Una perspectiva sobre los desafíos para el diseño y operación de biorreactores.
Sin duda, una mayor explotación de la biología de sistemas es una de las áreas potenciales con implicaciones sustanciales en los biorreactores. Sin embargo, continuar con la obtención de información sobre los organismos de producción y su comportamiento en condiciones relevantes es una tarea exigente para futuros trabajos de investigación. Actualmente se emplean máquinas analíticas de alto rendimiento capaces de llevar a cabo «ómicas» e interpretación de datos. Por eso, las herramientas de biología de sistemas bioanalíticos pueden facilitar y mejorar las condiciones de diseño.
La implementación de estos datos en los escenarios de biorreactores y bioprocesos en comparación con los objetivos de ingeniería de producción requiere una mentalidad sinérgica que aún no está establecida en la industria. Sin embargo, hay algunas razones para creer que esto no sucederá en un futuro próximo.
La combinación de la visión de la biología de sistemas con la fisiología microbiana y celular y la forma en que este conocimiento se transfiere a la práctica de diseño para un procesamiento más eficiente también es un desafío que se debe seguir.
Los nuevos sistemas de producción biológica, como las células madre, los tejidos y los órganos, crean sus propios desafíos en el diseño de biorreactores, donde las características y propiedades intrínsecas de estos sistemas biológicos requieren un análisis cuidadoso de las consecuencias para el diseño y la implementación. La etapa inicial del desarrollo de estas aplicaciones puede sufrir hoy en día no por el diseño de los aspectos típicos de la bioingeniería, sino por la perspectiva de la biología celular.
El uso de nuevos métodos inventivos para inmovilizar células con el fin de mejorar su rendimiento y estabilidad en biorreactores encaja bien en la mayor comprensión de la fisiología de las células productoras de bioproductos. Aún así, los sistemas biológicos tradicionales, como los cultivos microbianos y celulares para la producción de metabolitos y proteínas, requieren el mismo tipo de atención, aunque históricamente esto ha estado ocurriendo durante un período más largo.
Los principios básicos y los métodos de implementación para escalar los sistemas de producción se ajustan a la producción y abarcan todos los tipos de células.
El acceso a plataformas analíticas confiables es necesario para un buen trabajo de diseño; esto puede incluir una variedad de herramientas y métodos, como microbiorreactores, reactores de un solo uso, de reducción de escala y biorreactores en un chip. Además, el diseño técnico de los equipos de biorreactores también ha sido apoyado por otras herramientas ingeniosas como DoE para optimización, mejores modelos físicos, dinámica de fluidos computacional y plataformas de prueba a escala reducida o miniaturizadas, que deberían ofrecer mejores posibilidades (ver capítulo 10).
Aunque ya se utiliza ampliamente en bioingeniería, no se puede anticipar que la tecnología de la información y las aplicaciones informáticas llevarán más allá el diseño y la operación de los biorreactore, permitiendo realizar estudios previos, metodologías y conocimientos existentes en procedimientos industriales. Algunos ejemplos son las aplicaciones con análisis de datos multivariados y el monitoreo y control de procesos y el uso del diseño factorial y la optimización de medios de cultivo y condiciones de operación.
Radicalmente, se han logrado nuevos diseños de biorreactores que reemplazaron a los antiguos por alternativas de bajo costo que son posibles debido a nuevos métodos y materiales de fabricación, así como a las condiciones de costo de operación y materiales.
Se puede prever un mayor despliegue de estadísticas y métodos de extracción de datos. Otras aplicaciones de ingeniería, por ejemplo, en ingeniería química, están por delante de la bioingeniería; El DoE y las metodologías relacionadas pueden seguir avanzando en la dirección de afrontar la variación biológica durante períodos de proceso prolongados. Los esfuerzos de diseño del biorreactor no pueden realizarse de manera eficiente sin la integración de los biorreactores en todo el bioprocesamiento. Esto puede generar esencialmente dos beneficios: mejores procesos económicos y procesos de mayor intensidad. La implicación de esto puede ser enorme.
La creciente complejidad de las plantas de bioprocesos integrados con biorreactores y comunicación digital requiere un procedimiento de capacitación calificado. Esto se refiere especialmente a la necesidad de que los ingenieros de planta y los operadores de procesos tomen decisiones instantáneamente. En la capacitación piloto, la simulación virtual de entrenamiento se aplica para lograr una capacitación eficiente y rentable del nuevo personal. Existe el desafío de adaptar dichos simuladores para la capacitación de operadores de bioprocesos donde, en particular, la variabilidad y los eventos impredecibles en los bioprocesos pueden ser el foco de la capacitación.
El concepto de ingeniería CDIO, refiriéndose a que toda ingeniería debería desarrollarse preferiblemente a lo largo de un proceso consecutivo de concebir (C), diseñar (D), implementar (I) y operar (O) sistemas técnicos de producción, es de hecho aplicable a identificar los retos de diseño y operación.
Hasta ahora, la mayoría de estas actividades progresivas aún se encuentran en el entorno de investigación académica. En algunos casos, emergen como nuevos productos de las pequeñas y medianas empresas (PYME). Otros ya se utilizan regularmente en las unidades de investigación y desarrollo de procesos, especialmente en grandes empresas de biotecnología.
La generación de conocimiento e invenciones a veces puede prosperar mejor en la investigación académica apoyada por recursos públicos, mientras que a veces puede ser mejor desarrollada internamente por compañías cercanas a las aplicaciones y bajo protección del conocimiento.