¿Qué son los fermentadores y biorreactores de banco?

¿Qué son los fermentadores y biorreactores de banco?

¿Qué es un fermentador o biorreactor de banco, y para qué se utiliza?Un fermentador o biorreactor de banco es un recipiente de cultivo a escala de laboratorio con un volumen de trabajo de aproximadamente 0.5-20 L que reproduce el entorno controlado de un fermentador de producción en un banco de laboratorioRegula cuatro variables de forma continua: temperatura entre 4 y 80°C con una precisión de ±0,1°C, pH entre 2,0 y 12,0 con una precisión de ±0,01 mediante adición automática de ácidos y bases,oxígeno disuelto entre 0 y 100% de la saturación del aire con una precisión de ± 1% mediante agitación en cascadaLa agitación se extiende entre 50 y 1.200 rpm y el aire esparcido entre 0,1-2,0 vvm, dando un kLa de 20-250 h-1.

1Características de diseño que determinan la calidad de los datos

Una unidad de banco es un instrumento de medición tanto como un reactor.

• Geometría del buque y tren del impulsor:El trabajo reproducible requiere una similitud geométrica con el recipiente de producción: una relación altura/diámetro de 2:1 a 3:1, una relación de diámetro entre el impulsor y el tanque de 0,33-0.50, y cuatro deflectores en T/10. La mayoría de las unidades de banco tienen dos impulsores, una turbina radial Rushton inferior para dispersión de gas y un hidrofoil axial superior para mezcla de grano.El acoplamiento magnético del motor de transmisión al eje evita el sellado mecánico, que es la vía de fuga y contaminación más común en esta escala, y permite autoclavar todo el recipiente a 121 °C durante 20 a 30 minutos.
• Paquete de sensores y bucles de control:La instrumentación estándar incluye una sonda polarográfica u óptica DO, un electrodo de pH lleno de gel esterilizable por vapor, un termómetro de resistencia Pt100,y un analizador de gases de escape para oxígeno y dióxido de carbonoLa medición de los gases de salida convierte el recipiente en un calorímetro: el OUR y el CTR derivados del equilibrio de los gases de entrada y salida revelan cambios metabólicos horas antes de que aparezcan en el caldo.Las unidades avanzadas añaden sondas de capacidad para el volumen viable de la célula, espectroscopia de Raman o NIR para glucosa, lactato y título, y control del flujo de masa de escape para el equilibrio exacto de gases.
• Funcionamiento paralelo y automatización:Los sistemas de biorreactores paralelos integran 4, 8, 16 o 24 recipientes de 0,25-2 L bajo un solo host SCADA, con mezcla de gases individual,alimentación por buqueEsto hace práctico el diseño estadístico de los experimentos: un factorial completo sobre pH, temperatura,y la tasa de alimentación que tardaría 18 meses en un solo recipiente de 5 L se completa en tres semanasEl software debe soportar los registros electrónicos 21 CFR Parte 11, con control de acceso a nivel de usuario y una pista de auditoría inalterable.

2Desde el banco hasta la planta: las reglas de escala

El aumento de escala falla cuando el mecanismo de control cambia entre escalas. Se utilizan tres criterios para preservar el rendimiento, y el correcto depende de qué mecanismo limite el proceso:

• KLa constante o OTR constante:Para los procesos microbianos aeróbicos limitados por el suministro de oxígeno, mantener el coeficiente de transferencia de masa volumétrica constante, típicamente 50-200 h-1.5, manteniendo kLa constante mientras el volumen aumenta 1.000 veces significa que la potencia por volumen disminuye y la velocidad del gas superficial aumenta, por lo que el recipiente grande funciona a una velocidad de agitador más baja pero una aireación más alta.Confirmar mediante la medición de kLa en ambas escalas con el método dinámico de gasificación en lugar de confiar en una correlación.
• Potencia constante por volumen (P/V) o velocidad de giro:Para las células de mamíferos y plantas sensibles al corte, mantener la velocidad de punta por debajo de 1,5 m/s aproximadamente y el P/V entre 0,01 y 0,10 kW/m3,porque el daño de la célula se correlaciona con la velocidad de disipación de energía local cerca del impulsor en lugar del promedio del recipientePara los procesos en los que la micromixción controla la selectividad, como las reacciones rápidas paralelas o en serie, mantener el tiempo de mezcla o la velocidad de disipación turbulenta constante.lo que normalmente significa aceptar un P/V mucho más alto en el recipiente de la planta.
• Tiempo de mezcla constante y similitud geométrica:El tiempo de mezcla en un recipiente agitado turbulento es aproximadamente el inverso de los tiempos de velocidad de la manivela (D/T) ^ 2, por lo que un recipiente de laboratorio que se mezcla en 5 s puede necesitar 30-60 s a 20,000 L.Cuando un penacho de alimentación de lotes alimentados crea gradientes locales de pH o de sustrato, que la diferencia es importante: un pico de concentración de 100 veces en el punto de alimentación puede desencadenar el metabolismo de desbordamiento a pesar de que el promedio del recipiente parece correcto.Los modelos reducidos en escala que reproducen el gradiente del recipiente grande en un sistema de dos compartimientos de banco son la forma estándar de reducir este riesgo antes del primer lote de planta.

Matriz de comparación de las clases de fermentador y biorreactor de banco

Preguntas frecuentes (FAQ)

P: ¿Cuál es la diferencia entre un fermentador de banco y un biorreactor de banco?

R: En los catálogos de equipos de laboratorio, los dos nombres describen el mismo instrumento, y los vendedores eligen la etiqueta en función del mercado objetivo.El fermentador se utiliza cuando el organismo a tratar es microbiano y el producto es un metabolitoEl biorreactor se utiliza cuando el sistema debe soportar una mayor garantía de esterilidad, cultivo de células de mamíferos o insectos, o una gama más amplia de variables controladas como la velocidad de perfusión,Reducción de oxidaciónEn la práctica, una unidad de 5 L bien especificada con un filtro de escape de 0,2 μm, control en cascada del oxígeno disuelto,y las sondas de pH y DO esterilizables por vapor cumplen ambas funciones sin modificaciones.

P: ¿Cómo puedo elegir entre un recipiente de vidrio y un recipiente de acero inoxidable?

R: Elegir vidrio autoclavable para el trabajo de cribado donde se necesita ver el caldo, cambiar la geometría con frecuencia, y mantener el costo de capital bajo, típicamente 0,5-10 L a presiones de hasta 0,15 MPa.Elija acero inoxidable cuando necesite esterilización en el lugar, mayor presión a 0,35 MPa, integración CIP, o geometría que es dimensionalmente idéntica al recipiente de producción, lo cual es esencial si los datos impulsarán el escalado.El inoxidable también maneja disolventes agresivos, alta salinidad y limpieza cáustica repetida sin el riesgo de grabado en el vidrio que cambia lentamente la humedad y la transferencia de calor.

P: ¿Por qué mi escala-up falla incluso cuando kLa es igual?

R: Debido a que kLa es un número medio de vasos y la célula experimenta un ambiente local.por lo que las columnas de alimentación de glucosa concentrada o base crean zonas transitorias de alto pH o alta osmolalidad que desencadenan el metabolismo de desbordamientoLa presión parcial del oxígeno también aumenta con la cabeza hidrostática en el fondo de un recipiente alto, mientras que la extracción de dióxido de carbono se vuelve más difícil.Así que el CO2 disuelto puede exceder 100-150 mmHg e inhibir el crecimientoReproducir esos gradientes en un modelo reducido, y luego cambiar la ubicación del punto de alimentación, la concentración de alimentación o la configuración del impulsor, resuelve la mayoría de estos fallos.

P: ¿Qué utilidades requiere un sistema de banca?

R: Una unidad típica de vidrio o de acero inoxidable de 5 litros requiere un suministro monofásico de 220 V de 1-2 kW, aire comprimido a 0,3-0,6 MPa y 5-20 L/min,oxígeno y nitrógeno para mezclar gases si se utiliza el enriquecimiento o la cascada de DO, base y ácido libres de dióxido de carbono o amoníaco para el control del pH, agua refrigerada a 5-15 °C y 2-5 L/min para el enfriamiento del condensador y de la cubierta, y una fuente de vapor o autoclave para la esterilización.Las unidades de acero inoxidable con SIP en su lugar requieren además vapor limpio a 0.25-0.35 MPa. La capacidad de drenaje y un armario de humos o de bioseguridad generalmente se pasan por alto y deben confirmarse antes de la instalación.

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