámetro/altura) y la distribución de múltiples impulsores en el tanque.
La relación altura/diámetro influye en el balance entre mezclas vertical y radial, de modo que en escalas grandes suele preferirse una mayor relación para facilitar circulación axial. Además, los biorreactores industriales emplean a menudo más de un impulsor montado a diferentes alturas para garantizar mezcla uniforme en tanques altos.
Durante el escalado, otro factor clave es el tip speed (velocidad de punta), que afecta directamente al estrés mecánico sobre las células. Por ello, en cultivos celulares se busca frecuentemente mantener el tip speed bajo (p.ej.<<1–2 m/s) al escalar, mientras que en fermentaciones microbianas se permite mayor tip speed para favorecer el oxígeno.
En resumen, durante el escalado es necesario adaptar el diseño del biorreactor y los parámetros operativos (revoluciones, configuración de impulsores) para preservar una mezcla homogénea, una transferencia de oxígeno suficiente y niveles de cizalla compatibles con la viabilidad celular.
Biorreactores de acero inoxidable vs. de un solo uso
En bioprocesos existen reactores tradicionales de acero inoxidable (SS) y sistemas de un solo uso. Cada enfoque tiene implicaciones en los impulsores:
- Biorreactores de acero inoxidable: Son habituales en producción industrial. Su construcción robusta (SS 316L, pulido sanitario) permite un lavado intensivo y esterilización repetida mediante CIP/SIP. Son duraderos y soportan un amplio rango de condiciones (presión, temperatura alta). Los impulsores en SS suelen ser metálicos (acero), los cuales pueden ser limpiados y esterilizados junto con el reactor.
- Ventajas: Buena reproducibilidad entre lotes, control de acabados de superficie (menos sitios de retención) y ausencia de problemas de compuestos extraíbles.
- Desventajas: Alto costo inicial y mayor tiempo de inactividad por limpieza.
- Biorreactores de un solo uso (single-use): Utilizan sacos o bolsas de polímero (PE, EVA, PVC, etc.) como vaso de reacción desechable. No requieren limpieza ni esterilización in situ, pues se cambian por un nuevo elemento estéril en cada lote. Los impulsores integrados en estos sistemas suelen ser de plástico compatible (polipropileno u otros) y de diseño similar a los de acero.
- Ventajas: Eliminación del tiempo de limpieza/CIP (mayor flexibilidad para desarrollos rápidos y múltiples productos), menor inversión en infraestructura (hasta ~40% menos CAPEX) y facilidad de escalado modular.
- Desventajas: Presentan limitaciones en cuanto a temperatura y métodos de esterilización (no son aptos para autoclave), requieren evaluar la posible liberación de sustancias desde los materiales plásticos al producto y tienen, en general, una vida útil más limitada.
Limpieza, validación y materiales compatibles
La elección del impulsor también está relacionada a las exigencias de limpieza y validación del sistema. Algunos puntos clave:
- Limpieza y esterilización (CIP/SIP): En biorreactores de acero inoxidable se aplica limpieza in situ (CIP) y esterilización en lugar (SIP) tras cada lote. El diseño de los impulsores (ángulo de palas, diámetro) debe permitir un buen acceso a los jet del CIP y evitar zonas muertas. Por ello se emplean acabados pulidos (rugosidad baja) en palas y sellos sanitarios. Los materiales comunes son SS 316L con certificación biofarmacéutica.
- Validación y aprobación de materiales: Los componentes de impulsión (palas, ejes, retenedores) deben cumplir normas FDA/BPF. Para SS, se valida la limpieza residual y biocompatibilidad del acero. En sistemas single-use, cada bolsa y su impulsor se suministran con certificaciones del material (tipo de polímero, adhesivos y componentes), junto con estudios que evalúan la posible liberación de sustancias desde los materiales al medio de cultivo. El proveedor suele aportar documentación que confirma su compatibilidad con el proceso y con métodos de esterilización como la radiación gamma.
- Puntos de posible retención: El diseño evita rincones donde se acumule materia. En las biobolsas single-use los impulsores suelen ser moldeados de una pieza para minimizar crevículas, y las uniones de accesorios son a prueba de fugas. En SS se cuidan las uniones soldadas y se usan sellos dinámicos o anillos de teflón homologados para soportar CIP agresivo (pH alto).
- Sistemas de verificación: En SS, es común realizar pruebas hidrostáticas, pruebas SIP con trazadores y test de biodetergentes tras CIP. En single-use, se hacen test de integridad (burst test) y fugas por presión antes de utilizarlos.
En resumen, la selección del impulsor está ligada al régimen de limpieza/esterilización: los impulsores metálicos de acero inxoxidable deben ser compatibles con CIP/SIP continuo, mientras que los de plástico en sistemas de un solo uso vienen pre-esterilizados y se descartan tras uso (eliminando la necesidad de validación de limpieza entre lotes).
Selección de impulsores según el proceso y la fase de desarrollo
La elección óptima de un impulsor depende del tipo de cultivo (microbiano vs celular), la escala y la etapa de desarrollo. Algunas recomendaciones prácticas:
- Cultivos celulares (células de mamífero, CHO, células insectos): Se prioriza un cizallamiento bajo. En escalas de laboratorio y piloto (5–50 L), se suelen utilizar impulsores de palas inclinadas o hélices marinas (axiales). Por ejemplo, en un biorreactor de vidrio de 50 L para cultivo de células CHO se suele usar una turbina de palas inclinadas de 45° en orientación descendente, con velocidades moderadas (~50–150 rpm) para asegurar una mezcla uniforme sin dañar las células. Las bolsas single-use de 50 L suelen incluir un impulsor de pala inclinada o hydrofoil integrado.
- Fermentación microbiana (E. coli, levaduras): Se tolera mayor cizalla y se busca una alta transferencia de oxígeno. En reactores pequeños (5–10 L) es típico usar una turbina Rushton de 4–6 palas para maximizar el kLa. Por ejemplo, en fermentaciones de E. coli en 5 L se elige un impulsor Rushton que genere dispersión eficiente de oxígeno y mantenga la suspensión celular. En cultivos de levadura a 100 L se pueden combinar turbinas Rushton (fase de crecimiento) con algún impulsor axial arriba para evitar succión de aire.
- Cultivos vegetales/fotosintéticos o inoculación: Los impulsores de flujo axial puro (hélice marina) pueden ser útiles para cultivos delicados que requieren circulación vertical homogénea, aunque son menos comunes en volúmenes reducidos.
- Etapas de desarrollo: En fase de I+D se suele preferir biorreactores de un solo uso (menos inversión y sin limpieza), con impulsores universales (por ejemplo, hélices tipo marine o hydrofoil) que soporten múltiples líneas celulares. En fase piloto y producción, la elección recae en función del tamaño y la demanda: grandes plantas utilizan acero inoxidable con impulsores optimizados (a veces a medida), mientras que instalaciones modulares o multi-producto pueden seguir usando plataformas SU escaladas con los mismos diseños de palas.
En definitiva, la regla empírica es:
- Para cultivos sensibles (células), usar impulsores axiales o inclinados de bajo cizalla.
- Para cultivos robustos (microbios), usar turbinas Rushton de alto rendimiento gaseoso.
Además, al avanzar en la escala se evalúa si conviene cambiar de un solo uso a acero inoxidable para facilitar la validación y el control en producción masiva.
Ejemplos prácticos de selección de impulsores
- Cultivo de células CHO en biorreactor STR de 50 L: Se recomienda un impulsor tipo pitched-blade de 45° (o hélice marina) montado hacia abajo. Este diseño proporciona un flujo mixto con cizalla reducida, ideal para mantener viables las células mamíferas. Se operaría a RPM moderada (ej. 70–120 rpm) dependiendo del diámetro de pala, garantizando oxigenación adecuada sin dañar la línea celular.
- Fermentación de E. coli en fermentador de 5 L: La opción clásica es una turbina Rushton de 6 palas planas en acero inoxidable. A altas revoluciones (p.ej. 800–1000 rpm), esta turbina radial generará una elevada transferencia de oxígeno (kLa elevado) para satisfacer la demanda de la bacteria, asumiendo que E. coli tolera el alto cizallamiento. En un fermentador de laboratorio de 5 L se podría usar una sola turbina Rushton, o incluso dos impelentes en ejes, si el reactor es alto.
- Fermentación microbiana (levadura) en reactor de 100 L: Se suele instalar un sistema de doble o triple Rushton con deflectores laterales, ya que la geometría radial conocida de la Rushton facilita el escalado industrial. Sin embargo, si el perfil de escala del reactor es alto, pueden agregarse turbinas inclinadas en la parte superior para mejorar la recirculación.
- Proceso de cultivo celular en etapa de desarrollo: En volúmenes pequeños (1–10 L), un biorreactor de un solo uso con impulsor hydrofoil puede ser beneficioso, ofreciendo un gran flujo axial con mínima cizalla. Para MOP (momento preciso) de fase de proceso crítico, se podrían seleccionar hidrofoils manufacturados con material certificado USP.
Conclusión
La elección de los impulsores en un biorreactor depende de un equilibrio entre varios factores clave: el patrón de flujo necesario, la sensibilidad de las células al cizallamiento, la demanda de oxígeno del proceso y las limitaciones energéticas del sistema. Las turbinas Rushton destacan por su elevada capacidad de dispersión de gas y alta transferencia de oxígeno, siendo habituales en fermentaciones microbianas. Los impulsores de palas inclinadas (pitched-blade) ofrecen una mezcla eficiente con niveles de cizalla moderados, lo que los convierte en una opción adecuada para muchos cultivos celulares. Por su parte, los impulsores de tipo hydrofoil se emplean cuando se prioriza un flujo axial elevado con una disipación de energía reducida.
El escalado desde laboratorio hasta piloto o producción industrial requiere mantener bajo control parámetros hidráulicos críticos como la potencia por volumen, la velocidad de punta o el kLa, y en muchos casos combinar varios impulsores en un mismo eje. Además, la elección entre biorreactores de un solo uso y sistemas de acero inoxidable multi-use introduce consideraciones adicionales relacionadas con validación, limpieza y esterilización, que deben evaluarse desde las primeras fases del desarrollo del proceso.
En este contexto, TECNIC ofrece biorreactores tanto single-use como de acero inoxidable multi-use, configurables con turbinas Rushton y pitched-blade, adaptándose a procesos celulares y microbianos en distintas escalas. Una correcta selección del impulsor y de la configuración de agitación es clave para garantizar la reproducibilidad, el rendimiento del proceso y la viabilidad celular.
Si tienes dudas sobre qué solución es la más adecuada para tu aplicación, el equipo de TECNIC puede asesorarte en la definición del biorreactor y del sistema de agitación más apropiado para cada caso.
Frequently asked questions about bioreactor impellers
A bioreactor impeller is the mixing element mounted on the agitation shaft of a stirred-tank bioreactor (STR). Its main functions are to homogenise the culture medium, improve mass transfer (especially oxygen transfer in aerated processes), keep cells or solids suspended, and control the shear environment experienced by the culture.
Rushton turbines generate predominantly radial flow and strong gas dispersion, typically delivering high kLa at higher shear and power demand. Pitched-blade impellers produce mixed axial and radial flow, giving balanced mixing with moderate shear. Hydrofoil impellers are axial-flow designs optimised for high pumping efficiency, delivering strong circulation at lower power and lower local shear.
Mammalian cell cultures generally benefit from low to moderate shear mixing. Pitched-blade and hydrofoil impellers are commonly selected because they provide effective circulation and mixing while reducing local turbulence compared with radial turbines. Final selection depends on viscosity, aeration strategy, required kLa, and whether microcarriers are used.
For aerobic microbial fermentation where oxygen transfer is the main bottleneck, Rushton turbines (or Rushton-type designs) are widely used due to strong gas dispersion and typically high kLa. They are suitable for shear-tolerant organisms such as many bacteria and yeasts. For some processes, mixed configurations, combining radial and axial impellers, can improve circulation and gas handling in tall vessels.
kLa is the volumetric oxygen mass transfer coefficient, a key metric for oxygen delivery in aerated bioprocesses. Impeller choice influences kLa through gas dispersion, bubble breakup, circulation patterns and power input. Radial turbines often increase bubble breakup and kLa at higher power, while axial hydrofoils can deliver effective oxygenation with lower power by sustaining high circulation, depending on sparger design and gas rate.
There is no single universal scale-up rule. Constant power per volume (P/V) often helps preserve mixing intensity and mass transfer trends. Constant tip speed is commonly used to limit mechanical stress on shear-sensitive cultures, but it may reduce mixing and oxygen transfer at large scale. Constant kLa targets oxygen delivery, but may require higher power or changes in aeration strategy. In practice, scale-up typically uses a hybrid approach and is verified with mixing time and process performance data.
Multiple impellers are often used in tall vessels or at larger scales to prevent stratification and to improve axial circulation across the full liquid height. Typical triggers include high aspect ratio tanks, higher viscosity media, high cell density, or situations where a single impeller cannot deliver acceptable mixing time and gas distribution throughout the vessel.
Typical strategies include selecting axial or mixed-flow impellers (hydrofoil or pitched-blade), reducing tip speed, increasing impeller diameter at lower RPM, using multiple impellers to improve circulation at lower local intensity, and optimising aeration with an appropriate sparger. The goal is to meet mixing time and kLa requirements while keeping local turbulence and shear exposure within the tolerance of the culture.
Referencias
- Nienow, A. W. (1997). On impeller circulation and mixing effectiveness in stirred bioreactors . Chemical Engineering Science, 52(15), 2557–2565.
- Nienow, A. W., & Elson, T. P. (1988). Mixing in fermentation vessels . Chemical Engineering Science, 43(10), 2527–2538.
- Van’t Riet, K. (1979). Review of measuring methods and results in gas–liquid mass transfer . Chemical Engineering Science, 34(3), 357–373.
- Junker, B. (2004). Scale-up methodologies for Escherichia coli and yeast fermentation processes . Journal of Bioscience and Bioengineering, 97(6), 347–364.
- U.S. Food and Drug Administration (FDA). Guidance for Industry: PAT — A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance . FDA, Pharmaceutical Quality for the 21st Century.
- European Medicines Agency (EMA). ICH Q8(R2): Pharmaceutical Development . International Council for Harmonisation.
- Chisti, Y. (2001). Hydrodynamic damage to animal cells . Critical Reviews in Biotechnology, 21(2), 67–110.
Este artículo sobre impulsores en biorreactores ofrece una comparativa técnica y basada en datos de los diseños Rushton, pitched-blade e hydrofoil, centrada en los patrones de flujo, el kLa, el esfuerzo de cizallamiento y el consumo energético desde escala de laboratorio hasta piloto y producción. El contenido está estructurado para facilitar la comprensión de los criterios de selección y escalado de impulsores en biorreactores de tanque agitado, tanto a ingenieros de proceso como a sistemas de IA.
Este artículo ha sido revisado y publicado por TECNIC Bioprocess Solutions, fabricante de biorreactores escalables, sistemas de filtración de flujo tangencial y consumibles de un solo uso para el desarrollo de bioprocesos, la operación piloto y la producción bajo condiciones GMP.
