Conceptes Clau en Bioreactors: Processos, Manteniment i Escalatge

Processos Continus en Bioreactors

Els processos continus es caracteritzen perquè els reactius s’introdueixen contínuament al reactor. De la mateixa manera, el producte format surt de forma contínua.

Avantatges dels Processos Continus

• Alta velocitat de reacció.
• Menors costos per unitat produïda.
• Major homogeneïtat del producte acabat.
• Fàcilment automatitzables.

Inconvenients dels Processos Continus

• Alts costos d’inversió i instal·lació.
• Menor versatilitat.

Tipus de Bioreactors en RèGim Continu

Quimiostat

Reactor on un nutrient és deficitari (nutrient limitant) en un tanc agitat. Característiques principals:

• El nutrient limitant es manté constant.
• La taxa de dilució depèn de l’entrada de nutrients.
• Permet controlar la taxa de creixement específica (μ).
• Es fa variar l’alimentació del medi.
• Permet variar les condicions del medi.
• S’obté informació referent a la influència de factors ambientals sobre la fisiologia.

Turbidostat

Cultiu en continu sense cap limitació nutricional. Característiques:

• Opera a la màxima taxa de creixement (μ max).
• La terbolesa es manté constant ajustant l’entrada de medi fresc (taxa de dilució variable).
• Es realitza en un tanc agitat.

Flux de Pistó (Plug Flow Bioreactor)

• Requereix inoculació contínua.
• S’usa també amb llits sòlids.
• Configuració més emprada en processos de separació (downstream).

Gestió de la Qualitat i Manteniment

Punt Crític

Etapa del procés de producció que pot alterar greument el producte final, la seguretat, la seguretat dels operaris, etc., de forma significativa.

Possibles Punts Crítics en l’Ús de Bioreactors

• Addició de medi i inòcul.
• Neteja i esterilització.
• Condicions de treball.
• Manteniment del bioreactor.
• Subministrament d’aire (o absència d’oxigen en anaerobiosi).
• Agitació.

Tipus de Manteniments

• Manteniment Correctiu: Reparació després d'una fallada.
• Manteniment Preventiu: Accions planificades per evitar fallades.
• Manteniment en Ús: Manteniment realitzat mentre l'equip està operant.
• Manteniment Predictiu: Basat en la monitorització de l'estat de l'equip.
• Manteniment Overhaul: Revisió general i desmuntatge.

Tasques Típiques de Manteniment (Overhaul)

• Revisió de connexions.
• Revisió de ports i entrades.
• Revisió d’estructura i juntes.
• Revisió hidràulica i pneumàtica.
• Desconnexió de connexions, juntes, elements i instrumental de control per preparar l’equip per netejar i esterilitzar.
• Mantenir sondes en el seu electròlit adequat.

Neteja, Esterilització i Inoculació

Neteja i Esterilització

L’objectiu principal és minimitzar el risc de contaminació creuada.

Equips Específics i Automatitzats

CIP: Clean In Place

Neteja al lloc.

SIP: Sterilization In Place

Esterilització al lloc.

WIP: Washing In Place

Rentat al lloc.

COP: Cleaning Out of Place

Neteja fora del lloc.

Avantatges dels Sistemes CIP i SIP

Sistemes automatitzats que:

• Eliminen l’error humà i la contaminació.
• Redueixen el temps de neteja.
• Impliquen un menor ús de detergents i aigua.
• Augmenten la seguretat.
• Inconvenient: Requereixen temps (>2 hores).

Inoculació

• Es realitza a través d’un port d’alimentació específic.
• El volum d'inòcul sol ser entre el 5% i el 20% del volum total.
• Pot ser amb una etapa (més comú) o per inoculació periòdica.
• S’utilitzen xeringues asèptiques a través d’una membrana estèril.
• Durant aquesta etapa, el reactor ha de ser airejat per evitar contaminació.

Inducció

Consisteix a aplicar o incorporar un substrat específic que “activi” la síntesi de l’enzim corresponent per iniciar el metabolisme. La molècula inductora facilita la unió de l’ARN polimerasa a la regió promotora de l’enzim i activa la transcripció i traducció.

Processos Termodinàmics

Procés Adiabàtic

No hi ha intercanvi de calor amb l’entorn. Es requereixen materials aïllants per impedir la transferència d’energia.

Procés Isotèrmic

Procés en equilibri tèrmic amb l’entorn. És necessari retirar o afegir la calor generada o consumida en el reactor.

Escalatge (Scale-Up) en Bioprocessos

Definició d'Escalatge

Traslladar de forma òptima i exitosa a escala industrial i comercial allò aconseguit a nivell de laboratori.

Criteris d’Escalatge

• Potència per Volum (P/V): Criteri clau per mantenir la mescla i la transferència de massa.
• Velocitat d’Agitació: Proporcional al diàmetre de l’agitador elevat a la potència 2/3.
• Nombre de Reynolds (Re): S’utilitza per classificar el règim del flux. El règim ve determinat per quatre paràmetres: densitat, viscositat, velocitat i diàmetre de la canonada.
• Temps de Mesclat.
• Transferència d’Oxigen (kLa).

Etapes de l’Escalatge

1. Escala de laboratori.
2. Escala de banc (benchtop).
3. Escala pilot.
4. Escala semi-industrial.
5. Escala industrial.