Consideración de similitudes y números adimensionales en biorreactores
Para determinar los parámetros cruciales del proceso, los números adimensionales en biorreatores proporcionan una estimación útil de la similitud entre diferentes escalas.
Básicamente, las proporciones volumétricas de los parámetros clave se mantienen bastante constantes, si los números adimensionales en biorreactores se mantienen durante el aumento de escala.
Oosterhuis describió la disponibilidad de oxígeno disuelto como un componente limitante en la producción de ácido glucónico en una escala de 25m3, ya que se supuso que los tiempos de circulación y transferencia de masa de oxígeno eran críticos, siendo el primero inferior a la OUR del cultivo.
Dado que el tiempo de mezcla es el parámetro más crucial durante el aumento de escala de los procesos aeróbicos por lotes alimentados, se realizaron numerosos experimentos a gran escala para confirmar el aumento estimado en el tiempo de mezcla a escala de laboratorio.
Una de las razones del aumento típico en el tiempo de mezclado a gran escala de los números adimensionales en biorreactores es el requisito de entrada de energía adicional. Aumenta en 2/3 la potencia de aumento del volumen del líquido.
Por lo general, la entrada de energía se reduce durante la ampliación a escala de producción industrial.
Los factores químicos también afectan el aumento de escala, ya que es la presión parcial de los gases en la parte inferior (p. ej., dióxido de carbono disuelto) y la formación de espuma en la parte superior.
Aunque ambos casos no se pueden eludir a gran escala, ya que resultan del aumento del volumen de líquido, el diseño del proceso y la ingeniería de deformaciones se pueden enfocar para abordar estos problemas típicos de la escala industrial.
Tasa de corte
Dado que la velocidad de la punta del agitador en un tanque de acero inoxidable aumenta a gran escala para limitar la reducción de la entrada de energía volumétrica durante el aumento de escala, las tasas de cizallamiento también aumentan cerca de los agitadores.
Como consecuencia, el gradiente entre las fuerzas de cizallamiento lejos de los agitadores y las que están en la punta de los agitadores es comparativamente grande a escala industrial.
Sin embargo, el mantenimiento de la velocidad de cizallamiento es especialmente importante para las células sensibles al cizallamiento, como las líneas celulares.
Por lo tanto, representa un criterio de escalado adecuado para este tipo de cultivos.
Fisiología celular
Dado que el enfoque de la ingeniería clásica para la ampliación no siempre es factible, varios estudios propusieron que un análisis adimensional clásico podría no ser suficiente para la descripción de la ampliación y, en consecuencia, la reducción de los procesos biotecnológicos, ya que – a diferencia de los procesos químicos – el comportamiento celular juega un papel importante en el éxito de la producción industrial.
Por lo tanto, los autores proponen que se agregue un análisis mecanicista al análisis adimensional, que considere parámetros del metabolismo celular y el estado fisiológico.
En conjunto, un análisis de régimen de ambos conjuntos de parámetros se considera un enfoque adecuado para un análisis de proceso general. Votruba y Sobotka afirman que la transferencia de tecnología microbiana del laboratorio al nivel de producción industrial se ve críticamente afectada, a diferencia de los reactores químicos, por la fisiología del crecimiento y la producción, es decir, por la relación entre la capacidad de producción potencial de los microorganismos seleccionados y las condiciones externas en el biorreactor.
Dado que las restricciones de la transferencia de masa de gas, los gradientes de suministro de nutrientes, el valor de pH y otros parámetros del proceso pueden afectar directamente el estado fisiológico de la célula, lo más probable es que un estado similar esté relacionado con condiciones de cultivo muy similares.
Como consecuencia, el escalado de un bioproceso debe incluir un análisis adecuado del estado fisiológico, eventualmente por medio de las posibilidades actualmente en aumento para aplicar sensores en línea.
Permiten lograr una alta resolución de imágenes fisiológicas y morfológicas de un cultivo o incluso de células individuales en una alta resolución de tiempo.
Se puede lograr una cantidad y calidad de datos similar a la de los parámetros de ingeniería tradicionales.