Alternativas de sensores de hardware en biorreactores.

Obviamente, los dispositivos detectores de sensores (en un sensor virtual a menudo referido como el «sensor de hardware») que entregan las señales a los algoritmos son los componentes decisivos del sensor virtual; si no cumplen con los criterios necesarios, especialmente en sensibilidad y robustez, el sensor virtual no logrará cumplir su propósito. Los sensores de hardware deben ser capaces de cumplir con los objetivos de la Tecnología de Análisis en Proceso (PAT) de hardware en biorreactores y, cuando se combinan con un algoritmo de sensor virtual, proporcionar datos analíticos de calidad suficientemente buena. Lograr las necesidades de fabricación depende en gran medida de la capacidad y rendimiento del hardware.

Los sensores virtuales también presuponen la detección en tiempo real, normalmente realizada por dispositivos en línea o en línea, ya sea de manera invasiva o no invasiva. Si esto no es posible, y esto ocurre a menudo en el caso de parámetros biológicos críticos, deben considerarse otras soluciones y estrategias.

Los criterios y objetivos analíticosde hardware en biorreactores como la facilidad de uso, desechable, tiempo de respuesta (justo a tiempo), precisión y precio, deben compararse, evaluarse y clasificarse. Si esto resulta imposible, por ejemplo, debido al tipo de datos biológicos que deben estar disponibles para inferir información útil para las decisiones del proceso (control de retroalimentación, acciones secuenciales, etc.), se requiere una estrategia de monitoreo más refinada.

Varias alternativas de sensores cumplen con los criterios de bajo costo, así como con la robustez y confiabilidad. Desafortunadamente, estos sensores no proporcionan los parámetros más críticos del proceso biológico. Sin embargo, son muy esenciales para mantener condiciones físicas y químicas del hardware en biorreactores en el bioproceso, como temperatura, presión, electrodos de pH y pO2. Además, pueden proporcionar señales que son valiosas para integrar en algoritmos de sensores virtuales.

Varios de los sensores son estándar en equipos de procesos existentes. En parte, esto se puede atribuir a la confiabilidad, durabilidad, estabilidad y bajo precio de estos sensores. Otras alternativas comunes de bajo costo son los analizadores de gases  y métodos de varilla de inmersión para metabolitos y componentes nutritivos. Estos últimos aún no están disponibles comercialmente para uso en línea, pero podrían realizarse técnicamente.
Algunos de los sensores de bajo costo son ideales para los sensores virtuales. Varios sensores de hardware en biorreactores también presentan un rendimiento analítico bueno a muy bueno en cuanto a sensibilidad y estabilidad, mientras que otros, como los electrodos, pueden requerir recalibración debido a la obstrucción y otros efectos de deriva.

La cromatografía líquida de alto rendimiento en línea y la espectrometría de masas en línea son ejemplos de instrumentos independientes más caros con la capacidad de proporcionar datos en línea para proteínas, metabolitos u otros compuestos de bajo peso molecular. Estos métodos son más costosos de configurar en combinación con sensores virtuales, requieren un soporte significativo y vigilancia por parte del operador, pero podrían, en muchos casos, suministrar datos de proceso confiables y valiosos en un corto período. En esta categoría, también encontramos otras alternativas en línea, como sondas capacitivas, sensores calorimétricos, narices electrónicas y lenguas electrónicas. Estos instrumentos son opciones exigentes para los sensores virtuales, a veces lo suficientemente precisos pero menos robustos de usar.

Los métodos espectrométricos en línea, como el NIR, MIR, Raman y la espectrometría de fluorescencia multionda, requieren extensas calibraciones y validaciones de las configuraciones de sensores virtuales para la predicción precisa de los componentes en los medios de proceso. Sin embargo, estos métodos tienen la ventaja de una respuesta rápida. Si los medios de proceso no son demasiado complejos, se pueden esperar señales puras y buenas predicciones, especialmente para moléculas pequeñas. Esto puede ser difícil en medios de biorreactores, pero en el procesamiento aguas abajo, por ejemplo, el NIR y la fluorescencia pueden mostrar una alta reproducibilidad y, por lo tanto, son alternativas viables incluso a gran escala.

Los sensores específicos de células pueden abordar parámetros importantes del proceso, como la morfología, el tipo de célula y los biomarcadores en la superficie celular, pero suelen ser difíciles de implementar de manera online. Esto incluye la microscopía, que normalmente requiere técnicos capacitados en microscopios, pero donde se están desarrollando microscopios automatizados para uso in situ en biorreactores. Además, los citómetros de flujo han mostrado interesantes posibilidades de aplicación en línea con modelos de sensores virtuales PLS. Es importante destacar que estas alternativas de hardware son particularmente importantes para considerar en el monitoreo de la fabricación de células madre o productos de terapia celular.

Métodos más exclusivos para biorreactores, como la resonancia magnética nuclear (NMR) en línea y la resonancia de plasmones superficiales mediante imágenes (imaging SPR), se consideran aquí como demasiado caros e irrealistas para justificar su aplicación en la etapa actual para soft sensors.

La aplicabilidad de la Tecnología de Análisis en Proceso (PAT) de las alternativas de hardware disminuye en las categorías de alto costo, aunque la relevancia biológica de los datos analíticos puede ser buena. El desarrollo adicional de sensores contribuiría a expandir la zona aplicable de PAT en la tabla. Es especialmente deseable calificar aquellos sensores de hardware con una alta relevancia biológica para un posible uso en PAT.