Advances in the Design of Bioreactor Systems.en.es.pdf
- 1. Bioprocesamiento Avances en el Diseño de Sistemas de Biorreactores Por Timo Keijzer y Erik Kakes de Applikon Biotechnology BV, y Emo van Halsema en Halotec Instruments BV Los desarrollos en áreas como la miniaturización, el software de recopilación de datos y los equipos de sensor/actuador están cambiando la forma en que se diseñan los sistemas de biorreactores. Los biorreactores son sistemas cerrados en los que se puede llevar a cabo un proceso biológico en condiciones ambientales controladas. Un sistema de biorreactor comprende un biorreactor, sensores y actuadores, un sistema de control y software para monitorear y controlar las condiciones dentro del biorreactor. Los procesos para productos biofarmacéuticos se basan en el biorreactor de tanque agitado. Por lo tanto, el proceso de escalamiento de sistemas de laboratorio a tamaño de producción también se basa en este diseño. Este biorreactor cilíndrico utiliza un sistema de mezcla giratorio montado en la parte superior o inferior. Generalmente, el tanque tiene una relación de aspecto de entre 1:1,5 (para cultivo de células de mamíferos) y 1:3 (para fermentaciones microbianas). Se pueden instalar deflectores para mejorar la mezcla cuando el diámetro del deflector suele ser una décima parte del diámetro del tanque. El impulsor puede ser un impulsor marino para la mezcla axial del cultivo celular (con un diámetro de entre un tercio y la mitad del diámetro del tanque) o varias turbinas Rushton para romper burbujas de gas y mezclar axialmente en cultivos microbianos. El gas generalmente se introduce debajo del impulsor de mezcla, y las adiciones de líquido se realizan desde la parte superior del biorreactor. Los biorreactores de tanque agitado están disponibles desde 0,05 litros hasta 100 metros cúbicos de volumen. El diseño de un sistema de biorreactor implica ingeniería mecánica, eléctrica y de bioprocesos. Dado que los biorreactores estándar se pueden usar en una variedad de aplicaciones, el proceso de diseño debe organizarse de tal manera que los sistemas se puedan usar bajo las regulaciones más estrictas. Estas reglas de diseño se describen en las pautas cGMP y GAMP, así como en las pautas de equipos de bioprocesamiento (BPE) de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) para el diseño de equipos de bioprocesos. Las aplicaciones típicas de los biorreactores se pueden encontrar en la producción de productos farmacéuticos, materiales de base biológica para alimentos (como el ácido poliláctico), biocombustibles y también en el tratamiento de residuos. Otros diseños de biorreactores incluyen los siguientes: Fotobiorreactores Un fotobiorreactor incorpora una fuente de luz para proporcionar entrada de energía fotónica al reactor. Se utilizan generalmente para el cultivo de organismos fotosintéticos (plantas, algas y bacterias). Los fotobiorreactores a escala industrial también pueden ser sistemas de estanques abiertos; obviamente, estos no pueden ser considerados como sistemas cerrados, por lo que son más sensibles a las influencias ambientales. TIPOS DE BIORREACTORES El biorreactor de tanque agitado es el diseño clásico de biorreactor y sigue siendo el más utilizado. La mayoría de las instalaciones de producción y producción aprobada por la FDA Figura 1:Esterilizable en autoclave sistema de biorreactor de tanque agitado Biorreactores de estado sólido Estos se utilizan para procesos en los que los microorganismos se cultivan en partículas sólidas y húmedas. Los espacios entre las partículas contienen una fase gaseosa continua y una cantidad mínima de agua. La mayoría de los procesos de fermentación en estado sólido (SSF) involucran hongos filamentosos, aunque algunos también involucran bacterias o levaduras. La fermentación en estado sólido se utiliza principalmente en procesos alimentarios. Biorreactores de columna de burbujas Estos son biorreactores de columna alta donde el gas se introduce en la sección inferior para fines de mezcla y aireación. 60 Innovaciones en Tecnología Farmacéutica Traducido del inglés al español - www.onlinedoctranslator.com
- 2. Biorreactores de elevación por aire Al igual que los reactores de columna de burbujeo, estos se diferencian por el hecho de que contienen un tubo de aspiración. Hay dos tipos de tubos de aspiración: un tubo interior (biorreactor de elevación por aire con un bucle interno); o un tubo externo (biorreactor de elevación por aire con un circuito externo). El tubo de aspiración mejora la circulación y la transferencia de oxígeno y equilibra las fuerzas de cizallamiento en el reactor. Los biorreactores Airlift están disponibles desde escala de laboratorio hasta escala de producción completa. Biorreactores de células madre Un desarrollo reciente es el biorreactor de células madre. Existen numerosos diseños para este tipo de biorreactores, pero el objetivo es el mismo: cultivar y diferenciar células madre. Todavía no hay productos comerciales en el mercado, pero varios programas de investigación conjuntos entre la industria y las universidades se están centrando en el desarrollo de sistemas de biorreactores de células madre. Applikon Biotechnology ha participado en varios de estos proyectos y ha desarrollado varios diseños exitosos. Cartuchos de fibra hueca Las fibras huecas son pequeños filtros en forma de tubo sellados en la cubierta de un cartucho para que el medio de cultivo celular bombeado a través del extremo del cartucho fluya a través del interior de la fibra, mientras que las células crecen en el exterior de la fibra. Las fibras huecas proporcionan una gran cantidad de superficie en un volumen pequeño. Las células crecen sobre y alrededor de las fibras a densidades superiores a 1 x 108por mililitro El cultivo de células de fibra hueca es el único medio para cultivar células enen vivo-como las densidades celulares. El cultivo celular a altas densidades puede lograr una concentración de producto secretado de 10 a 100 veces mayor en comparación con los procesos por lotes clásicos. Sin embargo, la escalabilidad del sistema de fibra hueca es limitada, por lo que estos tipos de biorreactores se utilizan principalmente a escala de laboratorio. TENDENCIAS Actualmente, se pueden identificar varias tendencias con respecto al diseño de biorreactores. Por supuesto, los últimos años han estado dominados por nuevos desarrollos en tecnología de biorreactores de un solo uso. Esto se ha centrado principalmente en biorreactores de volumen de producción pequeños y grandes (50 litros y más), y tiene como objetivo reducir los costos de inversión inicial de las nuevas instalaciones de producción. Otra tendencia se centra en el lado de la I+D de la biotecnología, que también se basa en los costos; esto incluye la reducción de los biorreactores a volúmenes de mililitros e incluso microlitros, con el objetivo final de reducir el tiempo de comercialización de nuevos medicamentos. Este enfoque se centra en obtener más datos en una etapa anterior del desarrollo del proceso y permite tomar decisiones más eficientes durante el proceso de selección de cepas o medios específicos para el desarrollo o la producción de procesos posteriores. Esta configuración requiere una gran cantidad de cultivos funcionando en paralelo bajo condiciones idénticas y controladas. En la siguiente etapa de ampliación, el desarrollo del proceso también debe optimizarse y hacerse lo más eficiente posible en cuanto al tiempo. Nuevamente, esto significa que una gran cantidad de cultivos deben ejecutarse en paralelo bajo Biorreactores de bolsa oscilante Hace aproximadamente 15 años, se introdujo el biorreactor de bolsa basculante como el primer biorreactor de un solo uso. Este sistema se basa en el movimiento oscilante del soporte del biorreactor para mezclar un volumen de líquido contenido en una bolsa de plástico. Este tipo de biorreactor se usa principalmente para el cultivo de células, debido a las bajas tasas de transferencia de oxígeno y la capacidad de enfriamiento limitada de dichos sistemas. Figura 2:Mini biorreactores con volumen total de 250 ml 62 Innovaciones en Tecnología Farmacéutica
- 3. Figura 3:Fotobiorreactor cGMP de un solo uso diferentes condiciones para seleccionar las condiciones óptimas de crecimiento y producción para las cepas seleccionadas. La empresa alemana PreSens GmbH ha desarrollado una tecnología de sensores basada en fluoróforos para la medición no invasiva del pH Este trabajo se realizaba clásicamente en biorreactores de tres litros en la mesa de laboratorio; el razonamiento detrás de esto fue que los resultados encontrados en el sistema de sobremesa serían escalables a la planta piloto y al nivel de producción. La escala de tres litros era el volumen más pequeño que todavía permitiría un régimen de mezcla uniforme y permitiría el uso de la misma tecnología de sensor y actuador que en las escalas más grandes. y oxígeno disuelto. Este La tecnología se ha aplicado con éxito en placas de microtitulación, convirtiendo estos dispositivos en sistemas de cultivo bien controlados. Los volúmenes de cultivo están en el rango de mililitros y la mezcla se logra colocando las placas de microtitulación en un agitador. Este es un buen primer paso en el desarrollo de pequeños biorreactores, pero aún no se ha desarrollado un sistema de control (adiciones de líquidos, etc.). Figura 4:Movido tanque foto biorreactor MINIATURIZACIÓN En Applikon Biotechnology, recientemente introdujimos un biorreactor para operación escalable a volúmenes tan bajos como 50 ml, con tecnología de actuador y sensor clásico miniaturizado. Se desarrollaron varias tecnologías innovadoras para lograr esto; estos incluidos esterilizables Los desarrollos recientes en la tecnología de sensores y actuadores han permitido una mayor reducción de los biorreactores, manteniendo al mismo tiempo la escalabilidad requerida para los volúmenes piloto y de producción. www.iptonline.com 63
- 4. Sensores de pH en miniatura rellenos de gel y sensores de oxígeno polarográficos con un diámetro exterior de solo 6 mm. Estos sensores permiten la medición fiable de pH y oxígeno disuelto durante un período más largo (semanas o meses). El sensor de pH se puede utilizar desde pH2 hasta pH12, lo que lo hace aplicable a una gama más amplia de procesos que otros sensores en miniatura (como los fluoróforos) que no pueden medir por debajo de pH5 o por encima de pH8. se necesita una forma más vigorosa de mezcla. Se desarrolló un accionamiento directo en miniatura para este propósito; el accionamiento puede funcionar de forma continua a 2000 rpm para garantizar una mezcla y una transferencia de masa adecuadas y escalables en una escala en miniatura. DISEÑO DE PROCESOS BASADOS EN ESCRITORIO La enorme cantidad de datos generados con estos instrumentos a pequeña escala debe interpretarse y, por lo tanto, debe visualizarse para poder digerir toda la información. Los datos deben recopilarse utilizando un software inteligente de recopilación de datos; dicho software puede comparar datos entre diferentes plataformas de cultivo y guiar al usuario para seleccionar la configuración óptima para cepas específicas. La minería de datos y otras técnicas permiten el análisis de grandes cantidades de datos, así como la identificación de correlaciones y estructuras subyacentes. En el lado del actuador, el desafío es agregar pequeñas cantidades de líquidos en condiciones controladas; esto es particularmente importante cuando se trabaja con adiciones continuas de medios. Agregar una gota de medio concentrado en la escala de tres litros no influye en el cultivo, pero una gota en un volumen de 50 ml hace una diferencia significativa en la concentración de nutrientes. Se desarrolló una válvula de inyección esterilizable especial para agregar gotas de nanolitros de líquido al cultivo de forma continua; esto permite la adición suave de líquidos (altamente concentrados) al biorreactor. Los modelos matemáticos que describen el crecimiento celular en función de la composición del medio permiten al usuario diseñar medios de cultivo por computadora. Este enfoque proporciona una idea de los efectos de cambiar las condiciones específicas del medio (como la capacidad de amortiguación) en el crecimiento celular y la formación de productos. Además, los efectos de los subproductos se pueden examinar antes de realizar cualquier prueba de laboratorio. Otras características del software moderno que ahorran tiempo son el acceso remoto para ver y analizar experimentos reales en ejecución desde el escritorio y el acceso móvil a los experimentos; este acceso móvil permite al usuario interactuar con los procesos en cualquier momento y desde cualquier lugar. El acceso móvil está disponible a través de teléfonos inteligentes o una tableta; por supuesto, el acceso está limitado a usuarios autorizados a través de una estricta política de seguridad. La mayoría de los biorreactores de tanque agitado en miniatura se basan en una barra agitadora magnética para la agitación. Esto es aceptable para el cultivo de células de mamíferos donde la mezcla y las demandas de oxígeno son limitadas, pero para cultivos microbianos un timo keij Holanda un grado fr Wageninge 2000, él c Austria) en ultrasónico c de medio de cultivo para pe zejemse unió a Applikon Biotechnology BV (Schiedam, s) en 2001 como Gerente de Producto. En 1999, obtuvo el título del Departamento de Ingeniería de BioProcesos en la Universidad y Centro de Investigación de n (Países Bajos). Continuó sus estudios en la Universidad de Boku (Viena), en el Departamento de Microbiología Aplicada, especializándose en separación de ell (usando ondas de sonido para separar la fusión de células). Correo electrónico: info@applikon-biotechnology.com t r Sobre la base de estas nuevas tecnologías, el tiempo de desarrollo de nuevos productos farmacéuticos se puede reducir considerablemente, lo que se traduce en menores costes de I+D. Los biorreactores más pequeños pueden incluso reducir el espacio de banco necesario para los experimentos, lo que en última instancia da como resultado la posibilidad de laboratorios más pequeños y reduce la inversión necesaria para el costoso espacio de laboratorio. erik kake Biotecnología gerente un En 2008, h Oudshoorn erik graduado Holanda a 1988, trabajó para la producción de goma xantana. s o norte mi es Director de Marketing y Ventas Internacionales en Applikon gy BV. Se incorporó a Applikon en 1988 como Project d y luego pasó a ventas a través del departamento de I+D. adquirió la propiedad de Applikon con Arthur y Jaap Oostra a través de una compra por parte de la gerencia. egresado en 1984 del Van't Hoff Institute (Rotterdam, s), con especialización en Bioquímica. Desde 1984 empresa azucarera Cosun optimizando CONCLUSIÓN furgoneta emo BV (Vene qué especificación medición industria. H datos de proceso proceso co los ingenieros trabajan en el desarrollo de un desafío técnico: de la Universidad Tecnológica de d Delft que establece Halotec. H norte alsemaes director general de Halotec Instruments daal, Países Bajos), una empresa que creó y se especializa en el desarrollo de sistemas y equipos de proceso innovadores y completamente automatizados para las ciencias de la vida. ha desarrollado un paquete de software para reunir datos de múltiples fuentes, incorporando modelado, control y almacenamiento de datos. Su equipo de soluciones g colaboradoras para cualquier recopilación de datos de biotecnología/ingeniería/software para análisis de datos. Emo se graduó de la y (Países Bajos) donde permaneció durante 10 años antes En las últimas décadas, los cambios en el diseño de sistemas de biorreactores se han centrado principalmente en el software y el control de estos sistemas, mientras que, más recientemente, la revolución de un solo uso ha cambiado el diseño de plantas piloto y biorreactores de producción para cultivo celular. Una nueva área de cambio es la miniaturización del sistema de biorreactor, y ahora hay nuevas tecnologías disponibles para sensores y actuadores. Con más datos generados en un período de tiempo más corto, el tiempo de comercialización de nuevos medicamentos se reducirá considerablemente. mi norte 64 Innovaciones en Tecnología Farmacéutica