Monitoreo y Control de Microbioreactores

El monitoreo de los parámetros biológicos es esencial para un análisis de proceso sistemático y resultados de detección razonables. Los parámetros relevantes, como la temperatura, el pH, el DOT, el OTR y las señales para la formación de biomasa y productos, son necesarios para la optimización y la ampliación del proceso. Para caracterizar integralmente un bioproceso, se deben aplicar diferentes condiciones de operación y mediciones. Los parámetros de operación deben aplicarse en diferentes combinaciones para cubrir una amplia gama de condiciones de cultivo. Esta variación de los parámetros operativos implica experimentos laboriosos y que requieren mucho tiempo. Para reducir el esfuerzo experimental y ahorrar tiempo, se puede utilizar DoE. La cantidad de datos de proceso obtenidos aumenta y, simultáneamente, el esfuerzo experimental se minimiza si se aplica DoE. 

Actualmente, se encuentran disponibles diferentes sensores fisicoquímicos y diversas técnicas de medición para sistemas de microbiorreactores. Los sensores fisicoquímicos generalmente se pueden aplicar en biorreactores a escala de banco sin mayores restricciones, mientras que la aplicación en biorreactores a pequeña escala es más difícil debido a los pequeños volúmenes de los vasos y al poco espacio dentro del biorreactor. Debido a estos desafíos, las técnicas de medición óptica a menudo se aplican en microbioreactores. La viabilidad de mediciones no invasivas, diseño miniaturizado y tiempos de respuesta rápidos hace que estas técnicas sean aptas para aplicaciones en biorreactores a pequeña escala. Además, la medición óptica integrada permite un diseño continuo del proceso sin interrumpir el cultivo microbiano durante las mediciones en microbioreactores agitados. Por ejemplo, se pueden realizar mediciones de luz dispersa y fluorescencia sin interrumpir el proceso de agitación durante un cultivo microbiano en microbiorreactores. Por ejemplo, se pueden realizar mediciones de luz dispersa y fluorescencia sin interrumpir el proceso de agitación durante un cultivo microbiano en microbiorreactores. Por lo tanto, se proporcionan condiciones de cultivo óptimas durante todo el tiempo de cultivo. Otro inconveniente de la técnica de medición invasiva, por ejemplo, la medición del pH con electrodos electroquímicos, es la alteración de la hidrodinámica del líquido dentro de los biorreactores. Como consecuencia, el cultivo cultivado puede verse afectado negativamente. En particular, a pequeños volúmenes de líquido, la influencia de los sensores en el líquido hidrodinámico podría volverse crítica. Por lo tanto, se prefieren las mediciones de luz dispersa y fluorescencia para determinar la biomasa y la formación de productos en placas de microtitulación. Se requieren proteínas fluorescentes específicas para controlar ópticamente la formación del producto. Las proteínas fluorescentes están unidas como etiquetas de fusión a las moléculas objetivo deseadas en microorganismos modificados genéticamente. Las etiquetas de fusión convencionales son la proteína fluorescente verde (GFP) y sus derivados, es decir, la proteína fluorescente amarilla (YFP), las proteínas fluorescentes a base de mononucleótidos de flavina (FbFP) y las etiquetas de triptófano. Las mediciones de fluorescencia también se utilizan para determinar el pH, el O2, el CO2 y el NH4.  Samorski desarrolló un dispositivo de cultivo para placas de microtitulación basado en luz óptica dispersa y mediciones de fluorescencia.  En este dispositivo, la placa de microtitulación se coloca sobre una mesa de agitación en una cámara de cultivo templada. Un cable de fibra óptica se mueve a través de una unidad x – y debajo de la placa de microtitulación y realiza mediciones ópticas automáticas de pocillos individuales de la placa de microtitulación. Este BioLector, llamado tecnología de medición, fue ampliamente validado y está disponible comercialmente en la empresa m2p-labs GmbH, Baesweiler, Alemania. Un prototipo de este dispositivo se utiliza en la Cátedra de Ingeniería Bioquímica de la Universidad RWTH Aachen. Con ese dispositivo, es posible el cultivo paralelo de hasta cuatro placas de microtitulación. Si se utilizan placas de 96 pocillos, en total 384 cultivos monitoreados en línea a través de luz dispersa y las mediciones de fluorescencia pueden realizarse en paralelo. 

Las mediciones de fluorescencia se pueden utilizar para determinar los perfiles de temperatura cualitativos en microbioreactores. Sin embargo, la medición precisa de la temperatura absoluta es más difícil. En microbioreactores agitados o chips microfluídicos, la temperatura se mide típicamente con termistores, detectores de temperatura de resistencia o termopares. Sin embargo, en los sistemas sacudidos, la medición y el control de la temperatura se integran comúnmente en la cámara de incubación en la que se coloca el microbiorreactor. Un control individual de los pocillos individuales en la placa de microtitulación agitada es complejo y costoso. Hasta ahora, solo se conoce un control de temperatura bien específico para un sistema comercial para placas de microtitulación agitadas (micro-matriz (anterior: 𝜇24).