Métodos de medición analítica para el monitoreo de biorreactores
El monitoreo oportuno del comportamiento del proceso no solo es requerido por las pautas de la Tecnología Analítica de Procesos (PAT, por sus siglas en inglés), sino que constituye una base crítica para un control de proceso efectivo. Una revisión detallada de la instrumentación específica del proceso para la medición de parámetros críticos está más allá del alcance de este capítulo, y varios autores ofrecen una revisión útil de técnicas de medición útiles para los bioprocesos en general, ya sea enfocándose en tipos específicos de bioprocesos o tipos de sensores. Independientemente del bioproceso considerado, es importante considerar cuidadosamente las características de los sensores antes de su aplicación en un esquema de monitoreo y control. Estas consideraciones incluyen precisión y resolución, precisión, sensibilidad, confiabilidad, tiempo de respuesta, practicidad, así como el costo. Vojinovic et al. incluyen requisitos adicionales sobre los sensores de bioprocesos in situ, como la capacidad de funcionar sin ensuciamiento durante períodos prolongados de tiempo, soportar condiciones extremas durante la esterilización y tener un rango dinámico que cubra la variación esperada en la variable de proceso medida.
Otras consideraciones para la medición analítica para el monitoreo de biorreactores incluyen la capacidad de generar datos de múltiples analitos sin consumo de analitos y sin interferencia con el metabolismo del cultivo. Dada la amplia bibliografía relacionada con los sensores, la frecuencia de la medición y la disponibilidad de sensores ya existentes, solo se presenta un breve resumen de los sensores más relevantes para los bioprocesos considerados en este libro en las siguientes secciones.
Métodos de medición tradicionales
Sonnleitner ofrece una descripción detallada de varios métodos para monitorear variables físicas y químicas en la medición analítica para el monitoreo de biorreactores, incluyendo mediciones de temperatura, tasas de flujo, pH, pO2, pCO2 y composición de gases. También se incluye una revisión exhaustiva y actualizada de los métodos de biomasa y bioactividad, resaltando los beneficios y los desafíos asociados con los diversos métodos detallados en la revisión.
Una revisión adicional del progreso histórico del monitoreo y control por computadora, con un énfasis particular en el monitoreo y control de procesos de fermentación en las últimas cuatro décadas, es proporcionada por la revisión de Junker y Wang en conmemoración del septuagésimo cumpleaños de Daniel I.C. Wang, cuya investigación ha dado forma significativa a las direcciones del control y monitoreo de bioprocesos por computadora.
El desarrollo temprano de medición analítica para el monitoreo de biorreactores se centró en la aplicación de principios de ingeniería, como el balance de masa y energía, junto con métodos de medición tradicionales existentes. Tales enfoques todavía se utilizan ampliamente en el monitoreo de bioprocesos y forman una parte sustancial de los sistemas de monitoreo avanzados que utilizan conceptos más avanzados de sensores virtuales.
En el contexto del modelado multivariante para el monitoreo de bioprocesos, es importante tener en cuenta que los métodos de medición tradicionales suelen proporcionar conjuntos de datos extensos con una frecuencia de muestreo relativamente alta, lo que a menudo requiere un preprocesamiento y reducción de datos. En aplicaciones industriales, las frecuencias de muestreo se establecen a menudo en registros de excepción, con valores de sensores registrados solo cuando se satisfacen criterios específicos para un cambio respecto a los valores del punto de ajuste.
A pesar de la naturaleza establecida de los métodos de medición tradicionales en el bioprocesamiento, los enfoques de reducción de escala y alta capacidad cada vez más utilizados en el desarrollo de bioprocesos presentan desafíos adicionales incluso en esta área. La medición analítica para el monitoreo de biorreactores en tiempo real de variables de proceso físicas y químicas relativamente sencillas en microbioreactores puede aumentar considerablemente los desafíos de monitoreo.
La mayoría de las plataformas disponibles comercialmente para el microprocesamiento y el procesamiento de alto rendimiento en bioprocesos proporcionan capacidades de monitoreo fundamentales (para una revisión útil de dicho procesamiento para procesos de cultivo de células animales, ver, por ejemplo, Kim et al.). Estas capacidades generalmente cubren la temperatura, el pH y, en algunos casos, los niveles de oxígeno disuelto, mientras que las variables biológicamente relevantes, como el número de células o actividades, se miden fuera de línea.
A escalas más pequeñas, las mediciones y el control del pH y el oxígeno disuelto (y/o el dióxido de carbono disuelto en el caso de cultivos celulares) a menudo se basan en las propiedades de extinción de colorantes fluorescentes. Esto introduce desafíos adicionales al monitoreo en términos de rango y sensibilidad.