Transferencia de Masa en Biorreactores
Para evaluar la transferencia de masa en biorreactores de un solo uso y las estrategias de ampliación/reducción de escala, es necesario considerar otros parámetros de ingeniería.
La dinámica de fluidos computacional (CFD) puede contribuir a ampliar el conocimiento sobre la dinámica de fluidos provocada por las diferentes tecnologías de agitación y agitación aplicadas y biorreactores de un solo uso.
Las características del flujo de fluidos en los SUB se investigaron por medio de imágenes de partículas y velocimetría de seguimiento, anemometría láser-Doppler y anemometría de película caliente.
CFD, incluida la información de la determinación experimental del flujo de fluido, se aplicó en diferentes biorreactores agitados y de mezcla de ondas.
El resultado valioso de las aplicaciones de CFD es la estimación de las velocidades de flujo de fluidos locales, la distribución de burbujas de gas y, por lo tanto, la disipación de energía local y el esfuerzo cortante.
El estrés de cizallamiento es crucial, ya que muchos SUB se emplean para líneas celulares sensibles al cizallamiento.
Las velocidades máximas de cizallamiento pueden ocurrir cuando las burbujas colapsan en la superficie.
Sin embargo, las velocidades de cizallamiento a la velocidad de la punta del agitador también pueden dañar las células debido a la fricción que se produce cuando una pala del agitador golpea la célula.
La inclusión de CFD en los estudios de escalado permite considerar el desarrollo del esfuerzo cortante a mayor escala desde una etapa muy temprana del diseño del reactor.
El impacto de las diferentes geometrías del borde inferior debido a las limitaciones de producción se investigó en una versión convencional y de un solo uso por medio de CFD.
Se encontró que los cambios en el campo de flujo secundario fueron de menor importancia en este caso para los parámetros de ingeniería relevantes, cuando se utilizó una turbina y un impulsor de paletas segmentadas.
El mismo enfoque es adecuado para estimar la entrada de energía más adecuada para aplicaciones de cultivo celular en las que debería haber un compromiso entre el logro de una transferencia de masa de gas suficiente y fuerzas de corte no muy altas.
En un estudio CFD, que consta de un impulsor de alcance marino de bombeo ascendente, se investigó con velocimetría de imagen de partículas, combinado con un estudio del impacto de las características del flujo de fluido en el rendimiento de un cultivo celular. Se observaron compartimentaciones y turbulencias de fluidos a varias velocidades de punta y volúmenes de trabajo.
Se utilizó para el cultivo una línea celular GS-CHO que producía un anticuerpo IgG.
Los impactos sobre el crecimiento celular y la viabilidad en las condiciones aplicadas (80–350 rpm y 1–2,4 l de volumen de trabajo) apenas se observaron, aunque se detectó una reducción significativa en la productividad de la proteína recombinante a 350 rpm y 1 l de volumen de trabajo.
Bajo estas condiciones, se lograron los números de Reynolds más altos, lo que probablemente provocó fuerzas de corte localmente muy altas en este caso.
Los desafíos en la ampliación de bioprocesos en SUB en tanques de acero inoxidable son similares a los que se encuentran en los reactores convencionales. Sin embargo, los diversos diseños, que están en el mercado, requieren varios enfoques individuales.
Dado que las geometrías de los SUB agitados son similares a las de los reactores de tanque agitado convencionales, se pueden adoptar metodologías de aumento de escala, lo que hace factibles las consideraciones de aumento de escala.
Sin embargo, la limitación de la estabilidad mecánica, el mayor esfuerzo para la producción de bolsas para sistemas de agitación directa, el mayor consumo de energía y las fuerzas de cizallamiento comparativamente más altas (especialmente debido al rociado directo) no permiten señalar tales SUB agitados como un método de elección. en cada caso.
Los sistemas de agitación orbital tienen un tamaño similar, pero características de transferencia de masa de gas totalmente diferentes sin necesidad de rociado.
Los sistemas de mezcla por ola, aunque se caracterizan por una mayor huella, exhiben fuerzas de cizallamiento bajas y, en algunos casos, excelentes coeficientes de transferencia de masa de gas, lo que los hace adecuados para cultivos microbianos.
Se debe lograr una utilización más eficiente del espacio que necesitan.