Usando Metodología de Diseño Conceptual
Otro enfoque que puede sustentar sustancialmente el diseño y la operación del biorreactor es la metodología de diseño conceptual. Los fundamentos de la metodología se establecieron en ingeniería mecánica hace varias décadas y desde entonces se han ido refinando gradualmente. La intención principal era sistematizar el trabajo de diseño en un equipo de desarrollo para alcanzar la mejor arquitectura de diseño de un producto. El enfoque es un procedimiento típico de arriba hacia abajo: ofrece una visión general de todas las soluciones alternativas y, de ese modo, selecciona las mejores restricciones.
Recientemente, el concepto fue revivido y demostrado en aplicaciones en biotecnología, incluyendo biorreactores y bioprocesos. La metodología original se amplió incorporando los sistemas biológicos en el concepto y mostrando cómo estos podrían interactuar de la mejor manera con los sistemas mecánicos y electrónicos del producto. Por lo tanto, la metodología se denominó biomecatrónica, ya que combinaba complejidades de tres disciplinas de ingeniería complejas en sí: la bioingeniería, la mecánica y la electrónica. Una característica clave de la metodología de biomecatrónica es que son las necesidades y la funcionalidad del usuario las que guían el diseño hacia los objetivos de diseño.
Mandenius y Björkman han mostrado en varios ejemplos cómo esto puede estructurar y mejorar el trabajo de diseño para productos de biotecnología típicos y sistemas de producción, como equipos de flujo ascendente y descendente, biosensores, biochips, dispositivos de diagnóstico y bioprocesos, al mismo tiempo que se facilita y acelera el proceso de trabajo.
La metodología se basa en un procedimiento consecutivo e iterativo en el que las herramientas gráficas y tabulares apoyan el trabajo de diseño. El flujo de trabajo descrito en la figura describe los pasos recomendados en un orden secuencial.
El flujo de trabajo recomendado describe los pasos en un orden secuencial. En el primer paso, la misión de diseño se expresa de manera concisa. A esto le sigue la identificación de las necesidades de los usuarios del producto o proceso de producción previsto. Estas necesidades se especifican con los valores objetivo. Con la ayuda de las especificaciones, se dibuja un diagrama de flujo general, el llamado mapa Hubka-Eder, que muestra las funciones y los sistemas necesarios para cumplir con la especificación.
Las funciones en esta tabla están representadas por componentes funcionales abstractos que se combinan en tantas alternativas permutables realistas como sea posible. Este es el paso clave en el diseño y se conoce como generación de conceptos. Las alternativas conceptuales se seleccionan y califican para los valores objetivo de especificación originales. Esto se traduce en una clasificación a partir de la cual se seleccionan las mejores alternativas de diseño.
Primero, en esta etapa, los objetos físicos, químicos o biológicos reales se incorporan al trabajo de diseño. Estos objetos, los llamados componentes anatómicos, se identifican con dispositivos técnicos concretos, instrumentos u otros engranajes técnicos, generalmente disponibles comercialmente, o factibles de construir o prototipo. Después de una evaluación adicional, los objetos anatómicos forman las estructuras de diseño finales del producto. El enfoque conceptual es muy útil en el diseño de biorreactores, así como para el diseño de los procedimientos operativos de biorreactores y bioprocesos integrados donde el biorreactor es una parte. Como se mencionó anteriormente, el propósito principal de un biorreactor es controlar las transformaciones biológicas que tienen lugar en él.
Una forma de describir el TrP sería seguir el enfoque de ingeniería bioquímica establecido: estructurar la transformación en los pasos de la versión biológica basados en mapas metabólicos y diagramas de flujo de procesos. Esto terminaría más o menos automáticamente en una descripción con transporte masivo y cinética basada en constantes de velocidad. Esto dependería del estado ambiental (por ejemplo, constantes dependientes de la temperatura y la presión) y el suministro de materias primas y medios.
El TrP podría ser cualquier bioconversión que se pueda realizar en un sistema de cultivo celular o microbiano sumergido, donde las células absorben los nutrientes y los convierten en productos de proteínas o metabolitos. El mapeo de Hubka-Eder ahora se utiliza para analizar las interacciones entre los sistemas de una manera generalizada. Las entidades biológicas (∑BioS) y del sistema técnico (∑TS) del mapa se describen aquí con más detalle ya que, por supuesto, son fundamentales en un biorreactor que realiza conversiones biológicas.