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Explore los principios esenciales y las mejores prácticas para ampliar los procesos de fermentación comercial, del laboratorio a la producción industrial. Aprenda sobre el diseño, la optimización y la resolución de problemas de biorreactores.

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:

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:

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.

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.

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.

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.

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:

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:

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:

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:

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:

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.