Métodos de medición avanzados en biorreactores
Con el rápido desarrollo de las técnicas analíticas, la categorización de los métodos en tradicionales y avanzados se está volviendo cada vez más arbitraria. Una amplia gama de técnicas consideradas avanzadas en la medición avanzada en biorreactores (al menos desde el punto de vista de la aplicación industrial) ahora se utilizan rutinariamente en el procesamiento de biomoléculas. Muchas de estas técnicas todavía se utilizan predominantemente fuera de línea, es decir, requieren muestreo manual o automático con transferencia de muestras a laboratorios especializados para su análisis. Sin embargo, ya se están aplicando técnicas en línea, frecuentemente in situ, con una sonda colocada dentro de un biorreactor o una operación unitaria desde donde se realiza la medición. El progreso más notable en el monitoreo de los bioprocesos se registró, como era de esperar, en la etapa de la parte aguas arriba (biorreactor). Se puede argumentar que esta etapa es la parte más desafiante del bioproceso desde el punto de vista del monitoreo y control, dada la complejidad del proceso y su impacto potencial en la calidad y cantidad del producto.
Los avances recientes en medición avanzada en biorreactores, particularmente en la tecnología de fibra óptica y el desarrollo de espectrómetros y sondas in situ robustas, hacen que los métodos espectrales de monitoreo de bioprocesos sean especialmente atractivos. En el sector de las bioindustrias, la espectroscopía, en particular la espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR), se utilizaba tradicionalmente en la industria alimentaria. En el caso de la espectroscopía NIR, se destacaron características como alta capacidad de procesamiento, tiempo de respuesta corto, base rápida y no destructiva, capacidad de muestreo remoto, poca o ninguna preparación de muestras y la capacidad de proporcionar determinación simultánea de múltiples componentes por medición en tiempo real, especialmente beneficiosas para la industria alimentaria. Estas características son igualmente beneficiosas en otras áreas del procesamiento de biomoléculas.
Existen varios métodos de medición avanzada en biorreactores que se basan en la absorción de radiación en regiones específicas del espectro electromagnético, desde ultravioleta (UV) hasta ondas de radio, y se utilizan en diferentes grados en las bioindustrias. Tamburini y colaboradores describen varias técnicas y analitos medidos por estos métodos en función de la longitud de onda en la que operan. Lourenco y colaboradores ofrecen una visión general exhaustiva del análisis espectroscópico (UV/vis, NIR, infrarrojo medio (MIR), Raman y fluorescencia) en la amplia industria de los bioprocesos, incluyendo el ámbito medioambiental, agroalimentario, de biocombustibles y farmacéutico. Para cada aplicación, se muestran la escala de producción, los detalles del sistema espectroscópico utilizado, así como el método de análisis de datos quimiométricos y el modo de aplicación (monitoreo y control cualitativo/cuantitativo). Aunque la espectroscopía UV/vis, la fluorometría, la espectroscopía Raman y la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (NMR) han demostrado ser útiles para el monitoreo de la biomasa, NADH, ATP, glucosa y otros metabolitos, la espectroscopía infrarroja, en particular la NIR, ha encontrado la aplicación más diversa tanto en la investigación como en la industria en las últimas décadas.
a capacidad de detectar grupos que contienen enlaces –CH (ya sean alifáticos, aromáticos o alquenos), –NH y –OH permite la identificación rápida de muestras de bioprocesos en la región del espectro NIR (700-2500 nm) o MIR (2500-40000 nm).
Se informó que la espectroscopía NIR se aplica con éxito de manera rutinaria en la biomanufactura, especialmente en pruebas de calidad de materias primas y productos finales, y de manera más amplia en el monitoreo de bioprocesos para una variedad de analitos en el procesamiento aguas arriba (por ejemplo, para una visión general) o la calidad del producto aguas abajo. La última publicación de medición avanzada en biorreactores fue especialmente útil desde el punto de vista del monitoreo de bioprocesos, ya que demostró la capacidad de la espectroscopía MIR para cuantificar agregados solubles de anticuerpos (se probaron dos anticuerpos diferentes) después de la elución de la proteína A, así como en dos diferentes sobrenadantes de cultivo de células CHO clarificados. Los autores pudieron demostrar una capacidad de predicción satisfactoria hasta el 1% de agregados en comparación con la cantidad total de anticuerpos, con coeficientes de variación inferiores al 20% para la mayoría de las muestras.
Sin embargo, el éxito de la aplicación a menudo se ve influenciado por una serie de factores interferentes, como la agitación, las burbujas de gas, los cambios de temperatura, la alimentación y los cambios en la composición del medio. Por lo tanto, el preprocesamiento adecuado de los datos y los métodos de análisis de datos multivariados son especialmente importantes en estos casos, y se discuten en las secciones siguientes.