Condiciones de biorreactores a gran escala

Para obtener un conocimiento suficiente de las condiciones de biorreactores a gran escala, la recopilación de datos experimentales es absolutamente necesaria.

Sin embargo, las condiciones de “buenas prácticas de fabricación” (GMP, por sus siglas en inglés) que se realizan habitualmente en la industria farmacéutica no permiten la instalación de equipos sofisticados para la elucidación de gradientes dentro de un biorreactor.

Esta es, entre el riesgo de perder datos confidenciales de bioprocesos, la razón principal de la escasez de datos disponibles de biorreactores a gran escala.

Todavía no se sabe mucho sobre la distribución de los gradientes de concentración. Los sistemas de monitoreo adecuados en biorreactores a gran escala deben, por lo tanto, poseer las siguientes características: (i) la perturbación del campo de fluido debe ser apenas reconocible, (ii) el método de monitoreo debe ser no invasivo o al menos montarse en los puertos disponibles, (iii) ) la esterilidad del proceso no debe verse afectada, y (iv) el método de seguimiento debe ser capaz de identificar gradientes de parámetros relevantes con una resolución suficiente.

Estas características difícilmente se combinan en ningún sistema. Por lo tanto, se debe hacer un compromiso. Especialmente, no se puede asegurar la esterilidad, por ejemplo, cuando se aplican sensores multiposición. Sin embargo, la posición flexible de un sensor es un requisito previo para la determinación de zonas críticas y gradientes entre ellas. Una forma de eludir este problema es centrarse en procesos con bajos requisitos de esterilidad, al menos procesos que no sean GMP.

Los procesos para la producción de materias primas, alimentos, biocombustibles y biogás podrían ser objetivos adecuados, ya que estos procesos no suelen requerir una esterilidad absoluta en los tanques de acero, al menos no a escala de producción antes de la terminación, cuando los gradientes han evolucionado en su mayor medida.

Un enfoque bastante simple para la detección de gradientes de oxígeno disuelto es el montaje de sensores de OD típicamente aplicados a diferentes alturas del biorreactor.

El método dinámico (el oxígeno se elimina mediante nitrógeno (gasificación) o el oxígeno se rocía en una fase líquida anóxica en un reactor (gasificación)) es un método adecuado que proporciona datos de la transferencia de masa de oxígeno cuando el tiempo de respuesta del electrodo de OD es menor que el valor k_La. 

Se pueden seguir enfoques similares para la determinación de la disolución de dióxido de carbono. En este caso, se puede aplicar un electrodo de pH para seguir el cambio de pH causado por el dióxido de carbono disuelto. Varias revisiones describen la comparación de diferentes métodos y aplicaciones para la determinación del valor de kLa.

El efecto de una mezcla insuficiente, es decir, una entrada de energía insuficiente con respecto al volumen de líquido, provoca gradientes de sustratos, cofactores como el oxígeno disuelto y productos.

Con el fin de investigar el aporte de oxígeno a un cultivo de Streptomyces en la escala de 112 m³, Manfredini et al. instaló una sonda de temperatura y OD verticalmente flexible que se montó en una plataforma de acero.

Podría fijarse en cada posición en el bulto en la fase líquida.

Las mediciones estáticas de oxígeno disuelto y temperatura a diversas concentraciones de biomasa seca y, por lo tanto, la viscosidad produjeron gradientes a lo largo de la altura del biorreactor.

Si bien se pudo mantener una concentración de oxígeno disuelto de hasta el 65 % cerca del rociador durante todo el cultivo, se observó una clara reducción en la parte superior, donde solo se pudo medir el 30 % de la saturación.

No se detectaron gradientes de temperatura relevantes. Oosterhuis realizó un enfoque similar para detectar gradientes de oxígeno.

De manera similar al enfoque mencionado anteriormente, se montó un electrodo polarográfico a lo largo de un cable, que a su vez se montó en un tubo en la parte inferior y superior en un biorreactor con un volumen de trabajo de 19 m .

Por lo tanto, el sensor podría moverse libremente en dirección vertical. Las mediciones se evaluaron en condiciones de producción. Se midió una concentración de saturación desde >90% cerca del rociador hasta <5% entre los impulsores.

Se estableció una indicación rápida del tiempo de mezcla mediante un agente decolorante dependiente del pH y análisis de video.

El método permite una estimación global del tiempo de mezclado. El método aplicado por Alves et al. Se basó en pequeños capilares en los que la fase gas-líquido fue succionada en múltiples posiciones. Las burbujas estaban bien separadas entre sí por la fase líquida. El tiempo de mezcla se estimó en un biorreactor tubular de rotación horizontal utilizando un método de temperatura escalonada a varias velocidades de rotación en una sala con temperatura controlada.

Debido a las diferentes características ópticas de la fase gaseosa y líquida, se realizó una separación con métodos foto ópticos. Otros estudios describen la aplicación de un sistema basado en celdas de flujo en el que se fotografiaron las burbujas. Se mejoró la sensibilidad de las técnicas foto ópticas no intrusivas para que se pudiera detectar un diámetro mínimo de burbuja de 40 μm.

Un parámetro de proceso importante, que afecta la disponibilidad de oxígeno, es la entrada de energía P. Si bien existen gradientes en biorreactores a gran escala, la entrada de energía puede considerarse libre de gradientes cuando solo se considera la entrada de energía basada en el agitador. Puede medirse con dinamómetros de torsión, o en base al balance de calor en un recipiente aislado independiente de la escala. Debido a la facilidad de las mediciones, la potencia de entrada se ha utilizado como parámetro de escalado en muchos estudios.

Estudios propios incluso revelaron una correlación válida entre la potencia de entrada del agitador medida en el eje del agitador, que era necesaria para mantener la velocidad del agitador, y la viscosidad del caldo de cultivo en un biorreactor de flujo pistón a escala industrial para la producción de biogás.

Dado que la viscosidad afecta en gran medida la separación de zonas y la alta viscosidad favorece la formación de gradientes, la potencia de entrada debe ajustarse si es posible para evitar un aumento en el tiempo de mezcla.

Sin embargo, este parámetro se puede determinar con facilidad y precisión incluso a gran escala de forma no invasiva.