Escalado de biorreactores
El escalado de biorreactores a menudo enfrenta problemas debido a las restricciones en el mantenimiento de los parámetros clave del proceso, que no pueden mantenerse constantes por razones mecánicas y económicas.
Sin embargo, una consideración de la tasa de cambio de estos parámetros desde el laboratorio hasta la escala industrial permite una estimación del cambio del grado de homogeneidad al que están expuestas las células.
Como regla general, la relación potencia-volumen P/V y el coeficiente de transferencia de masa de oxígeno kLa se aplican al 30 % como el criterio de aumento de escala dominante en la industria.
Por lo tanto, el objetivo es mantener estos parámetros lo más constantes posible entre las diferentes escalas. Sin embargo, la igualdad de la velocidad del flujo del fluido descrita por el número de Reynolds explicaría un aumento de la relación de entrada de energía volumétrica (P/V) de 105 de 10 l a 10 m3, que está muy por encima de lo que generalmente se alcanza en Gran escala.
El reactor de tanque agitado convencional es el sistema para el que se han establecido la mayoría de las correlaciones y se ha llevado a cabo una intensa investigación sobre los fenómenos de aumento de escala.
Por lo tanto, este diseño de reactor es comparablemente fácil de describir con los enfoques de ingeniería clásica en cualquier escala, lo cual es una ventaja para las versiones de un solo uso desarrolladas recientemente de estos tipos de biorreactores.
Sin embargo, el aumento de escala también se describe en el mismo conjunto de parámetros de proceso para biorreactores agitados, por ejemplo, agitadores orbitales de un solo uso.
Se han realizado estudios de ampliación para varios otros diseños de biorreactores, pero generalmente están restringidos a ciertas restricciones mecánicas o limitaciones técnicas.
Estos parámetros se utilizan para estimar las diferencias de las condiciones del proceso en las diferentes escalas.
Dependiendo de la escala, en el escalado de biorreactores, el tipo de microorganismo, el modo de proceso y las características del sustrato y el producto, se consideran otros parámetros adicionales, por ejemplo, la viscosidad si se produjeran sustancias poliméricas.
La transferencia de oxígeno en el escalado de biorreactores es el parámetro más importante que debe mantenerse en un rango suficiente durante el escalado.
La concentración de oxígeno disuelto en una suspensión de microorganismos aerobios depende de la tasa de transferencia de oxígeno de la fase gaseosa a la líquida, de la tasa a la que se transporta el oxígeno al medio y de la OUR del microorganismo para su crecimiento, mantenimiento y producción.
El transporte del gas a la fase líquida depende en gran medida del área de superficie gas-líquido, que aumenta debido a la dispersión por los agitadores.
Se han realizado muchos intentos para estimar el valor de kLa mediante ecuaciones empíricas para cualquier propósito y diseño de reactor, independientemente de la escala.
Se han realizado varias revisiones exhaustivas que resumen las estimaciones del valor kLa para diferentes tasas de gasificación, geometrías de biorreactores y viscosidades de líquidos en función de la potencia de entrada y la velocidad del agitador, por ejemplo.
Relevante para el logro de una concentración suficiente de oxígeno disuelto a gran escala es la relación entre la potencia de entrada volumétrica P/V y el valor de kLa.
De hecho, durante los procesos de escalado desde la escala del multibiorreactor (típicamente entre el rango de microlitros y mililitros) hasta los procesos a escala de laboratorio, el mantenimiento del valor kLa se identificó como lo más importante para lograr el mayor grado de similitud.
Estos resultados se obtuvieron cuando el valor kLa se consideró como factor de aumento de escala en comparación con la potencia de gasificación a volumen (Q/V) y la relación potencia a volumen (P/V) en un estudio de aumento de escala de 100 ml a 2 l de volumen de trabajo.
Mientras mantienen un valor de kLa constante, Alam et al. descubrió un factor de escala para la velocidad de agitación y el caudal de aire de 0,28 y 3,1, cuando se compararon las dos escalas de 16 y 150 l de volumen de trabajo.
La reducción en la velocidad del agitador podría contrarrestarse con un mayor apoyo de energía debido a la mayor tasa de gasificación.
Ju et al. propuso reemplazar el criterio de aumento de escala de un valor kLa constante por la tasa de transferencia de oxígeno a un valor predeterminado de oxígeno disuelto.
Puede mantenerse aplicando diferentes presiones parciales de oxígeno en las corrientes de gas entrantes para diferentes escalas. Sin embargo, el logro de varias presiones parciales de oxígeno en fase gaseosa puede ser difícil en procesos a gran escala.
Otro parámetro importante que afecta el valor de kLa es la tasa de disipación de energía local cerca del agitador.
El gradiente entre las zonas cerca de la punta de una turbina Rushton y en las zonas entre los agitadores aumenta en un volumen de trabajo mayor.
Un buen indicador es la relación entre la disipación de energía específica local y la media.
La reducción de esta relación conduce seguramente a una menor falta de homogeneidad en la fase líquida.