Diseño de Sensores de Software para Monitoreo y Control de Biorreactores
El término «sensores de software para biorreactores» se utiliza con frecuencia para describir la combinación de sensores «hardware» con modelos implementados en software, donde estos últimos utilizan las señales del hardware para derivar nueva información. El proceso puede ser un solo biorreactor o, por supuesto, un bioproceso completo que incluya tanto el procesamiento aguas arriba como aguas abajo. Como ilustra la figura, el sensor suave opera en línea con el proceso, en tiempo real, y las señales recopiladas suelen ser más de una.
El principio del sensor suave abre la puerta a una explotación más extensa de los sensores existentes y las señales de los mismos, así como a aprovechar el conocimiento previo de los mecanismos de los sistemas de procesos.
De esta manera, los sensores de software para biorreactores se vuelven útiles para aplicaciones de monitoreo y control en la industria procesadora, pero también, debido a la generalidad de su principio, pueden utilizarse en cualquier proceso continuo o transformación donde estén disponibles señales de sensores para modelar. En los más de 1000 informes de sensores suaves que aparecen en la literatura de ingeniería, las aplicaciones a productos químicos básicos y procesos metalúrgicos, control de operaciones unitarias, energía y medio ambiente son dominantes, mientras que los ejemplos de uso en biotecnología son relativamente pocos.
Para ser atractivos para su uso en la industria, especialmente en aplicaciones de biorreactores, los sensores de software para biorreactores deben basarse en sensores y modelos que sean robustos y fáciles de operar, y la configuración resultante del sensor suave debe poder validarse de manera convincente.
Esto requiere simplicidad tanto para el hardware como para el software, tanto para dispositivos como para métodos de cálculo. Con esto, un sensor suave debería proporcionar un sistema analítico menos complicado, reducir la necesidad de una vigilancia operativa extensa del propio sistema analítico, disminuir el trabajo operativo y de mantenimiento, y también conducir a una reducción en el costo del equipo.
La Perspectiva de la Tecnología Analítica de Procesos sobre los Sensores de Software.
Si se cumplen los criterios establecidos, los sensores de software para biorreactores también pueden ser una herramienta valiosa en el marco de la iniciativa de Tecnología Analítica de Procesos (PAT, por sus siglas en inglés). En particular, PAT describe un conjunto de herramientas y métodos para hacer que los procesos de fabricación farmacéutica sean más fiables y eficientes. El enfoque de razonamiento en PAT ha sido respaldado por varios organismos reguladores y la investigación académica ha estado activa en seguir estas direcciones en diversos aspectos como el diseño de calidad, el desarrollo de sensores en línea y el diseño experimental estadístico. Además, los principios de PAT y QbD pueden extenderse a todos los procesos de fabricación biotecnológica, incluyendo proteínas, alimentos y otros productos químicos.
La guía de PAT (Tecnología Analítica de Procesos) de la FDA de EE. UU. menciona seis objetivos que se deben lograr mediante el uso de las herramientas de PAT: (i) reducir el tiempo de ciclo de producción, (ii) prevenir el rechazo de lotes, (iii) permitir la liberación en tiempo real, (iv) aumentar la automatización, (v) mejorar la eficiencia en el uso de energía y materiales, y (vi) facilitar el procesamiento continuo. Se espera que estos objetivos sean aplicables a toda la producción farmacéutica, incluida la fabricación de medicamentos basados en proteínas bioterapéuticas (proteínas, anticuerpos), vectores de terapia génica, así como productos de terapia celular.Bottom of Form
De estos objetivos, los sensores de software para biorreactores pueden contribuir potencialmente especialmente al aumento de la automatización, debido a la posibilidad de utilizar señales para el control retroalimentado de las variables derivadas del sensor suave, y a la posibilidad de permitir la liberación en tiempo real, gracias a la provisión inmediata de estimaciones de parámetros críticos de calidad. Es posible suponer que esto podría tener un impacto significativo en la reducción del tiempo de ciclo, facilitando el procesamiento continuo y mejorando los balances de materiales debido a la provisión de información temprana en tiempo real para regular las condiciones de fabricación.
Aunque los sensores de software se aplican en muchas áreas de fabricación industrial, las aplicaciones relacionadas con procesos de fabricación, aplicaciones bioprocesadoras, biorreactores u otras operaciones bioprocesadoras están principalmente limitadas a demostraciones realizadas en laboratorios de investigación académica. Las razones de esto pueden deberse a que los parámetros del proceso biológico de interés son analíticamente menos estables y reproducibles que los parámetros que aparecen en aplicaciones en la industria mecánica, eléctrica y química. En principio, los sensores de software pueden aplicarse a biorreactores para respaldar los objetivos de PAT.