SUB biorreactores agitados
El número de mezcla 𝛷 es un parámetro que, en general, es adecuado para la caracterización de sistemas de SUB biorreactores agitados. Se define como el tiempo en el que una sustancia trazadora se distribuye por igual en la fase líquida. Habitualmente, la consecución de un valor del 95% de distribución equitativa se considera suficiente para la determinación del tiempo de mezclado. Aunque cualquier método que siga a una coloración o decoloración puede considerarse preciso, dado que se pueden identificar espacios muertos y otras áreas de mala mezcla, la aplicación de sensores de pH u otros dispositivos de control también se consideran adecuados. El principal inconveniente de tales métodos, el grado de mezcla solo se mide en la posición del sensor, se contrarresta con la facilidad y la preparación, ya que los biorreactores suelen estar equipados con sensores adecuados de todos modos.
Dado que el tiempo de mezcla es un parámetro importante para el funcionamiento de los bioprocesos, también es un criterio de escalado importante. Es de gran importancia evitar los gradientes, por ejemplo, en la adición de ácido y base para la regulación del pH o sustrato en procesos de alimentación por lotes. Por lo general, los tiempos de mezcla comparables a los de los biorreactores de tanque de acero inoxidable agitado tradicionales se logran en SUB a pequeña escala con un volumen de trabajo de hasta unos pocos litros. Se encontró que los tiempos de mezcla más bajos, que se pueden lograr en SUB agitados, están en el rango de 20 s hasta una escala de 200 l. Se alcanzan tiempos de mezcla máximos de 200 s con la entrada de potencia más baja de 1000 l. Se han realizado intentos para derivar ecuaciones para la estimación del tiempo de mezcla en SUB biorreactores agitados, lo que da como resultado la ecuación.
Por lo general, la entrada de energía alcanzable es comparativamente alta debido a la pequeña distancia entre el agitador y la pared y el bajo volumen de fluido a escala de laboratorio. Los SUB biorreactores agitados más grandes alcanzan la escala de metros cúbicos.
Por lo tanto, surge la pregunta clave si existe escalabilidad hacia esto de manera comparable con la gran escala, pero también con la escala muy pequeña, en la que las limitaciones técnicas y geométricas pueden dificultar las condiciones adecuadas de operación.
Entre los tamaños más pequeños de SUB biorreactores agitados disponibles se encuentra un sistema de microbiorreactor hecho de un bloque a base de polímero, que se mezcla directamente con un agitador magnético. El volumen de cultivo es de 150 μl, el DO, el valor de pH y la densidad óptica se pueden medir en línea. Las microválvulas permiten la adición de solución de alimentación o la eliminación de caldo de cultivo. Las cámaras de cultivo están hechas de plástico y se consideran desechables. Se controlan las tasas de agitación y aireación. El control del valor de pH y DO es factible a través de puntos en el fondo de la cámara de cultivo. Se llevó a cabo un proceso industrial de producción de riboflavina en modo fed-batch. Los rendimientos del producto coincidieron con los resultados obtenidos en la escala de 3 l, lo que demuestra la viabilidad de la reducción de escala al rango de mililitros.
La escalabilidad de los SUB agitados de tamaño mediano debe ser comparable con los biorreactores agitados tradicionales. La relación altura-diámetro de la línea BIOSTAT CultiBag STR fue similar para varias escalas (50, 200, 500 y 1000 l, respectivamente). En este caso, la entrada de energía aumenta para volúmenes pequeños en comparación con volúmenes grandes. Se determinó una relación máxima de entrada de energía a volumen (PV-1) para BIOSTAT CultiBag STR de 240 W m–3, 133 W m–3 y 73 W m–3 para 50, 200 y 1000 l. biorreactor, respectivamente. El UniVessel SU exhibió una mayor proporción de PV-1 de 430 Wm–3 principalmente debido al menor volumen de cultivo de un máximo de 2 l. Una proporción de PV-1 de hasta 150 W m–3 se considera adecuada para aplicaciones de cultivo celular y los SUB agitados cumplen con este requisito. Sin embargo, la combinación óptima de diferentes tipos de agitadores para mezclar y transferir masa de gas sigue siendo crucial para los SUB, ya que las tasas de agitación están restringidas debido a razones mecánicas y rentabilidad a gran escala. Se demostró que la proporción de PV-1 se reduce a más de la mitad si se utilizan impulsores de álabes de dos segmentos en lugar de una combinación de un impulsor de álabes de segmento (arriba) y una turbina Rushton.