Escalado de la Fermentación: Una Guía Completa para el Avance Biotecnológico Global

La fermentación, un proceso metabólico que convierte azúcares en ácidos, gases o alcohol, es una piedra angular de diversas industrias, incluyendo alimentos y bebidas, farmacéutica, biocombustibles y enzimas industriales. El escalado de los procesos de fermentación, la transición de la escala de laboratorio a la producción a escala industrial, presenta desafíos significativos y requiere una comprensión profunda de los principios de la ingeniería de bioprocesos. Esta guía proporciona una visión general completa del escalado de la fermentación, que cubre conceptos clave, desafíos, tecnologías y estrategias para la optimización exitosa de bioprocesos en diversas industrias en todo el mundo.

¿Por Qué es Importante el Escalado de la Fermentación?

La capacidad de escalar eficazmente los procesos de fermentación es crucial para la comercialización de las innovaciones biotecnológicas. Si bien se pueden lograr resultados prometedores a escala de laboratorio, la traducción de estos resultados a la producción a gran escala requiere una cuidadosa consideración de varios factores, incluyendo:

• Mantenimiento del Rendimiento del Proceso: Asegurar que el rendimiento, la calidad y la productividad del producto deseado se mantengan a medida que aumenta la escala.
• Rentabilidad: Optimizar el proceso para minimizar los costos de producción y maximizar la rentabilidad.
• Cumplimiento Normativo: Cumplir con los estrictos requisitos regulatorios de seguridad y eficacia de los productos en diferentes mercados globales.
• Satisfacción de la Demanda del Mercado: Producir cantidades suficientes del producto para satisfacer la demanda del mercado.

Navegar con éxito por las complejidades del escalado de la fermentación es esencial para las empresas que buscan comercializar sus productos biotecnológicos y obtener una ventaja competitiva en el mercado global. Por ejemplo, una empresa farmacéutica que desarrolla un nuevo antibiótico a través de la fermentación microbiana necesita asegurar que el proceso de fermentación pueda escalarse para producir el fármaco en cantidades suficientes para satisfacer las necesidades de los pacientes en todo el mundo. Del mismo modo, una empresa de biocombustibles que busca producir etanol a partir de biomasa lignocelulósica necesita optimizar el proceso de fermentación para la producción a gran escala para hacer que los biocombustibles sean una alternativa viable a los combustibles fósiles.

Principios Clave del Escalado de la Fermentación

El escalado exitoso de la fermentación se basa en varios principios fundamentales de la ingeniería de bioprocesos. La comprensión y la aplicación de estos principios son fundamentales para lograr un rendimiento óptimo del proceso a escala industrial.

1. Mantenimiento del Coeficiente de Transferencia de Masa Volumétrica Constante (kLa)

La transferencia de oxígeno es a menudo un factor limitante en los procesos de fermentación aeróbica. El coeficiente de transferencia de masa volumétrica (kLa) es un parámetro crucial que describe la velocidad a la que el oxígeno se transfiere de la fase gaseosa a la fase líquida en un biorreactor. Mantener un kLa constante durante el escalado es esencial para asegurar que las células reciban suficiente oxígeno para el crecimiento y la formación del producto. Esto se puede lograr ajustando parámetros como la velocidad de agitación, la tasa de aireación y la geometría del biorreactor.

Por ejemplo, en la producción de ácido cítrico por Aspergillus niger, la limitación de oxígeno puede reducir significativamente el rendimiento de ácido cítrico. Mantener un kLa suficiente durante todo el proceso de fermentación es fundamental para maximizar la producción de ácido cítrico. Se pueden emplear diferentes estrategias, como el uso de aire enriquecido con oxígeno o la optimización del diseño del impulsor, para mejorar la transferencia de oxígeno.

2. Mantenimiento del Tiempo de Mezcla Constante

La mezcla eficiente es crucial para asegurar la homogeneidad en el biorreactor, prevenir limitaciones de sustrato o nutrientes y disipar el calor. Mantener un tiempo de mezcla constante durante el escalado es importante para asegurar que las células experimenten un entorno uniforme y que se minimicen los gradientes de nutrientes, pH y temperatura. El tiempo de mezcla puede verse afectado por factores como el diseño del impulsor, la velocidad del impulsor y la geometría del biorreactor.

Considere la producción de proteínas recombinantes en cultivo de células de mamíferos. Las células de mamíferos son sensibles a la cizalladura, y la agitación excesiva puede dañar las células y reducir el rendimiento de la proteína. Sin embargo, una mezcla insuficiente puede provocar limitaciones de nutrientes y aglomeración celular. La optimización del tiempo de mezcla para equilibrar estos factores competitivos es crucial para un escalado exitoso.

3. Mantenimiento de la Tasa de Cizallamiento Constante

La tasa de cizallamiento, la velocidad a la que las capas adyacentes de fluido se mueven entre sí, puede tener un impacto significativo en la viabilidad celular y la calidad del producto, especialmente para las células sensibles a la cizalladura, como las células de mamíferos y las células vegetales. Mantener una tasa de cizallamiento constante durante el escalado es importante para minimizar el daño celular y asegurar una calidad de producto consistente. La tasa de cizallamiento se puede controlar ajustando parámetros como la velocidad del impulsor y el diseño del impulsor.

Por ejemplo, en la producción de anticuerpos monoclonales en células CHO, el estrés por cizallamiento excesivo puede provocar la lisis celular y la liberación de proteasas intracelulares, que pueden degradar los anticuerpos. El uso de impulsores de baja cizalladura y la optimización de la velocidad de agitación pueden ayudar a minimizar el estrés por cizallamiento y mejorar la producción de anticuerpos.

4. Mantenimiento de la Entrada de Potencia Constante por Unidad de Volumen (P/V)

La entrada de potencia por unidad de volumen (P/V) es una medida de la entrada de energía en el biorreactor para la mezcla y la aireación. Mantener un P/V constante durante el escalado puede ayudar a asegurar que las características de mezcla y transferencia de oxígeno del biorreactor sean similares a diferentes escalas. Sin embargo, es importante tener en cuenta que P/V no es el único factor que afecta la mezcla y la transferencia de oxígeno, y también deben considerarse otros parámetros como el diseño del impulsor y la geometría del biorreactor.

En muchas fermentaciones bacterianas, un P/V más alto podría ser aceptable debido a la naturaleza más robusta de las células bacterianas en comparación con las células de mamíferos. Sin embargo, incluso en las fermentaciones bacterianas, un P/V excesivo puede conducir a un mayor consumo de energía y, potencialmente, a daños celulares en algunos casos. Por lo tanto, la optimización de P/V en conjunto con otros parámetros es crucial.

5. Similitud Geométrica

Mantener la similitud geométrica durante el escalado significa que las proporciones de las dimensiones del biorreactor (por ejemplo, diámetro, altura, diámetro del impulsor) permanecen constantes. Esto puede ayudar a asegurar que los patrones de flujo y las características de mezcla del biorreactor sean similares a diferentes escalas. Sin embargo, a menudo no es posible mantener una similitud geométrica perfecta debido a limitaciones prácticas como los costos y las limitaciones de espacio. Además, la similitud geométrica perfecta no garantiza un rendimiento idéntico porque la dinámica de fluidos no está dictada únicamente por la geometría.

Por ejemplo, los biorreactores geométricamente similares podrían tener diferentes proporciones de área de superficie a volumen, lo que puede afectar la transferencia de calor y las tasas de evaporación. El modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) se puede utilizar para evaluar el impacto de las desviaciones de la similitud geométrica en el rendimiento del biorreactor.

Desafíos en el Escalado de la Fermentación

El escalado de los procesos de fermentación presenta numerosos desafíos, lo que requiere una cuidadosa consideración de varios factores que pueden impactar el rendimiento del proceso.

1. Limitaciones de Transferencia de Oxígeno

A medida que aumenta la escala del biorreactor, se vuelve más difícil mantener una transferencia de oxígeno suficiente a las células. Esto se debe a que la relación área de superficie a volumen disminuye y la trayectoria de difusión del oxígeno aumenta. La limitación de oxígeno puede conducir a una reducción del crecimiento celular, la formación del producto e incluso la muerte celular.

Soluciones:

• Aumentar la tasa de aireación.
• Aumentar la velocidad de agitación.
• Utilizar aire enriquecido con oxígeno u oxígeno puro.
• Optimizar el diseño del impulsor.
• Utilizar un biorreactor con una mayor relación área de superficie a volumen.
• Implementar estrategias como el uso de microburbujas o aireación por membrana.

2. Eliminación de Calor

Los procesos de fermentación generan calor debido a la actividad metabólica y la agitación. A medida que aumenta la escala del biorreactor, se vuelve más difícil eliminar este calor, lo que puede provocar un aumento de la temperatura y una reducción del crecimiento celular y la formación del producto. Mantener una temperatura óptima es crucial para la actividad enzimática y la salud general de las células.

Soluciones:

• Utilizar un biorreactor con una camisa de enfriamiento o serpentines de enfriamiento internos.
• Aumentar el caudal del refrigerante.
• Utilizar un sistema de enfriamiento más eficiente.
• Optimizar el proceso de fermentación para reducir la generación de calor.
• Considerar el enfriamiento evaporativo si es apropiado (y si la pérdida de productos volátiles no es una preocupación).

3. Inhomogeneidades de Mezcla

A medida que aumenta la escala del biorreactor, se vuelve más difícil mantener una mezcla uniforme en todo el recipiente. Esto puede conducir a gradientes de nutrientes, pH y temperatura, lo que puede impactar negativamente el crecimiento celular y la formación del producto. Las zonas muertas o las regiones mal mezcladas también pueden promover la acumulación de subproductos tóxicos.

Soluciones:

• Optimizar el diseño del impulsor.
• Aumentar la velocidad de agitación.
• Utilizar múltiples impulsores.
• Optimizar la geometría del biorreactor.
• Emplear modelado CFD para comprender y optimizar los patrones de mezcla.

4. Control del pH

Mantener un pH óptimo es crucial para el crecimiento celular y la formación del producto. A medida que aumenta la escala del biorreactor, se vuelve más difícil mantener un pH uniforme en todo el recipiente. Esto puede conducir a gradientes de pH, lo que puede impactar negativamente el crecimiento celular y la formación del producto. Los subproductos metabólicos pueden cambiar significativamente el pH, lo que requiere un control estricto.

Soluciones:

• Utilizar un sistema de control de pH con adición de ácido y base.
• Optimizar la ubicación de la sonda de pH y los puntos de adición de ácido/base.
• Utilizar un tampón para ayudar a mantener un pH estable.
• Considerar el uso de un sistema de monitoreo y control de pH en línea.

5. Control de la Espuma

La formación de espuma es un problema común en los procesos de fermentación, especialmente aquellos que involucran proteínas o surfactantes. La espuma puede conducir a una reducción del volumen de trabajo, la contaminación y la obstrucción de sensores y filtros. También dificulta la transferencia de oxígeno.

Soluciones:

• Agregar agentes antiespumantes.
• Optimizar las tasas de agitación y aireación.
• Utilizar un rompedor de espuma mecánico.
• Considerar el uso de un sensor de espuma para agregar automáticamente agentes antiespumantes.

6. Cambios en la Morfología o Fisiología

Las células pueden exhibir una morfología o fisiología alterada a medida que aumenta la escala. El estrés por cizallamiento u otros cambios en el entorno del biorreactor pueden hacer que las células produzcan diferentes proteínas o tengan diferentes tasas de crecimiento. Estos cambios pueden afectar el rendimiento y la calidad del producto. Esto es especialmente frecuente en organismos filamentosos o cultivos celulares agregados.

Soluciones:

• Monitorear cuidadosamente la morfología y fisiología celular durante el escalado.
• Ajustar los parámetros de fermentación (por ejemplo, temperatura, pH, niveles de nutrientes) para mantener un crecimiento celular y una formación de producto óptimos.
• Considerar el uso de un tren de siembra para adaptar gradualmente las células al entorno de mayor escala.
• Emplear tecnología de análisis de procesos (PAT) para monitorear los parámetros críticos del proceso en tiempo real.

7. Mantenimiento de la Esterilidad

Mantener la esterilidad es crucial para prevenir la contaminación y asegurar la calidad del producto. A medida que aumenta la escala del biorreactor, se vuelve más difícil mantener la esterilidad debido al aumento del área de superficie y al aumento del número de conexiones y puntos de muestreo.

Soluciones:

• Utilizar procedimientos de esterilización validados para todos los equipos y medios.
• Implementar técnicas asépticas estrictas durante la operación.
• Utilizar filtros estériles para las corrientes de aire y gas.
• Monitorear regularmente el biorreactor en busca de contaminación.
• Asegurar el sellado adecuado de todas las conexiones y puertos.

Tecnologías para el Escalado de la Fermentación

Existen varias tecnologías disponibles para ayudar en el escalado y la optimización de la fermentación. Estas tecnologías pueden ayudar a superar los desafíos asociados con el escalado de los procesos de fermentación y mejorar el rendimiento del proceso.

1. Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)

CFD es una herramienta poderosa para simular el flujo de fluidos, la transferencia de calor y la transferencia de masa en biorreactores. CFD se puede utilizar para optimizar el diseño del biorreactor, predecir patrones de mezcla e identificar zonas muertas. El modelado CFD puede ayudar a predecir las condiciones a mayor escala basándose en experimentos a pequeña escala, lo que reduce el número de costosas pruebas a escala piloto requeridas.

Ejemplo: CFD se puede utilizar para optimizar el diseño y la colocación del impulsor en un biorreactor a gran escala para asegurar una mezcla uniforme y la transferencia de oxígeno. También puede identificar áreas donde la tensión de cizallamiento es alta, lo que permite a los ingenieros ajustar el diseño para minimizar el daño celular.

2. Tecnología de Análisis de Procesos (PAT)

PAT es un sistema para diseñar, analizar y controlar la fabricación a través de mediciones oportunas (es decir, durante el procesamiento) de atributos de calidad críticos y atributos de rendimiento de las materias primas y los procesos en proceso con el objetivo de asegurar la calidad del producto final. Las herramientas PAT incluyen sensores para monitorear el pH, la temperatura, el oxígeno disuelto, la densidad celular y los niveles de nutrientes. La adquisición de datos en tiempo real permite ajustes inmediatos al proceso de fermentación, lo que lleva a una mayor eficiencia y reproducibilidad.

Ejemplo: El uso de un espectrómetro de infrarrojo cercano (NIR) en línea para monitorear los niveles de glucosa en el caldo de fermentación permite realizar ajustes en tiempo real a la velocidad de alimentación, lo que evita la limitación de glucosa o la sobrealimentación, lo que puede impactar negativamente el rendimiento del producto.

3. Diseño Estadístico de Experimentos (DoE)

DoE es un enfoque sistemático para planificar y realizar experimentos para identificar las condiciones operativas óptimas para un proceso. DoE se puede utilizar para optimizar parámetros de fermentación como la temperatura, el pH, los niveles de nutrientes y la tasa de aireación. DoE es un enfoque mucho más eficiente que la experimentación tradicional "un factor a la vez".

Ejemplo: El uso de DoE para optimizar las concentraciones de diferentes nutrientes en el medio de fermentación puede mejorar significativamente el rendimiento del producto. El enfoque estadístico permite la identificación de interacciones entre nutrientes que podrían no ser evidentes a través de la experimentación tradicional.

4. Diseños de Biorreactores Avanzados

Se han desarrollado varios diseños avanzados de biorreactores para mejorar el rendimiento del proceso. Estos incluyen:

• Biorreactores de elevación por aire: Estos biorreactores utilizan aire para proporcionar mezcla y transferencia de oxígeno. Son particularmente útiles para células sensibles a la cizalladura.
• Biorreactores de membrana: Estos biorreactores utilizan membranas para separar las células del caldo de fermentación, lo que permite altas densidades celulares y la eliminación continua del producto.
• Biorreactores de onda: Estos biorreactores utilizan un movimiento de balanceo para proporcionar mezcla y aireación. Son particularmente útiles para aplicaciones de cultivo celular.
• Biorreactores de un solo uso: Estos biorreactores están preesterilizados y son desechables, lo que elimina la necesidad de limpieza y esterilización y reduce el riesgo de contaminación.

Ejemplo: Los biorreactores de un solo uso se utilizan cada vez más en la industria biofarmacéutica para la producción de anticuerpos monoclonales. Estos biorreactores ofrecen varias ventajas, incluida una menor inversión de capital, tiempos de respuesta más rápidos y un menor riesgo de contaminación.

5. Modelos de Escalamiento Reducido

Los modelos de escalamiento reducido son biorreactores a pequeña escala que están diseñados para imitar las condiciones en un biorreactor a gran escala. Los modelos de escalamiento reducido se pueden utilizar para estudiar el impacto de diferentes parámetros del proceso en el crecimiento celular y la formación del producto, sin la necesidad de realizar experimentos en el biorreactor a gran escala. Esto ahorra tiempo y recursos.

Ejemplo: Se puede utilizar un modelo de escalado reducido para simular las limitaciones de transferencia de oxígeno en un biorreactor a gran escala. Al estudiar el impacto de la limitación de oxígeno en el crecimiento celular y la formación del producto en el modelo de escalado reducido, los ingenieros pueden desarrollar estrategias para superar estas limitaciones en el biorreactor a gran escala.

Estrategias para el Escalado Exitoso de la Fermentación

El escalado exitoso de la fermentación requiere una estrategia bien planificada y ejecutada que aborde los desafíos y aproveche las tecnologías disponibles.

1. Comprensión Profunda del Proceso

Una comprensión profunda del proceso de fermentación es esencial para un escalado exitoso. Esto incluye la comprensión de las vías metabólicas involucradas, las condiciones de crecimiento óptimas para las células y los parámetros críticos del proceso que afectan el rendimiento y la calidad del producto. La comprensión de los factores inhibidores potenciales también es fundamental. Una base sólida construida sobre experimentos a pequeña escala bien caracterizados es esencial.

2. Desarrollar un Tren de Siembra Robusto

Un tren de siembra robusto es crucial para asegurar que las células estén sanas y creciendo activamente cuando se transfieren al biorreactor a gran escala. El tren de siembra debe diseñarse para adaptar gradualmente las células al entorno de mayor escala. Esto a menudo implica comenzar con un pequeño inóculo en un matraz agitador y aumentar gradualmente el volumen del inóculo a través de una serie de biorreactores progresivamente más grandes.

3. Implementar un Enfoque Adecuado a la Fase

Un enfoque adecuado a la fase significa que el nivel de rigor y documentación debe ser proporcional a la etapa de desarrollo. El desarrollo del proceso en etapa inicial puede centrarse en la identificación de los parámetros de fermentación óptimos, mientras que el desarrollo del proceso en etapa posterior debe centrarse en la optimización y validación del proceso para asegurar la calidad y reproducibilidad consistentes del producto.

4. Realizar Estudios a Escala Piloto

Los estudios a escala piloto son un paso esencial en el proceso de escalado. Los estudios a escala piloto le permiten probar el proceso de fermentación en un biorreactor que está más cerca del tamaño del biorreactor a gran escala. Esto le permite identificar problemas potenciales y optimizar el proceso antes de pasar a la producción a gran escala. Los estudios a escala piloto pueden descubrir problemas con la mezcla, la transferencia de calor o el control del pH que no eran evidentes a menor escala.

5. Monitorear los Parámetros Críticos del Proceso

El monitoreo continuo de los parámetros críticos del proceso (CPP) es esencial para asegurar la calidad y reproducibilidad consistentes del producto. Los CPP incluyen la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto, la densidad celular y los niveles de nutrientes. El monitoreo en tiempo real permite realizar ajustes inmediatos al proceso de fermentación, lo que evita desviaciones de las condiciones operativas óptimas.

6. Implementar Estrategias de Control de Procesos

Las estrategias de control de procesos son esenciales para mantener el proceso de fermentación dentro del rango operativo deseado. Esto incluye la implementación de bucles de control de retroalimentación para ajustar automáticamente parámetros como la temperatura, el pH y el oxígeno disuelto. Se pueden utilizar estrategias de control avanzadas, como el control predictivo basado en modelos (MPC), para optimizar el proceso de fermentación en tiempo real.

7. Desarrollar un Protocolo Completo de Limpieza y Esterilización

Un protocolo completo de limpieza y esterilización es esencial para prevenir la contaminación y asegurar la calidad del producto. El protocolo debe incluir procedimientos detallados para limpiar y esterilizar todos los equipos y medios. La eficacia del protocolo de limpieza y esterilización debe validarse para asegurar que sea capaz de eliminar todos los contaminantes.

8. Documentación y Trazabilidad

La documentación detallada es crucial para demostrar que el proceso de fermentación está bien controlado y que el producto cumple con todos los requisitos de calidad. Esto incluye documentar todos los parámetros del proceso, las materias primas y los resultados analíticos. Se debe mantener un registro de auditoría completo para asegurar la trazabilidad de todos los datos.

Estudios de Caso Globales en el Escalado de la Fermentación

El examen de las historias exitosas de escalado de la fermentación de todo el mundo ofrece información valiosa y lecciones aprendidas.

1. Producción de Insulina en Dinamarca

Novo Nordisk, una empresa farmacéutica danesa, es líder mundial en la producción de insulina. La compañía ha escalado con éxito sus procesos de fermentación para la producción de insulina recombinante en Saccharomyces cerevisiae. La clave de su éxito ha sido la implementación de estrategias avanzadas de control de procesos y el uso de biorreactores de un solo uso. También emplean técnicas avanzadas de procesamiento downstream para purificar la insulina para cumplir con los estrictos requisitos regulatorios en todo el mundo.

2. Producción de Biocombustibles en Brasil

Brasil es líder mundial en la producción de etanol a partir de caña de azúcar. Las empresas brasileñas han desarrollado procesos de fermentación altamente eficientes para la producción de etanol, que se utiliza como biocombustible. El escalado de estos procesos ha implicado la optimización de las cepas de levadura utilizadas para la fermentación, la mejora de la eficiencia del proceso de fermentación y el desarrollo de técnicas robustas de procesamiento downstream. La fermentación continua se emplea comúnmente.

3. Producción de Antibióticos en la India

India es un importante productor de antibióticos. Las empresas farmacéuticas indias han escalado con éxito sus procesos de fermentación para la producción de diversos antibióticos, incluyendo penicilina y cefalosporinas. Esto ha implicado la optimización de las condiciones de fermentación, la mejora de la eficiencia del proceso de fermentación y el desarrollo de técnicas robustas de procesamiento downstream. También se han centrado en estrategias de producción rentables para competir en el mercado global.

4. Producción de Enzimas Industriales en China

China es un importante productor de enzimas industriales. Las empresas chinas han escalado sus procesos de fermentación para la producción de diversas enzimas, incluyendo amilasas, proteasas y lipasas. Estas enzimas se utilizan en una amplia gama de industrias, incluyendo alimentos y bebidas, textiles y detergentes. La fermentación eficiente a gran escala utilizando organismos genéticamente modificados (OGM) es una práctica común. Los desafíos incluyen lidiar con la diversidad de materias primas y mantener el control de calidad.

El Futuro del Escalado de la Fermentación

El campo del escalado de la fermentación está en constante evolución, con nuevas tecnologías y estrategias que se están desarrollando para mejorar el rendimiento del proceso y reducir los costos. Algunas de las tendencias clave en el escalado de la fermentación incluyen:

• Mayor uso de la automatización y la robótica: La automatización y la robótica pueden ayudar a mejorar la eficiencia y la reproducibilidad de los procesos de fermentación.
• Desarrollo de diseños de biorreactores más eficientes: Se están desarrollando nuevos diseños de biorreactores para mejorar la mezcla, la transferencia de oxígeno y la transferencia de calor.
• Mayor uso de la tecnología de análisis de procesos (PAT): PAT puede ayudar a monitorear los parámetros críticos del proceso en tiempo real, lo que permite realizar ajustes inmediatos al proceso de fermentación.
• Integración del análisis de datos y la inteligencia artificial (IA): El análisis de datos y la IA se pueden utilizar para optimizar los procesos de fermentación y predecir el rendimiento del proceso.
• Énfasis en la sostenibilidad: Las empresas se están centrando cada vez más en el desarrollo de procesos de fermentación sostenibles que minimicen los residuos y el consumo de energía.

Conclusión

El escalado de la fermentación es un proceso complejo y desafiante, pero es esencial para la comercialización de las innovaciones biotecnológicas. Al comprender los principios clave del escalado de la fermentación, abordar los desafíos, aprovechar las tecnologías disponibles e implementar una estrategia bien planificada, las empresas pueden escalar con éxito sus procesos de fermentación y obtener una ventaja competitiva en el mercado global. La innovación continua y el enfoque en la sostenibilidad serán cruciales para el futuro de la tecnología de fermentación en todo el mundo.