Ampliación de escala: Guía completa para la fermentación comercial

La fermentación es una piedra angular de numerosas industrias, desde alimentos y bebidas hasta productos farmacéuticos y biocombustibles. Si bien una fermentación exitosa a escala de laboratorio es un logro significativo, traducir ese éxito a la producción comercial requiere una cuidadosa planificación, ejecución y optimización. Esta guía proporciona una visión general completa de las consideraciones clave y las mejores prácticas para ampliar los procesos de fermentación comercial.

¿Por qué es un desafío ampliar la escala de la fermentación?

Ampliar un proceso de fermentación no es simplemente aumentar el volumen. Varios factores que se controlan fácilmente a pequeña escala se vuelven significativamente más complejos a medida que el proceso crece. Estos incluyen:

• Transferencia de calor: Mantener una temperatura óptima es crucial para el crecimiento microbiano y la formación de productos. Los biorreactores más grandes tienen una menor relación superficie-volumen, lo que dificulta la eliminación del calor. Un enfriamiento inadecuado puede provocar sobrecalentamiento y muerte celular, mientras que un enfriamiento excesivo puede ralentizar el proceso de fermentación.
• Transferencia de masa: La transferencia de oxígeno suele ser un factor limitante en las fermentaciones aeróbicas. A medida que aumenta la densidad del cultivo, la demanda de oxígeno aumenta. Asegurar un suministro adecuado de oxígeno en todo el biorreactor se vuelve cada vez más difícil a escalas mayores. La mezcla, la aspersión y el diseño del reactor juegan un papel crucial en la eficiencia de la transferencia de oxígeno.
• Mezcla: Una mezcla efectiva es esencial para mantener la homogeneidad, distribuir nutrientes y eliminar subproductos metabólicos. Una mezcla deficiente puede generar gradientes de pH, temperatura y concentración de nutrientes, lo que puede afectar negativamente el crecimiento celular y la formación del producto. El tipo y la configuración de los impulsores, el diseño de los deflectores y la velocidad de mezcla deben considerarse cuidadosamente.
• Estrés de cizallamiento: Un estrés de cizallamiento excesivo de los impulsores puede dañar las células, especialmente aquellas que son sensibles al cizallamiento. Optimizar el diseño del impulsor y la velocidad de mezcla es crucial para minimizar el estrés de cizallamiento mientras se mantiene una mezcla adecuada. Algunas células (p. ej., hongos filamentosos) son más susceptibles al daño por cizallamiento que otras.
• Esterilidad: Mantener la esterilidad es primordial en los procesos de fermentación. El riesgo de contaminación aumenta con el tamaño y la complejidad del biorreactor. Procedimientos de esterilización robustos, técnicas asépticas y sistemas cerrados son esenciales para prevenir la contaminación y asegurar la calidad del producto.
• Control del pH: Mantener el rango de pH óptimo es crítico para la actividad enzimática y la viabilidad celular. A medida que avanza la fermentación, la producción de ácidos o bases puede causar fluctuaciones significativas de pH. Un control preciso del pH requiere sistemas de monitoreo y control sofisticados.
• Monitoreo y control del proceso: El monitoreo y control efectivos de los parámetros críticos del proceso (p. ej., temperatura, pH, oxígeno disuelto, niveles de nutrientes) son cruciales para un rendimiento constante y la calidad del producto. El monitoreo en tiempo real y los sistemas de control automatizados son esenciales para las fermentaciones a gran escala.
• Cambios metabólicos dependientes de la escala: Las células pueden comportarse de manera diferente en fermentadores a gran escala en comparación con cultivos a pequeña escala. Factores como la disponibilidad de oxígeno, el estrés de cizallamiento y los gradientes de nutrientes pueden alterar las rutas metabólicas y afectar el rendimiento y la calidad del producto. Estos cambios deben estudiarse y abordarse cuidadosamente durante la ampliación de escala.

Etapas de la ampliación de escala de la fermentación

El proceso de ampliación de escala típicamente involucra varias etapas, cada una con sus propios objetivos y desafíos:

1. Desarrollo del cultivo de siembra

El cultivo de siembra sirve como inóculo para el fermentador de producción. Es crucial desarrollar un cultivo de siembra que esté sano, en crecimiento activo y libre de contaminación. Esto generalmente implica múltiples etapas de crecimiento, comenzando desde un cultivo madre criopreservado y progresando a través de matraces de agitación, biorreactores pequeños y, finalmente, a un fermentador de siembra. El cultivo de siembra debe ser fisiológicamente similar a las células deseadas en el fermentador de producción.

Ejemplo: Una compañía farmacéutica que desarrolla un nuevo antibiótico podría comenzar con un stock congelado del microorganismo productor. Este stock se revive en un matraz de agitación, luego se transfiere a un biorreactor pequeño (p. ej., 2L). La biomasa de este biorreactor luego inocula un fermentador de siembra más grande (p. ej., 50L), que proporciona el inóculo para el fermentador de producción.

2. Fermentación a escala piloto

La fermentación a escala piloto cierra la brecha entre el laboratorio y la producción industrial. Permite probar y optimizar el proceso de fermentación en condiciones que se asemejan más al entorno de producción a gran escala. Los estudios a escala piloto ayudan a identificar posibles problemas de ampliación de escala y a refinar los parámetros operativos. Estos experimentos típicamente involucran biorreactores que van desde 50L hasta 500L.

Ejemplo: Una compañía de biocombustibles podría usar un biorreactor de 100L para evaluar el rendimiento de una nueva cepa de levadura genéticamente modificada para la producción de etanol. Optimizarían parámetros como la temperatura, el pH y las tasas de alimentación de nutrientes para maximizar el rendimiento y la productividad del etanol.

3. Fermentación a escala de producción

La etapa final es la fermentación a escala de producción, donde el producto se fabrica en grandes cantidades para la venta comercial. Los biorreactores a escala de producción pueden variar desde varios miles de litros hasta cientos de miles de litros. Mantener un rendimiento y una calidad de producto consistentes a esta escala requiere una atención cuidadosa a los detalles y sistemas de control de procesos robustos.

Ejemplo: Una cervecería podría usar un fermentador de 10,000L para producir cerveza a escala comercial. Monitorearían cuidadosamente los niveles de temperatura, pH y oxígeno disuelto para asegurar un sabor y una calidad consistentes.

Consideraciones clave para la ampliación de escala de la fermentación

1. Diseño del biorreactor

El biorreactor es el corazón del proceso de fermentación. Elegir el diseño de biorreactor adecuado es crucial para una ampliación de escala exitosa. Las consideraciones clave incluyen:

• Tipo de biorreactor: Diferentes tipos de biorreactores son adecuados para diferentes aplicaciones. Los reactores de tanque agitado son el tipo más común, pero otras opciones incluyen reactores de tipo 'air-lift', reactores de columna de burbujeo y reactores de lecho empacado. La elección depende de los requisitos específicos del proceso de fermentación, como el tipo de microorganismo, la demanda de oxígeno y la sensibilidad al estrés de cizallamiento.
• Sistema de mezcla: El sistema de mezcla debe proporcionar una agitación adecuada para la homogeneidad, la distribución de nutrientes y la transferencia de oxígeno. Los tipos comunes de impulsores incluyen turbinas Rushton, turbinas de palas inclinadas y hélices marinas. El número y la configuración de los impulsores, el diseño de los deflectores y la velocidad de mezcla deben optimizarse para el biorreactor y el proceso de fermentación específicos.
• Sistema de aspersión: El sistema de aspersión introduce aire u oxígeno en el biorreactor. El tipo y tamaño del aspersor, el caudal de gas y la composición del gas deben controlarse cuidadosamente para optimizar la transferencia de oxígeno sin causar espuma excesiva o daño celular.
• Sistema de transferencia de calor: El sistema de transferencia de calor debe mantener el biorreactor a la temperatura óptima para el crecimiento celular y la formación del producto. Esto típicamente implica un recipiente encamisado con fluido de enfriamiento o calentamiento en circulación. La capacidad de transferencia de calor debe ser suficiente para eliminar el calor generado por el proceso de fermentación.
• Instrumentación y control: El biorreactor debe estar equipado con sensores y sistemas de control para monitorear y regular parámetros críticos del proceso como temperatura, pH, oxígeno disuelto y niveles de nutrientes. Los sistemas de control automatizados son esenciales para mantener un rendimiento y una calidad de producto consistentes.

2. Optimización del proceso

La optimización del proceso implica identificar y optimizar los parámetros clave del proceso que afectan el crecimiento celular, la formación del producto y la calidad del producto. Esto típicamente implica una combinación de estudios experimentales y modelado matemático.

• Optimización del medio: El medio de fermentación debe proporcionar todos los nutrientes necesarios para el crecimiento celular y la formación del producto. Optimizar la composición del medio puede mejorar significativamente el rendimiento y la productividad del producto. Esto puede implicar variar las concentraciones de fuentes de carbono, fuentes de nitrógeno, vitaminas y minerales. Se pueden utilizar diseños experimentales estadísticos, como la metodología de superficie de respuesta (RSM), para optimizar eficientemente la composición del medio.
• Optimización de la temperatura: La temperatura óptima para el crecimiento celular y la formación del producto depende del microorganismo específico. La temperatura puede afectar la actividad enzimática, la fluidez de la membrana y la estabilidad de las proteínas. La temperatura óptima debe determinarse experimentalmente.
• Optimización del pH: El rango de pH óptimo para el crecimiento celular y la formación del producto también depende del microorganismo específico. El pH puede afectar la actividad enzimática, la permeabilidad de la membrana celular y la solubilidad de las proteínas. Un control preciso del pH es esencial para un rendimiento óptimo de la fermentación.
• Optimización del oxígeno disuelto: Mantener niveles adecuados de oxígeno disuelto es crucial para las fermentaciones aeróbicas. El nivel óptimo de oxígeno disuelto depende de la demanda de oxígeno del microorganismo y de la capacidad de transferencia de oxígeno del biorreactor. Los niveles de oxígeno disuelto se pueden controlar ajustando la velocidad de agitación, la tasa de aireación y el enriquecimiento de oxígeno.
• Estrategias de alimentación: Para las fermentaciones en lote alimentado (fed-batch) y continuas, la tasa y la composición de la alimentación deben optimizarse cuidadosamente para maximizar el rendimiento y la productividad del producto. Se pueden utilizar estrategias de control por retroalimentación para ajustar la tasa de alimentación en función de mediciones en tiempo real de la concentración de glucosa, el pH o el oxígeno disuelto.

3. Monitoreo y control

El monitoreo y control efectivos de los parámetros críticos del proceso son esenciales para un rendimiento y una calidad de producto consistentes. Esto requiere el uso de sensores, sistemas de control y técnicas de análisis de datos apropiados.

• Sensores: Hay disponibles varios sensores para monitorear parámetros críticos del proceso, incluyendo temperatura, pH, oxígeno disuelto, concentración de glucosa, concentración de biomasa y concentración de producto. La elección del sensor depende del parámetro específico que se mide y de los requisitos del proceso de fermentación.
• Sistemas de control: Se utilizan sistemas de control automatizados para regular los parámetros del proceso basándose en la retroalimentación de los sensores. Los sistemas de control comunes incluyen controladores PID (proporcional-integral-derivativo), que ajustan las variables manipuladas (p. ej., temperatura, pH, velocidad de agitación) para mantener los puntos de ajuste deseados.
• Análisis de datos: Los datos recopilados de los sensores y sistemas de control se pueden analizar para identificar tendencias, detectar anomalías y optimizar el rendimiento del proceso. Se pueden utilizar técnicas de control estadístico de procesos (SPC) para monitorear la variabilidad del proceso e identificar problemas potenciales antes de que afecten la calidad del producto.
• Tecnología Analítica de Procesos (PAT): La PAT es un marco para diseñar, analizar y controlar los procesos de fabricación a través de mediciones oportunas de atributos críticos de calidad (CQA) y parámetros críticos del proceso (CPP). La PAT tiene como objetivo mejorar la comprensión del proceso, reducir la variabilidad y mejorar la calidad del producto.

4. Garantía de esterilidad

Mantener la esterilidad es primordial en los procesos de fermentación. La contaminación puede llevar al deterioro del producto, a la reducción del rendimiento e incluso al fracaso total del proceso. Es esencial implementar procedimientos de esterilización robustos y técnicas asépticas.

• Esterilización de equipos: Todo el equipo que entra en contacto con el caldo de fermentación, incluido el biorreactor, las tuberías y los sensores, debe ser esterilizado a fondo antes de su uso. La esterilización por vapor es el método más común, pero otras opciones incluyen el autoclavado, la filtración y la esterilización química.
• Esterilización de medios: El medio de fermentación también debe esterilizarse para eliminar cualquier microorganismo contaminante. Esto se hace típicamente mediante autoclavado o esterilización por filtración.
• Técnicas asépticas: Todas las operaciones que implican abrir el biorreactor o introducir materiales en el caldo de fermentación deben realizarse utilizando técnicas asépticas. Esto incluye el uso de equipo estéril, el uso de guantes estériles y el trabajo en un ambiente limpio.
• Filtración de aire: El aire que entra en el biorreactor debe filtrarse a través de filtros estériles para eliminar cualquier microorganismo en el aire.
• Sistemas cerrados: El uso de sistemas cerrados minimiza el riesgo de contaminación. Esto implica conectar todos los equipos y tuberías en un circuito cerrado y evitar cualquier transferencia abierta de materiales.

5. Control de la espuma

La formación de espuma es un problema común en los procesos de fermentación, especialmente en aquellos que involucran proteínas o surfactantes. La espuma excesiva puede llevar a una reducción de la transferencia de oxígeno, contaminación y pérdida de producto. La espuma se puede controlar agregando agentes antiespumantes o usando rompedores mecánicos de espuma.

• Agentes antiespumantes: Los agentes antiespumantes son productos químicos que reducen la tensión superficial del caldo de fermentación, evitando la formación de espuma. Los agentes antiespumantes comunes incluyen siliconas, aceites vegetales y ácidos grasos. La elección del agente antiespumante depende del proceso de fermentación específico y de la sensibilidad del microorganismo.
• Rompedores mecánicos de espuma: Los rompedores mecánicos de espuma utilizan palas giratorias u otros dispositivos para romper físicamente la espuma. A menudo se utilizan junto con agentes antiespumantes.

Estrategias para una ampliación de escala exitosa

1. Enfoque QbD (Calidad por Diseño)

QbD (Calidad por Diseño) es un enfoque sistemático para el desarrollo que comienza con objetivos predefinidos y enfatiza la comprensión del producto y del proceso, así como el control del proceso. La aplicación de los principios de QbD a la ampliación de escala de la fermentación ayuda a garantizar una calidad y un rendimiento consistentes del producto.

Los elementos clave de QbD incluyen:

• Definir el Perfil de Calidad Objetivo del Producto (QTPP): El QTPP describe las características deseadas del producto final, como la pureza, la potencia y la estabilidad.
• Identificar los Atributos Críticos de Calidad (CQA): Los CQA son las propiedades físicas, químicas, biológicas o microbiológicas que deben controlarse para garantizar la calidad deseada del producto.
• Identificar los Parámetros Críticos del Proceso (CPP): Los CPP son los parámetros del proceso que pueden afectar a los CQA.
• Establecer el Espacio de Diseño: El espacio de diseño es la combinación e interacción multidimensional de las variables de entrada (p. ej., CPP) y los parámetros del proceso que han demostrado proporcionar una garantía de calidad. Trabajar dentro del espacio de diseño garantiza que el producto cumpla con los atributos de calidad deseados.
• Implementar una Estrategia de Control: La estrategia de control describe cómo se monitorearán y controlarán los CPP para garantizar que el proceso permanezca dentro del espacio de diseño y que el producto cumpla con los atributos de calidad deseados.

2. Dinámica de fluidos computacional (CFD)

La CFD es una herramienta poderosa para simular el flujo de fluidos, la transferencia de calor y la transferencia de masa en biorreactores. Las simulaciones de CFD se pueden utilizar para optimizar el diseño del biorreactor, los sistemas de mezcla y los sistemas de aspersión. También pueden ayudar a identificar problemas potenciales como zonas muertas y puntos calientes de estrés de cizallamiento. La CFD puede reducir el número de experimentos a escala piloto, costosos y que consumen mucho tiempo, necesarios para la ampliación de escala.

3. Modelos a escala reducida

Los modelos a escala reducida son biorreactores a pequeña escala diseñados para imitar las condiciones en un biorreactor de producción a gran escala. Los modelos a escala reducida se pueden utilizar para estudiar los efectos de diferentes parámetros del proceso en el crecimiento celular, la formación del producto y la calidad del producto. También se pueden utilizar para solucionar problemas que surgen durante la ampliación de escala. Los modelos a escala reducida bien caracterizados pueden proporcionar información valiosa y acelerar el proceso de desarrollo.

4. Modelado y simulación de procesos

El modelado y la simulación de procesos se pueden utilizar para predecir el comportamiento del proceso de fermentación a diferentes escalas y bajo diferentes condiciones operativas. Se pueden desarrollar modelos matemáticos basados en principios fundamentales de transferencia de masa, transferencia de calor y cinética de reacción. Estos modelos se pueden utilizar para optimizar los parámetros del proceso, diseñar estrategias de control y solucionar problemas. Herramientas como MATLAB, gPROMS y Aspen Plus se pueden utilizar para el modelado y la simulación de procesos.

Consideraciones sobre el procesamiento descendente (downstream)

Las consideraciones de ampliación de escala se extienden más allá del proceso de fermentación en sí. El procesamiento descendente, que implica la separación y purificación del producto del caldo de fermentación, también debe ampliarse. La elección de las técnicas de procesamiento descendente depende de la naturaleza del producto, su concentración y la pureza deseada. Las técnicas comunes de procesamiento descendente incluyen:

• Separación celular: La eliminación de células del caldo de fermentación suele ser el primer paso en el procesamiento descendente. Esto se puede hacer por centrifugación, filtración o microfiltración.
• Ruptura celular: Si el producto es intracelular, las células deben romperse para liberar el producto. Esto se puede hacer por métodos mecánicos (p. ej., homogeneización, molienda con perlas) o métodos químicos (p. ej., lisis enzimática).
• Aislamiento del producto: El producto se puede aislar del caldo de fermentación mediante una variedad de técnicas, que incluyen precipitación, extracción y adsorción.
• Purificación del producto: El producto se purifica típicamente mediante técnicas cromatográficas, como la cromatografía de afinidad, la cromatografía de intercambio iónico y la cromatografía de exclusión por tamaño.
• Formulación del producto: El paso final en el procesamiento descendente es formular el producto en una forma estable y utilizable. Esto puede implicar la adición de excipientes, estabilizadores y conservantes.

Ejemplos globales de ampliación de escala de fermentación exitosa

Varias industrias en todo el mundo dependen en gran medida de una ampliación de escala de fermentación exitosa. Aquí hay algunos ejemplos:

• Industria farmacéutica (Global): La producción de antibióticos, vacunas y otros productos biofarmacéuticos se basa en la fermentación a gran escala de microorganismos o cultivos celulares. Empresas como Pfizer, Roche y Novartis operan enormes instalaciones de fermentación en todo el mundo.
• Industria de alimentos y bebidas (Europa, América del Norte, Asia): La producción de cerveza, vino, yogur, queso y otros alimentos y bebidas fermentados se basa en procesos de fermentación controlados. Empresas como Anheuser-Busch InBev (Bélgica), Danone (Francia) y Kirin Brewery (Japón) han perfeccionado la ampliación de escala de la fermentación durante muchos años.
• Industria de biocombustibles (Brasil, EE. UU.): La producción de etanol a partir de caña de azúcar (Brasil) y maíz (EE. UU.) implica la fermentación a gran escala de azúcares por levadura. Empresas como Raizen (Brasil) y Archer Daniels Midland (EE. UU.) operan instalaciones de producción de biocombustibles a gran escala.
• Biotecnología industrial (Dinamarca, Alemania, China): La producción de enzimas, bioplásticos y otros productos de base biológica se basa en la fermentación de microorganismos genéticamente modificados. Empresas como Novozymes (Dinamarca), BASF (Alemania) y Amyris (EE. UU.) son líderes en este campo.

Resolución de problemas comunes en la ampliación de escala

A pesar de una planificación y ejecución cuidadosas, aún pueden surgir problemas durante la ampliación de escala de la fermentación. Aquí hay algunos problemas comunes y posibles soluciones:

• Rendimiento reducido del producto: Esto podría deberse a cambios en las rutas metabólicas, limitaciones de nutrientes o acumulación de subproductos inhibidores. Revise la composición del medio, optimice las estrategias de alimentación y asegure una transferencia de oxígeno adecuada.
• Aumento del riesgo de contaminación: Esto podría deberse a procedimientos de esterilización inadecuados o fallas en la técnica aséptica. Revise los protocolos de esterilización, mejore la filtración de aire e implemente procedimientos asépticos más estrictos.
• Sobreproducción de espuma: Esto podría deberse a cambios en la composición del medio o la fisiología celular. Optimice la adición de agente antiespumante o instale un rompedor mecánico de espuma.
• Cambios en la morfología celular: Esto podría deberse a cambios en el estrés de cizallamiento o los gradientes de nutrientes. Optimice el diseño del impulsor, la velocidad de mezcla y las estrategias de alimentación.
• Inestabilidad del producto: Esto podría deberse a cambios en el pH, la temperatura o la presencia de enzimas degradantes. Optimice los parámetros del proceso y agregue estabilizadores al medio.

Tendencias futuras en la ampliación de escala de la fermentación

El campo de la fermentación está en constante evolución. Algunas de las tendencias clave que están dando forma al futuro de la ampliación de escala de la fermentación incluyen:

• Fermentación continua: La fermentación continua ofrece varias ventajas sobre la fermentación por lotes, incluida una mayor productividad, menores costos operativos y una calidad de producto más consistente.
• Biorreactores de un solo uso: Los biorreactores de un solo uso eliminan la necesidad de limpieza y esterilización, reduciendo el riesgo de contaminación y simplificando las operaciones.
• Control avanzado de procesos: Se están utilizando técnicas avanzadas de control de procesos, como el control predictivo basado en modelos (MPC) y el aprendizaje automático, para optimizar los procesos de fermentación en tiempo real.
• Biología sintética: La biología sintética se está utilizando para diseñar microorganismos con capacidades metabólicas y productividades mejoradas.
• Comunidades microbianas: Explotar las comunidades y consorcios microbianos puede desbloquear nuevas rutas metabólicas y mejorar la eficiencia de los bioprocesos.

Conclusión

La ampliación de los procesos de fermentación comercial es un paso complejo pero esencial para llevar los bioproductos al mercado. Al considerar cuidadosamente los factores clave discutidos en esta guía, incluido el diseño del biorreactor, la optimización del proceso, el monitoreo y control, la garantía de esterilidad y el control de la espuma, las empresas pueden ampliar con éxito sus procesos de fermentación y lograr una calidad y un rendimiento consistentes del producto. Adoptar nuevas tecnologías y metodologías, como QbD, CFD, modelos a escala reducida y control avanzado de procesos, mejorará aún más la eficiencia y la robustez de las operaciones de fermentación comercial en todo el mundo.