Todo lo que debe saber sobre el proceso de ampliación del biorreactor

Cualquier ingeniero puede dar fe de lo difícil y complejo que puede llegar a ser ampliar la escala de un biorreactor. Básicamente, implica ampliar la escala de un proceso de fermentación, algo que requiere una gran atención a los detalles, el tiempo y la interacción con todo tipo de cambios ambientales.

Al ser un proceso detallado, se deben tener en cuenta diferentes medidas para lograr el éxito de la ampliación. En esta guía detallada, analizaremos todo lo que debe saber sobre el proceso. Profundizaremos en lo que implica la ampliación, los diferentes tipos de ampliaciones y los factores de ampliación que se deben tener en cuenta.

¿En qué consiste una ampliación de escala?

La ampliación del biorreactor es el proceso de aumentar los volúmenes de fermentación de trabajo desde una fermentación a pequeña escala a una fermentación a gran escala.

La fermentación a pequeña escala es esencial en los estudios y pruebas. Sin embargo, una vez que se han estudiado todos los parámetros o variables, es necesario migrar a una fermentación a mayor escala. Es en este punto donde se produce el aumento de escala.

La ampliación puede ser compleja, costosa y demandar mucho tiempo. Pero si se realiza correctamente, el resultado es un duplicado eficaz y duradero de la versión a pequeña escala. A continuación, se indican los pasos a seguir.

1. Preparación

Una planificación y preparación adecuadas para la ampliación del biorreactor determinan directamente el éxito de su bioproceso. Es en esta etapa en la que debe decidir entre diferentes parámetros de ampliación del biorreactor y determinar diversos factores, entre ellos:

• Resultados esperados: Identifique claramente la demanda de su producto y el nivel de producción que intenta alcanzar a mayor escala. Tener objetivos finales realistas le permitirá saber cuándo y dónde comenzar a ampliar su negocio.
• Modo de trabajo: Antes de ampliar la escala, es importante saber durante cuánto tiempo y con qué frecuencia se utilizará el reactor. Esto le orientará sobre el método de ampliación y el tipo de biorreactor que necesita para aumentar su producción. Por ejemplo, si prefiere biorreactores de un solo uso, amplíe la escala según los tiempos de limpieza.
• Realizar análisis de datos de fermentación: esto le dará una idea de cuánta pérdida incurre al purificar el producto a mayor escala en comparación con una escala más pequeña.

2. Consulta

Scaling up a bioreactor must involve experienced and skilled hands as this is a rather complicated and sensitive process. If you don’t have the know-how of how to navigate through the scale up, reach out to experts in the field. Find certified engineers and other technicians who have already handled the scale up needed.

3. Pruebas

Antes de ampliar su biorreactor, pruebe varios parámetros utilizando un biorreactor a escala de banco.

A bench scale is the smallest footprint bioreactor with an appropriate size for fundamental research and testing. Therefore, combining a bench scale’s capabilities with more complex methods for large-scale production will help you achieve a successful scale-up.

Es por esto que los biorreactores de escala pequeña y económica son muy útiles para predecir cuán efectivo será el biorreactor de gran escala con respecto a estos parámetros.

4. Ampliación de escala

Después de la debida diligencia, llega el momento de proceder al procedimiento propiamente dicho. Pero antes de eso, hay que tener en cuenta varios factores. Además, existen varias formas de ampliar la escala de un biorreactor, que vamos a analizar a continuación.

5. Evaluar resultados

El comienzo de este siguiente paso implica comparar los resultados actuales con la producción inicial al final del procedimiento de ampliación para determinar si todo el proceso es exitoso. Por lo tanto, para evaluar esto, debe calcular la relación entre la fase de menor escala y la fase de gran escala con la ayuda de una calculadora de ampliación de escala de biorreactores.

Esta no es una actividad que se realiza una sola vez, sino un proceso continuo que debe realizar para validar si su ampliación es exitosa de manera constante.

Bioreactor Scale up Methods

Existen tres métodos principales para escalar su biorreactor. Cada método es diferente y usted puede elegir el que mejor se adapte a sus necesidades de producción. A continuación, se incluye un esquema completo de cada método.

1. Ampliación por volumen

Aumentar el volumen simplemente implica aumentar la tasa de producción en una proporción fija, lo que implica aumentar la potencia y el tamaño del biorreactor ya existente.

Biorreactores de tanque agitado Son la variedad más común para escalar, ya que cumplen con los requisitos de la industria debido a su capacidad para mezclar fluidos de manera efectiva y facilitar la transferencia de oxígeno.

Existen tres escalas para elegir, según los niveles de producción que se deseen alcanzar. Son:

• Escala de laboratorio: Los volúmenes varían de 0,5 a 10 L. Esta escala se aplica generalmente a producciones a pequeña escala y con fines de prueba. Son útiles si se desea probar el comportamiento de cultivos celulares.
• Pilot scale – Biorreactores a escala pilotoSu capacidad oscila entre 50 l y 200 l. Se utilizan principalmente para operaciones a pequeña escala o para realizar pruebas para iniciar el desarrollo de un producto antes de aumentar la producción a mayor escala.
• Industrial scale – Between 500l and 5000l after scale-up for large-scale production. It is the commercialization stage, allowing you to produce larger quantities.

Ventajas de escalar por volumen

• Las condiciones permanecen constantes y todas las células crecen en el mismo entorno, produciendo resultados idénticos.
• Hay espacio para ampliar la cantidad de producto deseada.

Desventajas de escalar por volumen

• Aumentar el volumen es un desafío, ya que hay muchos factores que se deben tener en cuenta y mantener constantes a medida que se aumenta la producción.
• Este método requiere mucho tiempo porque implica numerosos factores que deben tenerse en cuenta para obtener resultados equilibrados.
• Siempre existe el riesgo importante de fracaso incluso después de estudiar cuidadosamente las condiciones en una escala y aplicarlas a otra escala diferente.
• Puede resultar costoso, especialmente cuando hay que desechar todo el lote cuando se produce incluso la más mínima contaminación.

2. Ampliación por unidad

A diferencia del concepto de escalar un biorreactor mediante el aumento de la capacidad de los equipos existentes, el escalamiento unitario implica aumentar el número de biorreactores. Esto significa que cada biorreactor tiene un volumen pequeño y sus capacidades se suman para lograr la escala de producción deseada.

Algunos de los recursos que puedes utilizar para realizar este método son;

1. Roller bottles – The medium is added at the bottom and the adherent cells attach to the walls as the bottle rolls. This means that the cells get a constant supply of medium on a larger scale. This is why roller bottles were previously used for vaccine production.

   

2. T-flasks – They have vented  filter caps which allow gas exchange to take place. You can also fill them with any volume and use them to grow cells for various purposes.

Ventajas

• Para aumentar la producción, simplemente agregue más botellas con rodillo o frascos T hasta lograr el resultado deseado.
• You don’t need to go through the process of purchasing a new bioreactor and it is proven to produce reliable results.
• El escalamiento horizontal es menos costoso: en caso de contaminación, se puede retirar o reemplazar el frasco o la botella contaminada sin incurrir en muchos costos.

Desventajas

• Cuantos más recursos agregues para aumentar la escala de producción, más espacio y mano de obra necesitarás.
• Las botellas y frascos pueden variar en rendimiento, por lo que la calidad de los resultados puede variar.

3. Biorreactores de un solo uso

Con los avances tecnológicos en la industria del bioprocesamiento, una de las innovaciones más interesantes ha sido el biorreactor de un solo uso. En lugar de un recipiente de vidrio o acero inoxidable, un biorreactor de un solo uso consta de una bolsa desechable en una estructura permanente, como un cilindro.

Este tipo de biorreactores se utilizan para cultivar células a gran escala para diversos procesos, pero también resultan útiles durante la ampliación de la escala de un biorreactor.

En lugar de adquirir un nuevo biorreactor o agregar más recursos a uno existente, puedes utilizar un biorreactor de un solo uso para aumentar tu escala de producción manteniendo todas las condiciones constantes.

Ventajas

• Un biorreactor de un solo uso ahorra tiempo. Solo hay que instalarlo por separado sin afectar el funcionamiento de su biorreactor actual.
• Las bolsas desechables ofrecen la comodidad de ahorrarle el trabajo y el tiempo que utilizaría para limpiar un biorreactor normal.
• You don’t have to incur any validation costs once you test and approve that theBiorreactores de un solo uso son adecuados para su tipo y escala de producción.

Desventajas

• La ampliación está limitada a solo 2000 l. Cualquier volumen mayor puede estirarse demasiado y hacer que la bolsa explote.
• Los biorreactores de un solo uso son caros, especialmente si se requiere una bolsa de plástico de la mejor calidad. Elegir una más barata y de calidad inferior podría provocar que el plástico se filtre en los productos y afecte a la calidad.

Factores a tener en cuenta al ampliar un biorreactor

Ampliar la escala de un biorreactor es un proceso complejo que implica tener en cuenta muchos factores. Estas condiciones pueden afectar directa o indirectamente la eficiencia de la ampliación y la calidad general de la producción. Entre ellas se incluyen:

1. kLa

kLa es simplemente una medida de cómo los gases se transforman en líquidos. La esencia de este parámetro es ayudarlo define los límites de tu bioprocesoEstá influenciado por los tipos y la cantidad de gases en el sistema del biorreactor, ya que un kLa alto significa que su sistema puede transferir oxígeno de manera eficiente.

2. Tiempo de mezcla

También hay que tener en cuenta el tiempo que se tarda en conseguir la uniformidad del líquido, lo que se denomina tiempo de mezcla.

Mixing time is directly influenced by the type of bioreactor and the rate of stirring. It is a crucial factor that will help you determine if you have to change your bioreactor’s configuration as you scale up.

3. Escala

Antes de ampliar la escala, debe comprender la capacidad de su biorreactor y qué tan alta desea alcanzar su tasa de producción. Esto lo ayudará a lograr un equilibrio para todas las condiciones operativas y garantizar que la ampliación de la escala del biorreactor no afecte la calidad de su producto.

4. Factores físicos

Una ampliación de escala implica aumentar el tamaño de la producción, lo que puede dar lugar a menos espacio para algunos procesos y reacciones. Por lo tanto, hay que asegurarse de dejar suficiente espacio de diseño para la formulación de gases, la formación de espuma y burbujas y una mezcla eficiente.

Otros factores físicos que afectan la ampliación de escala de un biorreactor incluyen la geometría del equipo, la aireación y la transferencia de calor. Todos estos son parámetros cruciales que se deben tener en cuenta para lograr una ampliación de escala eficaz.

5. Transferencia de gas

La transferencia de gas se refiere a la velocidad a la que se suministran los gases al biorreactor según la presión y el modo de inyección. También es un parámetro importante, ya que afecta directamente la formación de espuma y la concentración celular en varias escalas de producción.

Cómo aumentar la eficiencia de su escalamiento

Los resultados de la ampliación de escala de su biorreactor afectan directamente la cantidad y la calidad de sus procesos. Por lo tanto, a continuación se presentan algunas formas de aumentar la eficiencia de la ampliación de escala para obtener los mejores resultados posibles.

1. Aprovechar los datos: los datos son cruciales para cualquier bioproceso, más aún en la fermentación. Utilice el análisis de datos para una Ampliación de la escala del biorreactor, es necesario identificar tendencias y patrones en diferentes escalas durante el proceso de ampliación para pronosticar el rendimiento. Además, el uso de una calculadora de ampliación de biorreactores le ahorrará mucho esfuerzo y dinero en comparación con hacer las cosas manualmente.
2. Mantenga un entorno constante: al aumentar gradualmente las escalas de producción, mantenga el entorno celular constante para poder comparar eficazmente la calidad del producto y los procesos metabólicos.
3. Vigile de cerca la formación de incrustaciones: para obtener los mejores resultados, controle y monitoree periódicamente las condiciones y parámetros clave, como la temperatura, el pH y los niveles de oxígeno.
4. Elija el método adecuado: los tres métodos principales para ampliar su biorreactor varían en eficiencia según el tipo de biorreactor, la escala y los resultados esperados. Elija entre ellos sabiamente.
5. Test extensively – Before moving forward on any expansion or modification, carry out real-world experiments or virtual simulations to avoid incurring costs on untested processes.

Conclusión

When undertaking such an arduous process as a bioreactor scale up, it’s crucial to perform research and plan ahead. This entails understanding bioreactors and how they work, assessing possible risks, and taking into account various factors.

También debe comprender los diferentes criterios de ampliación de escala para los biorreactores y establecer expectativas realistas y tomar todas las medidas posibles para aprovechar al máximo su ampliación.

Una de las medidas es asociarse con los mejores profesionales de la industria. En Bailun Technologies, ofrecemos las mejores soluciones para sus necesidades de bioprocesamiento.

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