Entrada de potencia específica en biorreactores
La entrada de energía específica es uno de los parámetros de ingeniería básicos para la caracterización de biorreactores. La entrada de energía a un biorreactor es causada por la transformación de la energía eléctrica del motor en un movimiento de rotación o agitación. Un elemento mecánico, es decir, el agitador en biorreactores agitados o, en el caso de biorreactores agitados, la parte de la pared del recipiente que está en contacto con el líquido a granel giratorio introduce la energía en el líquido. Como consecuencia, se induce el movimiento de fluidos y la mezcla. Finalmente, la energía del movimiento del líquido se disipa como calor en el líquido. Para determinar la entrada de potencia específica de forma experimental, se pueden aplicar las medidas del consumo de energía eléctrica del motor, las medidas de par mecánico o la medición de temperatura del líquido. Si bien la determinación del consumo de energía eléctrica es inexacta debido a una eficiencia de conversión energética desconocida del accionamiento eléctrico, las mediciones de par son más precisas. Para pequeños volúmenes de líquidos, las mediciones de temperatura son inexactas para la determinación de la entrada de potencia específica. Para evitar experimentos elaborados, una correlación matemática para determinar la entrada de potencia específica P / VLdependiendo de las condiciones operativas aplicadas es benéfica. En general, la potencia mecánica P de un elemento giratorio puede calcularse como el producto del par M y la velocidad angular 𝜔. El par se puede calcular como producto de una fuerza F y un brazo de palanca r:
P=M𝜔= Fr𝜔
En los biorreactores sacudidos, la potencia se introduce por fricción entre el líquido a granel giratorio y la pared del reactor. La fuerza F se puede expresar como producto del esfuerzo cortante de la pared 𝜏Wy el área de fricción AW. Entonces, se puede escribir como
P = Fr𝜔= 𝜏WAWr𝜔
La tensión de corte 𝜏Wen la pared del vaso es una función del flujo de fluido y depende en el número de Reynolds Re:
𝜏W = C1𝜌r2𝜔2f(Re)
C1es una constante y 𝜌, la densidad del líquido. El número de Reynolds Re se define como
con viscosidad dinámica del líquido 𝜂, frecuencia de agitación n, y diámetro del matraz d.
El área de fricción AWdepende de la distribución del líquido y debe calcularse numéricamente si se consideran todos los parámetros que influyen. Büchs et al. desarrolló un modelo que permite el cálculo del área de contacto entre el líquido y la pared del matraz en matraces de agitación con desbalance para líquidos de baja viscosidad. Si se descuida la influencia de la frecuencia de agitación y el diámetro de agitación, el área de fricción AWen sistemas sacudidos desbalanceados se puede calcular con una ecuación simplificada:
El término último se deriva si la altura del líquido h se sustituye por la
Escala de longitud característica V 1∕3. Considerando la velocidad angular 𝜔= 2𝜋n y el diámetro del matraz de agitación d = 2r, y sustituyendo las ecuaciones, se deriva la siguiente ecuación:
Al introducir un número de potencia modificado Ne ′
Se obtiene una representación adimensional de la entrada de potencia específica:
Esta ecuación es válida para biorreactores agitados desbalanceados en condiciones de operación en fase y comportamiento de flujo turbulento (Re> 60 000): El comportamiento de flujo turbulento se puede asumir típicamente para líquidos con viscosidades bajas. Para líquidos con viscosidades elevadas, prevalece el comportamiento de flujo de transición o incluso laminar. Por lo tanto, la ecuación se extiende para diferentes regímenes de flujo:
Es una representación adimensional de la entrada de potencia específica en biorreactores sacudidos desbalanceados con parámetros de ajuste para flujo laminar (Cla), de transición (Ctr) y turbulento (Ctu) en condiciones en fase. Büchs et al. determinó los parámetros de ajuste de la ecuación para matraces de agitación:
Ne′ = 70Re−1 + 25Re−0.6 + 1.5Re−0.2
Si se usan las condiciones de operación comúnmente aplicadas, el orden de los valores de entrada de energía específicos en matraces de agitación es del mismo orden que los reactores de tanque agitado (1–10kWm − 3).
La entrada específica de P / VLde potencia aumenta al aumentar la frecuencia de agitación n, disminuyendo el volumen de llenado VL, aumentando el diámetro del recipiente d (solo si VL1/3 / d = constante) y aumentando la viscosidad del líquido 𝜂(en condiciones de fase). Para los matraces de agitación, el diámetro de agitación no tiene una influencia significativa en la entrada de potencia específica como se prueba para valores de 2,5 a 10 cm, siempre que existan condiciones en fase. Cabe destacar que el aumento de P / VLpara un diámetro creciente del vaso destá en contraste con la capacidad máxima de transferencia de oxígeno. El OTRmaxdisminuye al aumentar el diámetro del vaso d (solo si VL1/3/ d = constante). Este hecho implica que la transferencia de masa gas-líquido en matraces de agitación no está directamente relacionada con la entrada de energía específica, que es una diferencia básica para los reactores de tanque agitado.
En comparación con los biorreactores sacudidos no balanceados, la distribución de líquidos en sistemas desconcertados no está bien definida. El líquido salpica al azar alrededor del fondo del matraz durante la agitación. Por lo tanto, el área de fricción AWentre el líquido a granel y la pared del reactor no se puede calcular con la ecuación. En los experimentos en matraz de agitación, se ha observado que la entrada de energía específica P / VLen matraces de agitación desconcertados es aproximadamente un orden de magnitud superior a la de los matraces de agitación desbalanceados para bajas viscosidades líquidas. Además, el número de potencia Ne ‘ modificado solo depende del volumen de llenado VL, pero ya no es una función del número de Reynolds Re (Ne ≠ f (Re)). Este hecho ya es bien conocido por los biorreactores de tanques agitados desconcertados.
Diseño y Operación de Sistemas de Microbiorreactores para Detección y Desarrollo de Procesos
Los microbiorreactores desempeñan un papel importante en las aplicaciones de detección y cultivo en la fase temprana del desarrollo del proceso biotecnológico. Por lo general, se utilizan para la detección de cepas y medios y para la evaluación y optimización de las condiciones de cultivo. Los bajos costos de fabricación, un alto grado de paralelización y su flexibilidad en la aplicación convierten a los estos dispositivos en una herramienta básica para el desarrollo eficiente de procesos. Sin embargo, pueden diferir significativamente en tamaño, diseño y modo de operación. Por ejemplo, el tamaño de los aparatos de esta clase varía desde el rango de microlitro a mililitro. Su diseño generalmente varía en forma, propiedades del material e instrumentación, lo que influye directamente en el rendimiento general del biorreactor. Hoy en día, se encuentran disponibles las versiones de agitados, pero también otros sistemas, por ejemplo, se utilizan modelos aireados. Una transferencia confiable del proceso de pequeña escala a mayor escala requiere un amplio conocimiento de todos los parámetros físicos relevantes y condiciones de operación. En otras palabras, una comprensión profunda de los parámetros de ingeniería importantes y las propiedades físicas de estos es necesaria para un desarrollo eficiente del proceso.
En los últimos años, se han realizado muchos esfuerzos para caracterizar en detalle los reactores microbiológicos. Como consecuencia, en la actualidad se dispone de conocimientos fundamentales sobre, por ejemplo, la entrada de energía específica, la transferencia de masa gas-líquido y la influencia de la ventilación en los reactores microbiológicos. Este conocimiento se utiliza para optimizar continuamente las condiciones operativas y para mejorar la productividad de los cultivos microbianos. Simultáneamente, se han desarrollado nuevos métodos analíticos y estrategias de control basadas en técnicas de medición en línea no invasivas. Como resultado, los parámetros de proceso determinados con precisión están disponibles en los biorreactores a pequeña escala en la actualidad. Las últimas tendencias de las aplicaciones automatizadas de alto rendimiento, así como la viabilidad de la alimentación de sustratos, demuestran que aún no se ha explotado todo el potencial del desarrollo de reactores microbiológicos. El objetivo teórico de este proceso de desarrollo de microbiorreactores es una adaptación de las condiciones de cultivo a escala de producción. Sin embargo, no pueden imitar los biorreactores de tanque agitado totalmente equipados en todos los detalles. La diferencia entre la escala de selección y la producción es del orden de 106-1010(0.1–100ml vs. 100–1000m3). Esta diferencia es simplemente demasiado grande para transferir directamente un proceso entre ambas escalas. Además, el alto estándar de equipo técnico y análisis en biorreactores de tanque agitado a menudo no se puede reproducir en microbiorreactores con la misma calidad. Sin embargo, ofrecen la posibilidad de obtener parámetros básicos del proceso más rápido y, por lo tanto, pueden acelerar significativamente el desarrollo del proceso biotecnológico.
Parámetros clave de ingeniería y propiedades en el diseño y operación de los reactores microbianos
Los parámetros de ingeniería clave, como la entrada de potencia específica, la transferencia de masa de gas / líquido o la mezcla de líquidos, son cruciales para la caracterización de los reactores microbiológicos. El ajuste de las condiciones de operación apropiadas está básicamente determinado por uno o más de estos parámetros. Además, las propiedades superficiales de la pared del reactor, la viscosidad del líquido y la ventilación desempeñan un papel importante para garantizar una aplicación exitosa. Los modelos agitados, tales como matraces de vidrio y placas de microtitulación, son de especial interés debido a su particular relevancia en los experimentos de deteccion. La ventaja de los reactores microbianos agitados es su diseño simple, costos de operación bajos, alto grado de paralelización y áreas de transferencia de masa bien definidas. Por lo tanto, los dispositivos agitados se usan a menudo para cultivos microbianos durante la fase temprana del desarrollo del proceso. Uno de los primeros cultivos de microorganismos en matraces de agitación se informó a principios de la década de 1930. Aproximadamente 50 años después, se llevaron a cabo los primeros cultivos microbianos en placas de microtitulación. En contraste, la caracterización sistemática de los reactores microbianos agitados y el desarrollo de estrategias de control comenzaron hace aproximadamente 20 años y todavía es el tema de muchos trabajos de investigación.
Entrada de potencia específica
La entrada de energía específica es uno de los parámetros de ingeniería básicos para la caracterización de biorreactores. Sumino et al. mencionó la entrada de energía específica como uno de los parámetros cruciales para la optimización y ampliación de las condiciones de operación biotecnológicas desde biorreactores agitados. Se define como la entrada de potencia por volumen de líquido P / V Ly describe la potencia promedio introducida en el líquido de un biorreactor. La entrada de energía específica influye directamente en la distribución de líquidos, la hidrodinámica de fluidos, la transferencia de calor y la mezcla, así como el estrés hidromecánico de los microorganismos. Además, se ve afectado por las propiedades del caldo de cultivo y aumenta con el aumento de la viscosidad. Si la viscosidad excede un valor crítico, el líquido en los biorreactores agitados tiende a estar fuera de fase y la entrada de potencia específica se reducirá considerablemente. Como consecuencia, también se reducirá la transferencia de oxígeno al líquido a granel, así como la mezcla. Por lo tanto, la entrada de energía específica influye directamente en el rendimiento del cultivo y representa uno de los parámetros de ingeniería más importantes de los biorreactores.
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.
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.
El enfoque de la biología de sistemas en los biorreactores
Una herramienta con más recursos para el diseño y operación de bioprocesos, en particular para la etapa de bioprocesamiento de un biorreactor, es la biología de sistemas, a veces también llamada biotecnología de sistemas para resaltar su utilidad para aplicaciones biológicas técnicas y distinguirla de las aplicaciones biomédicas o generales en ciencia. Probablemente ninguna otra tendencia actual en la biotecnología moderna tenga el potencial de impactar tanto en el bioprocesamiento, debido a las implicaciones económicas del proceso por las que podría allanar el camino. Las herramientas “ómicas” de la biología de sistemas tienen el poder de influir sustancialmente en el diseño de los sistemas de producción biológica, porque tienen el potencial de medir eventos, tasas y flujos metabólicos diminutos dentro de las células que trascienden otros medios analíticos en tiempo consumido y volúmenes de datos, y por eso, alcanzan parámetros que pueden facilitar para efectuar mejores decisiones de diseño y operación de biorreactores. Esto se refiere especialmente a las funciones biológicas que tienen un impacto potencial directo en el diseño del biorreactor que involucra ingeniería de vías, ingeniería de transportadores, eliminación de regulación negativa e ingeniería de la red reguladora de la célula.
Los objetivos de la biología de sistemas típicamente apuntan a la intensificación del proceso. Si tiene éxito, implica requisitos más exigentes del transporte de calor y energía, gases y nutrientes en el sistema de biorreactor. Por lo tanto, la eficiencia de la agitación y la transferencia se hace más pronunciada y requiere otra ronda de optimización de los parámetros de ingeniería. Las simulaciones en silicio se pueden usar para predecir, o verificar teóricamente, los efectos esperados. Las herramientas de biología de sistemas, o herramientas «ómicas», son clave en esto, incluyendo matrices genómicas y transcriptómicas, herramientas proteómicas para la estructura de proteínas, herramientas metabolómicas para el análisis de vías con el respaldo de instrumentación de alto rendimiento. Esto se acerca mucho a la necesidad de comprender los procesos biológicos en la célula, ya que es fundamental en medicina y con fines clínicos.
Park describe el enfoque sistemático del uso de la biología de sistemas como un procedimiento de tres rondas. En resumen, a la selección de cepas le sigue la primera ronda de ingeniería metabólica, que permite el desarrollo de una cepa base.
La tensión de base se ha diseñado aún más en función de los resultados obtenidos a partir de datos computacionales de alto rendimiento y análisis computacionales. El rendimiento de esta cepa de producción preliminar se evalúa luego en un proceso de fermentación real. En este paso, también se consideran los procesos posteriores. Los resultados luego se retroalimentan a un desarrollo de tensión adicional hasta que se obtiene una tensión superior que muestra el rendimiento deseado.
Otros ponen especial énfasis en el paso genómico como la clave del éxito del bioprocesamiento. Por ejemplo, algunos autores han demostrado de manera convincente cómo el rendimiento y las tasas de expresión de los productos de proteínas y metabolitos pueden dar lugar a múltiples aumentos por la identificación óptima de la red metabólica (OMNI). Mediante este método, los cambios potenciales en un modelo metabólico a escala del genoma se identifican sistemáticamente mediante la comparación de predicciones de modelos de flujos con mediciones experimentales. Este utiliza algoritmos eficientes para buscar en el espacio de posibles estructuras de modelos metabólicos, identificando así las reacciones de cuellos de botella y sus genes asociados. El método OMNI se ha aplicado en la optimización de la capacidad de producción de metabolitos de cepas de ingeniería metabólica. Por lo tanto, este método podría desentrañar las vías de secreción de los subproductos deseados y sugerir formas de mejorar las cepas. De este modo, se proporciona una nueva herramienta para el refinado eficiente y flexible de las reconstrucciones de redes metabólicas utilizando cantidades limitadas de datos experimentales; esto lo convierte en un recurso complementario para el desarrollo de bioprocesos.
Como se mencionó anteriormente, la aplicación a células de mamíferos tiende a dominar los nuevos bioprocesos industriales; en consecuencia, los enfoques de biología de sistemas deben ser capaces de lidiar con modelos de mayor complejidad para que estas células proporcionen predicciones confiables. El aumento de la complejidad de la tarea de biología de sistemas es evidente en el estudio realizado por (Xu et al. 2011), donde presentan un mapa de la secuencia genómica de 2.5 GB de la línea celular CHO-K1 que comprende 24 400 genes ubicados en 21 cromosomas, incluidos los genes implicados en la glicosilación, que afectan la calidad de la proteína terapéutica y los genes de susceptibilidad viral, relevantes para la ingeniería celular y los problemas regulatorios. La enorme recopilación de datos contribuye a explicar cómo los mecanismos de expresión y crecimiento pueden influir en los patrones de expresión relacionados con los genes asociados a la glicosilación humana que están presentes en el genoma de CHO. Una vez más, los datos de biología de los sistemas de concepción proporcionan pistas adicionales a nivel del genoma que pueden facilitar la optimización de la producción de proteínas biofarmacéuticas en biorreactores.
Otra funcionalidad clave del sistema biológico es la estabilidad del material genético de la célula. La estabilidad de una línea celular clonada para la expresión de proteínas recombinantes es una función esencial para mantener durante un lote de producción, así como en un banco de células para la siembra repetida de cultivos. La sensibilidad de las líneas celulares de producción y sus implicaciones se han abordado en diversos estudios.
Tendencias recientes en el diseño y operación de biorreactores.
Los principios básicos del diseño de fermentadores se han desarrollado en los últimos años en métodos más elaborados debido a varias nuevas premisas. Uno es el acceso a las computadoras para cálculos complejos. Esto ha permitido cálculos previamente demasiado pesados y exigentes para realizar y demasiado inconcebibles para predecir. Por eso, el trabajo de diseño se puede llevar a cabo en un tiempo muy reducido y con un esfuerzo cerebral mucho menor, con el fin de dilucidar las redes metabólicas, la dinámica de fluidos y los modelos cinéticos de la célula más complejos. Sin embargo, la interacción entre este conocimiento extendido y herramientas recién creadas y los problemas que requieren solución hasta ahora solo han sido explotados marginalmente. Otro es el costo de fabricación de locales para equipos. La producción masiva de unidades desechables se ha vuelto considerablemente menos costosa utilizando nuevos materiales de construcción de plástico duraderos y el montaje automatizado de equipos de biorreactores.
La influencia de los modelos tradicionales de los diversos diseños de los dispositivos de un solo uso, ha cambiado la mentalidad en la planificación de la ingeniería de la planta con respecto a las estimaciones de las inversiones en equipos y los costos operativos. La aparición de los sistemas de onda con biorreactores desechables en tamaños desde 1 hasta 2000 l. tomó sorprendentemente mucho tiempo a pesar de las obvias ventajas que brindan a todos los involucrados: los operadores, las empresas usuarias y los suministros de unidades.
En principio, el mismo tipo de progreso en la técnica de fabricación, la capacidad de producción en masa de materiales poliméricos a bajo costo, permite la microfabricación de dispositivos pequeños, como microbiorreactores y microbiochips. Esto tiene implicaciones en particular impuestas en los procesos de I + D al facilitar las pruebas paralelas de cepas, líneas celulares y medios, así como los parámetros básicos de cultivo. La optimización del biorreactor y el bioprocesamiento, mediante estas herramientas, puede acelerarse significativamente. El acceso a una electrónica más compacta y estable, también debido a la disponibilidad de técnicas de fabricación en masa y fabricación en miniatura en la industria electrónica y de software, facilita la transferencia de señales en el entorno microelectrónico de instrumentación de biorreactores. Las capacidades de los programas de software y la implementación del procesamiento de datos han avanzado considerablemente y se podría anticipar que se mejorarán sustancialmente.
Los más eficientes y mejores principios educativos de los bioingenieros le dan a la industria biotecnológica la oportunidad de mejorar el diseño y desarrollo de procesos.
Los modelos de ingeniería matemática, en la práctica industrial, han sido vistos a veces como algo que causa retrasos, dificultades e inconvenientes en lugar de ser herramientas de diseño eficientes. La metodología estadística sin embargo, es una excepción. El análisis estadístico multivariado de datos y el análisis factorial se han vuelto populares en la industria y son ampliamente aceptados como una herramienta para optimizar o al menos mejorar los procesos. Esto es muy apoyado por software fácil de usar que es fácil de aprender y aplicar. Otra razón es, por supuesto, que funciona y conduce a la reducción de costos. Estos métodos pueden aplicarse definitivamente en el diseño y funcionamiento de biorreactores de muchas maneras.
Otra tendencia cercana a esto es el apoyo inesperado al diseño por parte de los organismos reguladores al hacer que la industria farmacéutica aplique los principios de calidad por diseño (QbD) y la tecnología analítica de procesos. Como lo implican los términos, la calidad debe asociarse con el diseño y, como se declara repetidamente, debe incorporarse al diseño del proceso. Se realiza definiendo claramente la interdependencia de los parámetros críticos con la ayuda de medidas estadísticas para determinar el espacio de parámetros donde se mantiene la calidad. En especial, la metodología factorial estadística, el llamado diseño de experimentos (DoE), es una herramienta eficiente para lograr la QbD. El PAT es la herramienta habilitadora para QbD. Además de técnicas como DoE, otros métodos y medios analíticos proporcionan datos relevantes para el parámetro crítico en el proceso y el producto. Además, una vez que el diseño y el espacio operacional están establecidos, el producto debe controlarse dinámicamente para que permanezca dentro de él. Esto requiere métodos de monitoreo adecuados y enfoques de control confiables. Para esto, las metodologías generales están disponibles y se aplican en la industria. QbD se ha convertido en una parte integral del trabajo regulatorio y utilizado por los equipos de desarrollo en la industria farmacéutica. Aunque se denominan de manera diferente en otras aplicaciones de biotecnología, como en la producción de alimentos, bioquímica, enzimas y bioenergía, los mismos aspectos de calidad y los métodos de diseño y desarrollo pueden aplicarse y probablemente se apliquen en gran medida. Lo mismo se puede esperar para la mayoría de las industrias manufactureras.
Características generales del diseño de biorreactores
Los avances de la biotecnología ha dado un impulso para avanzar en el diseño de biorreactores. Especialmente a gran escala, los requisitos del sistema de cultivo se han dispersado en una variedad de diversos problemas técnicos que la mayoría de ellos tienen en común transferencia de masa y energía. En los libros de texto, un biorreactor se describe típicamente como un aparato con forma de cámara para organismos en crecimiento tales como bacterias o levaduras que se pueden usar para la producción de metabolitos biomoleculares o biopolímeros o para la conversión de desechos orgánicos. Esta descripción muy general del biorreactor destaca claramente el propósito principal de los esfuerzos de diseño: lograr condiciones en las que diversos tipos de células puedan crecer de manera eficiente y producir una variedad de productos biológicos con una amplia gama de tamaños moleculares en una sola unidad. Esto requiere una profunda adaptación del diseño técnico del sistema de biorreactor y podría dar como resultado muchas soluciones de diseño diferentes. La diversidad del diseño causada principalmente por el factor tiempo; Debido al hecho de que las tasas difieren en gran medida de un organismo a otro, en las tasas de reproducción, en las tasas de procesamiento molecular en los organismos individuales y en la transferencia a través de las barreras biológicas de los sistemas celulares.
El factor tiempo también se aplica a los procedimientos operativos. Cuando las células crecen, el diseño debe adaptarse para compensar la ampliación de la dinámica debido a los números más altos de células. Esto se refiere principalmente al suministro de nutrientes y factores de crecimiento. Sin embargo, también puede tratarse de la eliminación de masa y energía para evitar sobrecargar el sistema con cualquiera de estos. Los procedimientos operativos en combinación con el diseño efectuarán esto.
Una variedad de condiciones, procedimientos operacionales y consideraciones son críticos para la eficiencia del diseño. Las tasas de transferencia de masa y energía se encuentran entre los temas más críticos.
Se deben considerar los factores ambientales en un sentido más amplio, así como la temperatura ambiente y la humedad y la presencia de contaminantes; Todos los ejemplos de factores pueden jugar un papel importante.
La esterilización es un procedimiento operacional que varía ligeramente según el organismo, pero debe adaptarse con cuidado a la forma geométrica y los materiales de construcción de los fermentadores. La prevalencia de unidades de un solo uso hechas de materiales plásticos destaca la actualidad de este problema.
La inoculación de las células es otra consideración que se relaciona con el tamaño del inóculo, el estado de las células para entrar en una fase de crecimiento exponencial, su variabilidad y sensibilidad a las condiciones microambientales y su pureza.
La composición de los medios es un ejemplo de otro problema de diseño que comprende tanto los aspectos químicos relacionados con el valor nutricional de los medios como la importancia biológica de los componentes en relación con las rutas metabólicas involucradas en el crecimiento y la producción de las células.
En últimos tiempos han surgido una diversidad de alternativas de diseño de biorreactores. El biorreactor de tanque agitado es, con pocas excepciones, el diseño predominantemente utilizado para cultivos sumergidos debido a su versatilidad, operatividad, capacidad para hacer frente a muchos de los requisitos necesarios y a la fabricación.
El principal defecto de diseño agitado, su agitación mecánica, se resuelve en otros diseños. En el biorreactor de la columna de burbujas, el impulsor mecánico se intercambia con burbujas en aumento, lo que, en el caso de una fermentación aeróbica, se requerirá de todos modos y en beneficio de menos componentes mecánicos y la necesidad de menor potencia eléctrica. Pero con un inconveniente a veces crítico, menor transferencia de oxígeno volumétrico, que puede ser un defecto grave para los organismos de rápido crecimiento y los cultivos de alta densidad.
El biorreactor de puente aéreo con un flujo forzado en un bucle interno o externo tiene la misma ventaja, aunque el diseño requiere una pieza de construcción adicional, el tubo de la esquina inferior. Estas modificaciones de diseño relativamente menores parecen limitar sustancialmente el uso generalizado de estos tipos. Además, el reactor de lecho fluidizado donde las células se reciclan mediante bombeo externo y el producto soluble recogido por desbordamiento proporciona los mismos pros y contras, menos mecánica y menor transferencia de oxígeno. Sin embargo, se necesita una diversidad de densidad entre los medios y las células, lo que hace que la agregación de células como las células de levadura floculantes o las células posiblemente inmovilizadas sea el estado ideal para el componente biológico. Por eso, el diseño del reactor del tanque se acerca a los diseños del reactor tubular y las fermentaciones en estado sólido. En el biorreactor de lecho de goteo, las células se injertan en un material sólido mientras que el medio se transfiere a través de un lecho de biocatalizador.
Esto se asemeja al modelo de reactor tubular de ingeniería química donde el catalizador es típicamente un catalizador de metal de transición. En contraste con los sistemas de reacción química, los reactores biocatalizados albergan procesos aeróbicos de baja temperatura con regímenes cinéticos profundamente desviados.
El diseño del biorreactor de estado sólido también puede seguir el antiguo modelo de reactor de bandeja chino aplicado en la fermentación de koji. Recopilar el cultivo en un material de soporte, un tipo de procedimiento de inmovilización, en bandejas colocadas en un contenedor con condiciones controladas no es óptimo, pero es conveniente y está bien probado. El biorreactor de la bandeja se puede transformar en un reactor de lecho estático, que proporciona una mejor eficiencia al poner en contacto los componentes de la reacción de manera fluida. El lecho estático es una versión corta de un biorreactor de túnel que permite contener más catalizador a un caudal equivalente.
La rotación del biorreactor es otra forma de agitar las células y los reactivos, donde se debe emplear la gravedad de las partículas para provocar el movimiento en el fluido, ya sea en un disco o en una geometría de tambor, o moviendo una bolsa de plástico. Otra solución técnica es mover el impulsor alrededor del biorreactor, de vuelta al comienzo. Por supuesto, el diseño aquí puede variar sustancialmente. En la planta de aguas residuales, por ejemplo, el reactor es un tanque circular ancho pero con el impulsor bajo en un brazo giratorio. Como sugiere el ejemplo, el enfoque es principalmente una solución para la gran escala. Un tornillo continuo es una tercera alternativa para crear movimiento en el sistema de biorreacción, que es más apropiado si la fase líquida que se avanza es viscosa y donde la entrada de energía para accionar el tornillo es insignificante. Las condiciones de cultivo celular han generado algunas formas de diseño adicionales, tales como reactores de fibra hueca y de onda.
Las tarifas volumétricas y el tamaño del equipo deben adaptarse de manera realista. A menudo, se debe conectar un número mayor de unidades paralelas a un solo reactor si el volumen de operación conveniente del siguiente paso es demasiado pequeño para albergar el flujo volumétrico. Sin embargo, lo contrario también puede aplicarse; la capacidad de una sola centrifugadora de alta velocidad puede ser suficiente en una fábrica de cerveza con varios fermentadores.
¿Por qué es importante monitorear los biorreactores SSF?
Las plantas de fermentación de estado sólido, como muchas otras instalaciones de procesamiento, están sujetas a varios tipos de perturbaciones, como variaciones en las materias primas, cambios ambientales, fallas en los equipos y errores humanos. Si estas variantes no se detectan y compensan adecuadamente, afectarán la operación y el rendimiento de la planta SSF, lo que provocará accidentes, productos fuera de especificación o pérdida de producción. Por lo tanto, para poder operar el proceso de forma reproducible y segura, algunas variables de proceso relevantes deben medirse (variables medidas) y otras deben modificarse (variables manipuladas), de forma continua o al menos periódicamente.
Necesitamos definir nuestros objetivos específicos al colocar la instrumentación en el biorreactor antes de seleccionar las variables que se medirán y los instrumentos para realizar estas mediciones. En los biorreactores SSF debemos asegurarnos de que el microorganismo crezca bien y produzca las cantidades esperadas del metabolito deseado. Para lograr esto en el caso específico de biorreactores SSF de lecho empacado operados asépticamente en modo discontinuo, por ejemplo, debemos detener el proceso en el momento adecuado, detectar heterogeneidad indeseable en el lecho sólido y evitar la contaminación por otros microorganismos. Enfatizaremos los desafíos particulares que deben enfrentarse al realizar mediciones dentro de un lecho heterogéneo de partículas sólidas.
¿Qué variables nos gustaría medir?
Aquí analizaremos las variables que deben medirse y calcularse en línea para lograr lo que se mencionó anteriormente y cómo estas variables se relacionan con los objetivos del proceso.
Temperatura del lecho. Esta es la variable más importante y fácil de medir dentro de la cama sólida. La principal diferencia con una fermentación sumergida es la heterogeneidad del lecho. Por lo tanto, se deben colocar varios sensores de temperatura dentro del lecho sólido para obtener una estimación confiable de su temperatura promedio. El crecimiento y las tasas de producción pueden verse seriamente afectadas si los puntos calientes dentro de la cama no se detectan, lo que reduce el rendimiento del biorreactor.
Contenido de agua de la cama. Esta variable está relacionada con la actividad del agua del medio sólido, que tiene una fuerte influencia en el crecimiento y las tasas de producción del microorganismo. El contenido de agua debe medirse periódicamente para evitar el secado excesivo del lecho, especialmente durante la fase de crecimiento exponencial.
Porosidad de la cama. Durante la fermentación, el crecimiento de hongos filamentosos reduce la porosidad del lecho, disminuyendo la transferencia de CO2y O2entre el gas y el lecho sólido y también limita la eliminación del calor metabólico. Por lo tanto, la detección de la porosidad inadecuada del lecho es una preocupación importante en el funcionamiento de biorreactores SSF de lecho de relleno estático o agitado periódicamente.
Condiciones de entrada de aire. Prácticamente, la única forma efectiva de regular la temperatura del lecho en biorreactores SSF grandes es mediante la manipulación de las condiciones del aire de entrada. Como parte del control de estas condiciones, es necesario medir la temperatura, el caudal y la humedad de la corriente de aire de entrada.
Concentración de CO2y O2(variables respirométricas). La evolución de los gases de escape es muy rica en información sobre el rendimiento del biorreactor. Los gases de respiración pueden informarnos sobre el estado fisiológico del cultivo y permitirnos detectar si el microorganismo está bajo estrés. Las concentraciones de CO2y O2y la tasa de flujo de gas global se utilizan para calcular importantes variables derivadas en línea, como la tasa de evolución de CO2(CER), la tasa de absorción de O2(OUR) y el cociente respiratorio (RQ). Con estas variables podemos estimar la tasa de crecimiento de biomasa específica en línea y evaluar la operación del biorreactor.
Metabolitos volátiles. El monitoreo de los metabolitos volátiles en la corriente de salida de gas puede proporcionar una indicación sobre la tasa de producción y la actividad metabólica o ayuda para definir políticas operativas para mejorar la reproducibilidad del proceso.
pH. Al igual que en la fermentación sumergida, el crecimiento óptimo requiere un pH definido para cada microorganismo. Sin embargo, medir el pH dentro de lechos sólidos es difícil y poco confiable. La heterogeneidad del medio sólido plantea una dificultad extra. Como el pH no se puede medir en línea de manera confiable ni controlada, es una práctica común preparar el sustrato con una solución tamponada, para que el pH no cambie demasiado durante la fermentación.
Concentración de biomasa. A pesar de ser la variable más importante para evaluar el estado del cultivo, no existe un método confiable para la medición continua de biomasa en biorreactores industriales de SSF, contrariamente a la situación de la fermentación sumergida. El monitoreo de los gases respiratorios es útil para inferir qué tan bien está creciendo la biomasa. Tenga en cuenta que la heterogeneidad de las condiciones dentro del lecho sólido que es típica de los procesos SSF estáticos hará que los microorganismos crezcan de manera desigual a lo largo del lecho.
Concentración del sustrato. El establecimiento de la concentración inicial del sustrato limitante suele ser suficiente para garantizar el funcionamiento normal en biorreactores discontinuos. Sin embargo, en la producción de metabolitos secundarios puede ser necesario medir la concentración limitante de sustrato periódicamente para que se puedan establecer políticas de alimentación por lotes óptimas. En SSF esto podría ser difícil, especialmente si el sustrato contiene varias fuentes de carbono o nitrógeno que el microorganismo es capaz de usar.
Concentración del producto. Al igual que en todas las instalaciones de procesos industriales, la determinación de la concentración del producto es fundamental en las plantas de SSF para una productividad óptima y una garantía de calidad. Además, en ciertos casos, el producto resultante podría degradarse (como lo es GA3dentro de las fases acuosas), por lo que es necesario un control fuera de línea de la concentración del producto para establecer el tiempo óptimo de fermentación.
Los biorreactores y su desarrollo
La historia del desarrollo de los antibióticos es un ejemplo impresionante de cómo la microbiología y la biotecnología industrial evolucionaron durante un período prolongado de tiempo mediante acciones conjuntas entre la investigación académica y el desarrollo de productos. El descubrimiento original en 1929 por Alexander Fleming del efecto antibiótico de un cultivo de Penicillium se realizó en una serie de pasos para amplificar el rendimiento y la actividad de los cultivos transferidos a la producción a gran escala. Y otros científicos de renombre como Howard Florey, Ernest Chain, Norman Heatley, Marvin Johnson y otros en estrecha colaboración con compañías farmacéuticas lograron identificar, estabilizar, explotar, seleccionar cepas, explotar genéticas, métodos de mutación y, finalmente, establecer a gran escala de bioproducción en biorreactores para satisfacer las necesidades médicas globales para curar infecciones. Este último sí desafió las habilidades de ingeniería para comprender la optimización en el diseño y el funcionamiento del biorreactor. También dio abundantes ejemplos de cómo el conocimiento y las habilidades de un grupo de productos podrían transferirse a otros y, de esa manera, allanar el camino para otros antibióticos como las cefalosporinas, estreptomicinas y aminoglucósidos.
Estos esfuerzos y experiencias contribuyeron sustancialmente a facilitar el próximo desarrollo de bioprocesos de productos bioterapéuticos. Sin lugar a dudas, el concepto de intensificación del proceso impulsó el desarrollo, aunque el término aún no se había acuñado.
En paralelo con el progreso del desarrollo de antibióticos, se realizaron otros productos microbianos primarios y secundarios. Estos incluían aminoácidos (por ejemplo, glutamato y lisina) y ácidos orgánicos (por ejemplo, vitaminas) utilizados como ingredientes alimentarios y productos químicos básicos y alcanzaron considerables volúmenes de producción. Los polímeros microbianos, como el xantano y los polihidroxialcanoatos, son otros ejemplos de desarrollo de bioprocesos a mediados de los años cincuenta.
La fabricación de proteínas, especialmente las enzimas industriales, se convirtió relativamente pronto en parte de la biotecnología industrial con sitios de producción a gran escala en unas pocas empresas especializadas. En estos procesos de mayor escala, se alcanzaron hallazgos y experiencias muy importantes con respecto al diseño y operación de lo fermentadores. Aunque aún no se estaba explotando la transferencia de genes entre especies para estas proteínas, se logró un desarrollo tecnológico significativo para su uso posterior. Posteriormente, surgiría el uso industrial emergente de células animales. El cultivo a gran escala, a densidades celulares más bajas que los hongos y las levaduras, y representó un desafío para la ingeniería de biorreactores.
Con los avances de Köhler y Milstein (1975) en la expresión de anticuerpos monoclonales en el cultivo de células de hibridoma y la subsiguiente configuración de los sistemas de reactor de cultivo de células para la producción, surgió una nueva época que ha impactado enormemente en la biotecnología industrial y la bioingeniería. Inició un arte de tecnología de cultivo en el que las condiciones y procedimientos para el funcionamiento de un cultivo celular mostraron una serie de limitaciones necesarias que se deben superar para que el procesamiento sea industrialmente factible.
Sin embargo, fue la ingeniería genética y la tecnología de ADN recombinante las que crearon una revolución en el campo de la biotecnología industrial con productos macromoleculares de células, primero en bacterias y levaduras y posteriormente en células animales y humanas. La industria fue proactiva y eficiente en la transformación de la ciencia en actividad empresarial. En los años posteriores, siguieron productos bioterapéuticos exitosos como: insulina, eritropoyetina, interferones, hormonas de crecimiento, factores de coagulación sanguínea, interleuquinas y otros que llegaron al mercado terapéutico con tiempos de desarrollo relativamente cortos, a pesar de los requisitos reglamentarios y la multitud de condiciones de producción novedosas que abarcan desde consideraciones clínicas hasta una nueva metodología de fabricación. Especialmente, este último encarnó numerosos desafíos para que el bioprocesamiento y la ingeniería de biorreactores se desenredaran.
Los últimos pasos en la ingeniería de biorreactores están relacionados con la producción celular y las aplicaciones con productos de medicina regenerativa y células madre pluripotentes. Ciertamente, esto ha tenido implicaciones en el diseño de fermentadores en términos de nuevos y diversos requisitos para realizar la transformación celular, incluida la diferenciación celular, la expansión y la maduración, y un mayor tiempo de proceso en comparación con el procesamiento anterior. Las demandas de controlabilidad de los biorreactores para estos fines son mayores debido a los tipos de células más vulnerables, el comportamiento de crecimiento más complicado y las operaciones sustancialmente diferentes. Esto aborda nuevamente los problemas críticos de la transferencia de masa y las barreras de oxígeno, nutrientes y esterilidad de los cultivos.
Desarrollo de los biorreactores
Según la definición más acertada, el biorreactor es un espacio diseñado donde tienen lugar reacciones biológicas. Por lo tanto, el biorreactor es esencialmente un logro de ingeniería y el diseño puede significar un reto para los especialistas en bioingeniería. El biorreactor debe crear una biosfera que proporcione el ambiente ideal para la reacción biológica tan adecuada como sea posible.
El camino para alcanzar y mantener esto es la tarea principal que los ingenieros de biorreactores deben alcanzar. Esa tarea se divide en varios esfuerzos necesarios para llevarlo a cabo. Una es diseñar la entidad física del biorreactor en sí, asegurando condiciones físicas favorables para el transporte de gases, líquidos y sólidos a lo largo del proceso. Otro punto importante es asegurar que la entidad física del biorreactor se adapte favorablemente al sistema biológico que realiza las biorreacciones. Otra más es garantizar que los eventos biofísicos y bioquímicos dinámicos que tienen lugar sean operables en un entorno industrial.
En algunas de estas perspectivas de diseño, el diseño del biorreactor se aborda en una etapa de desarrollo del proceso donde el rendimiento de las operaciones es independiente de la escala o del sistema biológico dentro del biorreactor. Otros abordan sistemas biológicos específicos y los requisitos particulares de estos. Otros toman el punto de vista a nivel holístico: cómo integrar el biorreactor y su diseño en un bioprocesamiento completo con las restricciones que esto crea. Otros se refieren a la provisión de metodologías para observar el biorreactor en I + D, así como en las etapas de operación, para monitorear y controlar y optimizar su desempeño de una variedad de necesidades y propósitos. Otros más proporcionan mejores métodos para ayudar a los ingenieros y técnicos a administrar los procesos del biorreactor en condiciones industriales impredecibles en las que los eventos inesperados, fallas y contratiempos deben interpretarse en poco tiempo y actuar.
Referencias de la biotecnología con implicaciones en el diseño de biorreactores
El biorreactor es un aparato histórico conocido desde la antigüedad. Las antiguas culturas pudieron resolver los desafíos de diseño de bioingeniería con fines prácticos, como la elaboración de vinos y cervezas a partir de la mera experiencia y las observaciones. Esto allanó el camino para la evolución de los procesos biotecnológicos, principalmente para la preparación y producción de productos alimenticios.
La noción de que la vida microscópica es un gran recurso industrial llegó gradualmente al hombre y con cierta resistencia de la propia sociedad científica. Una serie de pasos científicos fundamentales allanaron el camino para el desarrollo de la biotecnología industrial. La creciente comprensión de los mecanismos de las enfermedades y su interacción con la biología celular apoyó este desarrollo.
A principios del siglo XIX, científicos como Lorenz Oken , Theodor Schwann y otros comenzaron a comprender los principios fundamentales del comportamiento de la célula en el cuerpo. Louis Pasteur llevó estas observaciones y conclusiones a una descripción coherente de los mecanismos de fermentación. Más tarde, investigadores como Emile Roux y Robert Koch se dieron cuenta de las implicaciones para la bacteriología y para la propagación de enfermedades. Estos avances en la biología celular y la medicina crearon sinérgicamente los antecedentes necesarios para la explotación del potencial industrial de las células. Por eso, también se establecieron requisitos previos importantes para un mayor desarrollo del diseño de los biorreactores.
La investigación microbiológica aportó una mejor comprensión de los procesos hasta entonces ocultos de la célula y, por lo tanto, del desarrollo de la bioingeniería y de las aplicaciones de biotecnología industrial generalizadas. Es en este marco de actividad bioindustrial y progreso los fermentadores y su diseño han sido moldeados. Sin embargo, cabe destacar que hace 100 años una instalación de biorreactores industriales no se veía muy diferente de los sitios industriales de hoy.
A principios del siglo XX, los procesos de fermentación a gran escala se establecieron con un impacto en la industria de la guerra de ese período. Se estableció la producción de glicerol para uso en la fabricación de explosivos, utilizando levadura para la conversión de glucosa. Otro ejemplo contemporáneo es la producción a gran escala de butanol y acetona por bacterias del ácido butírico, desarrollada por Chaim Weizmann, utilizada primero para explosivos y luego para la fabricación de caucho en la industria automotriz emergente. Sin embargo, estos bioprocesos pronto fueron abandonados por productos derivados del petróleo que tenían una mejor economía de proceso.