El documento describe los avances recientes en el diseño de sistemas de biorreactores, incluida la miniaturización de biorreactores y el desarrollo de nuevas tecnologías de sensores y actuadores. Esto permite un enfoque más eficiente en el desarrollo de procesos basado en escritorio que reduce los tiempos y costos de desarrollo. El biorreactor de tanque agitado sigue siendo el diseño más común, pero se están desarrollando nuevos diseños como los fotobiorreactores, biorreactores de estado

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.
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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
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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.
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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