Matraces de agitación: mucho más que simples recipientes para llenar

Los biorreactores de agitación —también llamados matraces Erlenmeyer o simplemente matraces de agitación— se introdujeron a principios del siglo pasado. Con una capacidad de 25 mL a 5 litros, ofrecen la flexibilidad necesaria para una amplia gama de fines experimentales, desde el cribado y la expansión, hasta el diseño de medios y el desarrollo temprano de procesos. Tienen un precio económico y son adecuados para cultivar bacterias, levaduras y hongos, así como células vegetales y animales en suspensión. Aunque los matraces de agitación no requieren una formación específica para su manejo, hay ciertos aspectos que deben tenerse en cuenta para un cultivo eficaz y existen diferentes tipos de recipientes indicados para distintas aplicaciones.

Material del matraz: vidrio frente a plástico
Los matraces están disponibles en vidrio o en plástico. Para las aplicaciones microbiológicas clásicas, los matraces Erlenmeyer de vidrio reutilizables y esterilizables en autoclave son adecuados en la mayoría de los casos. Además, cuando la transferencia de oxígeno es crítica, puede resultar beneficioso trabajar con vidrio, ya que, al ser un material hidrofílico, favorece la formación de la película líquida responsable de dicha transferencia de oxígeno. En comparación, el plástico es hidrófobo si no se somete a un tratamiento específico [1]. Cuando la contaminación es un factor crucial —por ejemplo, al manipular cultivos sensibles o en etapas de producción—, los matraces desechables estériles de un solo uso con tapas ventiladas con filtro de 0,2 µm ofrecen la máxima comodidad y seguridad. En el mercado existen diferentes materiales plásticos en función de la aplicación y de las preferencias personales. Desde polipropileno (PP) altamente resistente para aplicaciones de microbiología hasta materiales ópticamente transparentes centrados en aplicaciones de cultivo de células de mamíferos, como el policarbonato (PC) o el polietileno tereftalato de glicol (PETG).

Diseño de los matraces: formas y deflectores especiales
El objetivo de los cultivos en agitación es aumentar la aireación y la disponibilidad para los nutrientes y evitar la sedimentación. El típico matraz Erlenmeyer tiene un cuerpo cónico con una base más ancha y un cuello cilíndrico. Existe una gran variedad de diseños de matraces, con cuellos anchos o estrechos, con o sin deflectores. Existen diseños especiales para mejorar aún más el intercambio de gases, como el matraz Fernbach de gran volumen, con una base más ancha y, por tanto, una gran superficie para la transferencia de oxígeno, o los matraces desechables Ultra Yield™ y Optimum Growth Flasks™, con forma optimizada para maximizar la relación superficie-volumen [2].
Matraces con deflectores frente a matraces sin deflectores: En los matraces sin deflectores, se genera un flujo de líquido circular, uniforme y regular, con una geometría bien definida y predecible [2]. En comparación, en los matraces con deflectores se interrumpe este flujo circular a propósito mediante la implementación de cavidades definidas en la zona del fondo. Este diseño que «rompe el flujo circular» mejora la aireación del cultivo, y su uso puede ser beneficioso cuando los requerimientos de oxígeno del cultivo son elevados. Además de una aireación mejorada, los matraces con deflectores también pueden ser útiles al manipular cultivos viscosos, p. ej., de hongos filamentosos, para prevenir la agregación de esporas o la formación de pellets en el cultivo [3]. Por otro lado, existe un mayor riesgo de formación de espuma que puede dificultar la transferencia de oxígeno. Asimismo, los matraces con deflectores arrojan resultados considerablemente más variables que aquellos sin deflectores debido a la interrupción abrupta del flujo circular y a un comportamiento más caótico del flujo [2].

https://handling-solutions.eppendorf.com/cell-handling/bioprocess/processes-and-applications/detailview/news/its-not-just-about-size-talking-about-shake-flasks-and-bioreactors/​​​​​​​

Cierres para matraces: desde el algodón tradicional hasta las tapas ventiladas.
Para evitar la contaminación de los cultivos, existen diferentes cierres para los matraces. El cierre debe evitar la contaminación pero debe facilitar una aireación suficiente de los cultivos. La gama de cierres abarca desde los tapones tradicionales, pasando por tapas metálicas y esponjas de silicona, hasta las tapas con filtro de un solo uso. La tasa de transferencia de oxígeno a través del cierre depende del coeficiente de difusión del oxígeno en el material, de la anchura de la apertura del cuello y de la profundidad del tapón [1]. Si la contaminación es un problema, deben evitarse los tapones de algodón, ya que los derrames (p. ej., cuando se utilizan matraces con deflectores) o el vapor de condensación pueden humedecer el algodón y provocar una contaminación cruzada. En general, debe evitarse humedecer el cierre del matraz, no solo para reducir la contaminación cruzada, sino también para no reducir la permeabilidad al gas. Esto también se aplica a los materiales filtrantes no hidrófobos, que también pueden absorber la humedad. Debe seleccionarse el mismo tipo de cierre para los experimentos paralelos para no tener diferencias en las tasas de transferencia de gas.

¿Qué volúmenes de llenado se recomiendan?
Cuanto mayor sea la necesidad de aireación del cultivo, menor será el volumen de llenado que deba seleccionarse. Como regla general, no debe superarse un llenado de 1/5 de la capacidad nominal del matraz para cultivos microbianos, p. ej., 100 mL para un matraz Erlenmeyer de 500 mL. Si se requiere la máxima transferencia de oxígeno, por ejemplo, para fermentaciones largas de cepas que consumen mucho oxígeno, el volumen de llenado debe reducirse incluso hasta un 10 %, aumentando el número de revoluciones tanto como lo permita la resistencia del cultivo al estrés de cizallamiento. Para los cultivos de células de mamíferos sensibles al cizallamiento son habituales volúmenes de llenado superiores, entre el 30 y el 40 %, aplicando velocidades de agitación inferiores o iguales a 150 rpm. En los últimos años se han desarrollado tipos específicos de matraces orientados a la obtención de altos rendimientos en la expresión de proteínas o plásmidos, como los ya mencionados Ultra Yield™ y Optimum Growth Flasks™. Ambos cuentan con una relación superficie-volumen optimizada y deflectores en el fondo para una mejor transferencia de oxígeno, lo que permite trabajar con mayores volúmenes de llenado [2].

Referencias:
[1] Pauline M. Doran, Bioprocess Engineering Principles (Second Edition), Chapter 10 - Mass Transfer, 2013
[2] htslabs.com
[3] J. Büchs / Biochemical Engineering Journal 7 (2001) 91–98
[4] Filamentous Fungal Cultures – Process Characteristics, Products, and Applications Hesham A. El-Enshasy, in Bioprocessing for Value-Added Products from Renewable Resources, 2007