Desarrollar un bioproceso en el laboratorio es solo un paso hacia su aplicación a mayor escala. A medida que aumenta el volumen de cultivo, también aumentan los desafíos relacionados con el control de las condiciones del proceso. 

Un medio que funciona bien en un biorreactor de laboratorio, por ejemplo, puede comportarse de manera diferente al transferirlo a un dispositivo de mayor capacidad. Parámetros como la agitación, la aireación, la transferencia de oxígeno, la temperatura, el pH y la formación de espuma son algunos de los aspectos que deben evaluarse y controlarse para que el proceso mantenga su rendimiento y reproducibilidad. 

Los biorreactores piloto tienen la función específica de llenar este vacío entre el desarrollo en laboratorio y la producción a gran escala.

La escala piloto funciona como un paso intermedio que permite estudiar el comportamiento del bioproceso en volúmenes mayores, ajustar los parámetros operativos y generar datos que contribuyen a una ampliación de escala más segura y predecible. 

Más que aumentar el volumen de un cultivo, el objetivo de la ampliación de la escala es reproducir, a una nueva escala, las condiciones necesarias para que el proceso siga ofreciendo resultados consistentes. 

Por lo tanto, elegir un biorreactor piloto implica mucho más que definir una carga de trabajo.

¿Qué es un biorreactor piloto y para qué se utiliza? 

Un biorreactor piloto es un equipo diseñado para llevar a cabo y controlar bioprocesos a una escala intermedia entre el laboratorio y la producción industrial. Permite trabajar con mayores volúmenes de cultivo sin sacrificar el control sobre las principales variables que influyen en el proceso. 

En la práctica, el biorreactor piloto se utiliza para desarrollar, optimizar y evaluar procesos antes de su ampliación a escala industrial. Durante esta etapa, es posible investigar cómo las diferentes condiciones de operación afectan al cultivo e identificar los parámetros más adecuados para obtener resultados consistentes.

Entre las variables que se pueden monitorear y controlar se encuentran la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto, la presión, la agitación, la aireación, la formación de espuma y otras. Según la aplicación, también se pueden incorporar otras variables al sistema.

Este paso es especialmente importante porque el comportamiento del cultivo puede cambiar a medida que aumenta el volumen del proceso. La transferencia de oxígeno, la eficiencia de la mezcla y la eliminación o transferencia de calor, por ejemplo, pueden presentar diferentes desafíos a escala piloto.

Por lo tanto, el biorreactor piloto no debe considerarse simplemente como un equipo con mayor capacidad. Es una herramienta para generar datos, probar condiciones y aumentar la previsibilidad de lo que va a ser escalado .

De este modo, la escala piloto contribuye a reducir las incertidumbres en el desarrollo del bioproceso y a una transición más coherente entre las diferentes etapas de escalado.

Volumen y construcción del recipiente 

Además de evaluar los sensores, la automatización o las estrategias de control, también es importante definir algunas características estructurales del equipo. Entre ellas, se destacan el volumen de trabajo y el material de construcción del recipiente, factores que influyen directamente en el funcionamiento y la idoneidad del sistema para la aplicación prevista.

55 L o 170 L: ¿Qué volumen elegir? 

La escala del biorreactor debe estar relacionada con los objetivos del proceso y la cantidad de material necesario para las pruebas. Los biorreactores piloto Tecnal se puede configurar con una capacidad total de 55 L o 170 L, lo que le permite seleccionar la capacidad que mejor se adapte a las necesidades de su proceso. 

Sin embargo, la elección del volumen no debe hacerse de forma aislada. También es importante considerar factores como el tipo de cultivo, la estrategia operativa, la cantidad de inóculo, la necesidad de muestreo y las variables que se controlarán y supervisarán durante todo el proceso.

¿Por qué se utiliza el acero inoxidable 316L? 

Otro aspecto clave es el material utilizado para construir el recipiente. En aplicaciones de bioprocesos, el material debe ser resistente, compatible con el medio de cultivo y poseer características que faciliten la limpieza y los procedimientos asépticos. 

El acero inoxidable 316L se utiliza ampliamente en este tipo de aplicaciones debido a su resistencia a la corrosión. Su composición ofrece una buena resistencia al ataque de diversos agentes químicos, incluidos los iones cloruro, que pueden estar presentes en los medios utilizados en los procesos de fermentación y cultivo. 

En los biorreactores piloto, el acero inoxidable 316L también puede recibir un acabado interno pulido de baja rugosidad. Una superficie con un acabado adecuado reduce la posibilidad de retención de residuos y facilita las tareas de limpieza y desinfección entre procesos. 

Además, el material posee características idóneas para la construcción de equipos destinados a procesos que requieren control de las condiciones de cultivo y un mayor rigor sanitario.

Sensores y monitoración de procesos 

Un bioproceso depende del control de diversas condiciones para que el cultivo se desarrolle de forma estable y reproducible. Por lo tanto, al elegir un biorreactor piloto, no basta con evaluar únicamente el volumen del recipiente. También es necesario definir qué variables deben ser monitoreadas y controladas durante toda la operación. 

La instrumentación del equipo debe especificarse según las características del cultivo y los objetivos del proceso. Esta definición también influye en la cantidad y la ubicación de las conexiones disponibles en el recipiente.

¿Qué parámetros se pueden monitorizar?

Entre las principales variables se encuentran:

• Temperatura: permite controlar y monitorizar las condiciones térmicas del cultivo;
• pH: importante para mantener el medio dentro del rango apropiado para el procesoo;
• Oxígeno disuelto: permite controlar la disponibilidad de oxígeno en el ambiente y ajustar las condiciones de aireación y agitación;
• Presión: permite controlar la presión interna del recipiente durante el proceso de esterilización.
• Espuma: permite identificar la formación excesiva de espuma y activa estrategias de control;
• Gases: el monitoreo de O₂ y CO₂ puede proporcionar información importante sobre el comportamiento de los cultivos. 

Además de estas variables, el sistema puede prepararse para recibir otros instrumentos, como sensores de ORP, conductividad, células viables, turbidez, entre otros, según las necesidades de la aplicación.

La importancia de las conexiones de los buques 

La instrumentación comienza a definirse durante la fase de diseño del equipo. Los puertos de entrada y las conexiones se pueden ubicar según los sensores y accesorios que se utilizarán en el proceso. 

En el lateral del biorreactor, por ejemplo, se pueden instalar conexiones para sensores de pH, oxígeno disuelto y temperatura, así como para sistemas de muestreo y otras entradas necesarias para su funcionamiento. 

La tapa también puede equiparse con puertos para añadir soluciones y reactivos, entrada de inóculo, sensor de espuma, manómetro, disco de ruptura, lámpara, condensador y conexiones adicionales. 

Esta capacidad de configuración es especialmente importante en aplicaciones piloto, donde el equipo puede utilizarse en diferentes etapas de desarrollo o recibir nueva instrumentación a medida que evoluciona el proceso. 

Instrumentación para controlar, no solo para medir 

En un biorreactor piloto automatizado, los sensores no funcionan de forma aislada. La información recopilada puede ser utilizada por el sistema de control para ajustar automáticamente diferentes actores. 

Un sensor de pH, por ejemplo, puede enviar información al controlador para que las bombas peristálticas añadan ácido o base. Del mismo modo, la medición del oxígeno disuelto puede utilizarse en una estrategia de control en cascada que incluya agitación, aireación o mezcla de gases. 

Por lo tanto, la instrumentación transforma el biorreactor en un sistema capaz no solo de monitorizar el proceso, sino también de responder a los cambios que se producen durante el cultivo. 

Por lo tanto, definir de antemano qué variables se monitorizarán es uno de los pasos más importantes para la puesta en marcha de un biorreactor piloto. Cuanto mejor se ajuste la instrumentación a las necesidades del proceso, mayor será la capacidad de controlar, comparar y reproducir las condiciones de cultivo.

Agitación y aireación: ¿cómo garantizar un cultivo homogéneo? 

Mantener un cultivo homogéneo es fundamental para asegurar que las células o microorganismos estén expuestos a condiciones similares en todo el volumen del recipiente. Dos sistemas desempeñan un papel crucial para lograrlo: la agitación y la aireación. 

La combinación de estos sistemas influye directamente en la mezcla del medio, la dispersión de los gases y la transferencia de oxígeno.

El papel de la agitación

El sistema de agitación se encarga de promover la circulación del sustrato dentro del contenedor. Su función va mucho más allá de simplemente mezclar las plantas. 

Una agitación adecuada ayuda a homogeneizar la temperatura, el pH y la concentración de nutrientes, promueve la dispersión de gases, mantiene las partículas en suspensión y contribuye a la transferencia de masa y calor dentro del recipiente. 

En los biorreactores piloto, el sistema puede configurarse con un agitador superior o inferior, dependiendo de las características del proceso y del diseño del equipo. 

También es posible seleccionar el tipo, la cantidad y la altura de los impulsores (también conocidos como empujadores). Esta configuración debe tener en cuenta factores como el volumen, la viscosidad del medio y las características del cultivo.

¿Y cuál es la función de los deflectores? 

Durante la agitación, el líquido puede desarrollar un intenso movimiento circular, formando un vórtice. Los deflectores, también llamados separadores o rompevórtices, ayudan a reducir este efecto. 

Generalmente ubicados a igual distancia en la pared interior del recipiente, aumentan la turbulencia y favorecen la mezcla del medio. Como resultado, pueden contribuir a una distribución más uniforme de las condiciones de crecimiento y a una mejor dispersión de los gases.

Aeración y transferencia de oxígeno 

La aireación proporciona el oxígeno necesario para ciertos procesos biológicos y, cuando se combina con la agitación, favorece su transferencia al medio ambiente. 

En los biorreactores piloto, el aire se puede introducir mediante un difusor instalado en la parte inferior del recipiente. La posición del difusor es importante para que el gas entre en contacto eficazmente con el medio y se disperse por la acción de los impulsores. 

El uso de un difusor fabricado con acero inoxidable microporoso sinterizado 316L, por ejemplo, es capaz de favorecer la formación y distribución de pequeñas burbujas en el medio. 

Cuanto más pequeñas y uniformemente distribuidas estén las burbujas, mayor tenderá a ser la superficie de contacto entre el gas y el líquido, lo que favorecerá la transferencia de oxígeno al medio de cultivo.

Esterilización: uno de los puntos críticos del proceso 

En los bioprocesos, mantener el medio de cultivo libre de contaminantes es fundamental para preservar la calidad y la reproducibilidad del proceso. Por lo tanto, el sistema de esterilización es uno de los aspectos que deben considerarse durante la especificación de un biorreactor piloto. 

Además de poder alcanzar las condiciones de temperatura necesarias, el equipo debe estar diseñado para soportar las condiciones de presión que se producen durante la esterilización.

¿Cómo se puede realizar la esterilización? 

En los biorreactores piloto, existen diferentes posibilidades para calentar y esterilizar el sistema. 

Una de ellas consiste en el uso de vapor limpio y húmedo . En este caso, el vapor puede dirigirse a la camisa del biorreactor y, según la configuración del equipo, también directamente al recipiente y al medio de cultivo. El proceso puede realizarse mediante válvulas manuales o automáticas. 

Otra posibilidad es utilizar un sistema eléctrico de calentamiento. En esta configuración, se instalan resistencias en los recipientes de pared simple, en la zona de la carcasa, y se aíslan térmicamente con lana de roca.

Controlar las condiciones del proceso 

La esterilización requiere el control de variables como la temperatura y la presión. Por lo tanto, estos parámetros deben integrarse en el sistema de instrumentación y automatización del equipo. 

En el biorreactor piloto, los transmisores de presión permiten monitorizar las condiciones del recipiente durante el proceso, mientras que el sistema de control permite la monitorización de la temperatura y la ejecución de la estrategia de esterilización definida. 

También se pueden incorporar dispositivos de seguridad, como válvulas de seguridad y discos de ruptura, que contribuyen a la protección del sistema contra condiciones de presión inadecuadas.

Automación: transformación de datos en control de proceso 

En un bioproceso, el monitoreo de una variable es solo una parte del control. Para mantener las condiciones de cultivo dentro de los parámetros definidos, el sistema debe interpretar los datos recopilados por los sensores y utilizarlos para ajustar los sistemas responsables de cada etapa del proceso. 

La automatización permite transformar la información generada por los sensores en acciones de control capaces de mantener el proceso dentro de las condiciones deseadas. 

En un biorreactor piloto automatizado, los sensores, los controladores y los actuadores trabajan de forma integrada para monitorizar las condiciones de cultivo y realizar ajustes según los parámetros definidos por el usuario. 

En términos sencillos, un bucle de control funciona a través de tres pasos: medir, comparar y actuar. 

El sensor mide una variable de proceso. El sistema compara el valor medido con el parámetro definido (punto de ajuste) y, cuando es necesario, activa un actor específico para corregir la situación. 

Por ejemplo, en un sistema de control de temperatura, el sensor monitoriza continuamente la temperatura del cultivo. El controlador compara este valor con el valor de consigna establecido y puede actuar sobre el sistema de calefacción o refrigeración para mantener la condición deseada.

¿Qué se puede automatizar? 

En un biorreactor piloto, se pueden configurar diferentes circuitos según los componentes e instrumentos instalados. Estos incluyen: 

• Temperatura: control de las condiciones del proceso y de esterilización;
• pH: acción a través de bombas peristálticas;
• Oxígeno disuelto: control en cascada mediante diferentes actuadores, como agitación y aireación;
• Espuma: activación de una bomba peristáltica para la adición de agente antiespumante;
• Presión: monitorización y control de las condiciones internas del buque;
• Agitación: control de la velocidad de rotación;
• O₂ y CO₂: monitorización y ajuste de los gases asociados al proceso;
• Suministro de nutrientes: bombas de accionamiento para estrategias de cultivo por lotes alimentados y otras operaciones de alimentación controlada. 

La configuración de los bucles depende de las características del bioproceso y de los actuadores disponibles en el equipo. 

Trazabilidad 

Además de controlar las variables, un sistema automatizado permite registrar lo que sucede durante el proceso. 

La torre BIO-TEC-PRO-II-PILOTO, por ejemplo, puede almacenar datos en su memoria interna y permitir su exportación mediante unidad USB. El sistema también permite la visualización de gráficos, el registro de eventos y alarmas, calibraciones, diagnósticos y la generación de prescripciones. 

El acceso se puede configurar para diferentes usuarios y niveles de permisos, mientras que la conectividad permite el acceso remoto al sistema. 

Estos recursos son importantes porque los datos generados durante un proceso piloto pueden utilizarse para comparar experimentos, identificar desviaciones, evaluar tendencias y respaldar las decisiones durante la ampliación a escala industrial. 

Seguridad y asepsia: puntos esenciales para el proceso 

En un biorreactor piloto, el control del proceso no se limita a las variables de cultivo. La seguridad operativa y el mantenimiento de las condiciones asépticas también deben considerarse desde la etapa de especificación del equipo. 

Durante el cultivo, la esterilización y la toma de muestras, diferentes componentes trabajan conjuntamente para reducir el riesgo de contaminación y permitir que el proceso se lleve a cabo en condiciones establecidas. 

Filtración de aire 

La entrada de aire es un aspecto que merece atención en procesos que requieren condiciones asépticas. Por lo tanto, el biorreactor puede contar con un sistema de filtración de aire equipado con cartuchos esterilizantes. 

El sistema permite el tratamiento del aire que entra en el proceso, contribuyendo al mantenimiento de las condiciones adecuadas durante el funcionamiento.

Muestreo seguro y aséptico 

El muestreo es un paso importante en el seguimiento del desarrollo de los cultivos. Sin embargo, cada intervención en el sistema representa un momento que debe controlarse cuidadosamente para evitar la introducción de contaminantes. 

Por lo tanto, el biorreactor piloto puede equiparse con un sistema de muestreo seguro y aséptico con paso de vapor. 

La configuración puede incluir una válvula sanitaria de tres posiciones, lo que permite realizar procedimientos de esterilización o desinfección después de cada toma de muestras. De esta manera, se pueden recolectar muestras sin comprometer las condiciones del proceso.

Personalización: ¿por qué no existe una única configuración ideal? 

Cada bioproceso tiene sus propias características. El tipo de cultivo, las variables que deben controlarse, la estrategia de alimentación, la necesidad de aireación y las condiciones de esterilización pueden variar significativamente entre las distintas aplicaciones. 

Por lo tanto, un biorreactor piloto no tiene por qué ser un equipo con una configuración única y fija. Las especificaciones deben basarse en las necesidades del proceso. 

La personalización puede comenzar ya en la fase de diseño técnico. Es posible definir, por ejemplo, el volumen del recipiente, la cantidad y la posición de las conexiones necesarias para sensores y accesorios. 

En los proyectos piloto, también puede ser interesante prever las posibilidades de expansión. Se pueden incorporar conexiones adicionales al diseño para permitir la instalación posterior de nuevos sensores o accesorios. 

Esto evita que los cambios futuros en el proceso requieran necesariamente la sustitución completa del equipo y permite supervisar la evolución del desarrollo del bioproceso.

Conclusión: un paso estratégico hacia la ampliación 

La fase piloto desempeña un papel estratégico en el desarrollo de los bioprocesos, ya que permite evaluar el comportamiento de los cultivos en volúmenes mayores, probar estrategias operativas y generar información para respaldar futuras decisiones. 

Con la combinación adecuada de instrumentación, automatización, agitación, aireación y esterilización, es posible reducir las incertidumbres y llevar a cabo la transición a la producción con mayor previsibilidad. 

El BIO-TEC-PRO-II-PILOTO disponible en versiones de 55 L y 170 L, ofrece una plataforma configurable para investigadores y empresas que buscan desarrollar, optimizar y expandir sus bioprocesos. 

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