Desafíos para la ampliación y reducción de biorreactores de un solo uso.
La ampliación y reducción de biorreactores de un solo uso se refiere principalmente a el desarrollo de bioprocesos, ya sea en biofarmacéuticos o en otros bioprocesos, exige una aceleración del proceso de ampliación.
Además, debido a las numerosas tecnologías de crecimiento que están dando lugar a una amplia gama de procesos viables con varias líneas celulares y cepas microbianas, la variedad de diferentes aplicaciones y condiciones de cultivo, especialmente en la investigación y los pasos iniciales de desarrollo del proceso, está aumentando más que en declive.
Con base en este hecho, surgen dos necesidades: (i) primero, la escalabilidad de los biorreactores es de gran interés para asegurar condiciones similares ya en la escala de laboratorio en comparación con la gran escala, y (ii) la implementación de varios sistemas desechables, que pueden satisfacer las necesidades de múltiples propósitos de cultivo y una integración en una fabricación de un solo uso de un extremo a otro.
Por lo tanto, una fabricación de extremo a extremo significa para la ampliación y reducción de biorreactores los sistemas de un solo uso se aplican en todos los pasos del proceso, creando así un excedente adicional, ya que las plataformas de construcción bastante simples de los SUB permiten un diseño personalizado mucho más fácil que los sistemas tradicionales de tanque agitado.
Un ejemplo de esto es la fácil adición de fuentes de luz que convierte un SUB común en un fotobiorreactor.
Otro es la falta de varios requisitos para la infraestructura instalada, por ejemplo, no se necesita vapor, lo que permite la instalación rápida de SUB si es necesario.
Un gran inconveniente que aún restringe la aplicación de SUB es la capacidad limitada del sensor. Muchos sensores, que han sido diseñados para reactores de tanque agitado convencionales, no se pueden montar en SUB.
Puede haber muchas razones para la no reutilización, incluido el dispositivo de medición en sí o los costos del mismo, el peso, las dimensiones o simplemente la debilidad frente a la radiación 𝛾.
Sin embargo, un equipo de sensores adecuado es necesario en el contexto de la iniciativa de la FDA de EE. UU. Para facilitar la integración de herramientas analíticas de procesos (PAT) y en paralelo para garantizar la calidad por diseño a nivel de desarrollo y optimización de procesos.
Además de los sensores adecuados, se deben integrar puertos adecuados, incluidos aquellos para soluciones de medición en línea que permitan una conexión flexible de una variedad de sensores similares a los de los biorreactores de tanque agitado tradicionales.
Con respecto a estas limitaciones y el esfuerzo creciente para cultivar en condiciones más similares en cualquier escala de desarrollo del proceso, la idoneidad para escalar hacia arriba y hacia abajo es importante.
Sin embargo, hay al menos tres grupos de conceptos de reactores desechables: (i) SUB con agitación, (ii) SUB con agitación orbital y (iii) SUB con mezcla de ondas.
Cada grupo tiene ventajas y desventajas específicas con respecto a la escalabilidad.
Aunque la ampliación y reducción de biorreactores agitados de un solo uso se puede escalar de manera similar a los reactores convencionales, esta es una tarea más desafiante para los reactores con agitación orbital y mezcla de ondas debido a la falta de conocimiento.
Sin embargo, los reactores agitados pueden funcionar de manera mucho más flexible con respecto al volumen de llenado debido a la ausencia de agitadores.
Los sistemas con agitación orbital se pueden reducir al mililitro, o teóricamente incluso a la escala de microlitros, si se aumenta la base de conocimiento para tal reducción.
Esta escalabilidad a la escala de microlitros es ciertamente más difícil para los sistemas agitados o mezclados por ondas.
Escalabilidad de biorreactores agitados de un solo uso
Debido a la similitud con los reactores de tanque agitado tradicionales bien establecidos, la entrada de energía y los números de mezcla, su influencia durante el escalado y su determinación están bastante establecidos.
Sin embargo, la escalabilidad está restringida, ya que la agitación a una escala muy pequeña no es factible en muchos sistemas del mercado.
La aplicación a gran escala está restringida a unos pocos metros cúbicos, ya que no se puede obtener estabilidad mecánica y, por tanto, velocidades de agitación considerables a mayor escala en tanques de acero inoxidable.
Un método típico y tradicional para la ampliación es el mantenimiento del orden de magnitud de parámetros clave como la relación altura-diámetro, entrada de potencia volumétrica y el tiempo de mezcla relacionado y el coeficiente de transferencia de masa de gas.
La derivación de estos parámetros es bien conocida para los reactores tradicionales de tanque agitado.
Los mismos enfoques son válidos para biorreactores agitados de un solo uso similares.
La entrada de potencia adimensional en sistemas agitados se puede derivar como número de Newton:
Ne = 𝜌Ln3d5
La entrada de potencia volumétrica en los biorreactores agitados se puede estimar en función de la medición del par en el eje del agitador:
El régimen de flujo turbulento se logra en números de Reynolds aproximadamente por encima de 1000.
El número de Reynolds para los SUB agitados es el mismo que el válido para los reactores convencionales de tanque agitado:
El valor de kLa se considera el parámetro más importante para aplicaciones aeróbicas microbianas.
La demanda volumétrica de oxígeno de un cultivo (tasa de absorción de oxígeno = NUESTRO) tiene que ser satisfecha por el sistema de cultivo y el valor de kLa alcanzable en él, que es el producto del coeficiente de transferencia de masa líquida kL y el área interfacial a:
El OUR depende indirectamente de la concentración de biomasa cX y la tasa de absorción de oxígeno específica qO2.
En el caso de sistemas directamente aireados, el coeficiente de transferencia de masa de oxígeno depende principalmente del tamaño medio de la burbuja y de la fracción de volumen de gas, los cuales determinan el área interfacial gas-líquido.
En caso de que no se aplique burbujeo directo, sino aireación superficial, el área interfacial se puede estimar simplemente en función de las dimensiones geométricas, que determinan el área superficial de la fase líquida:
