L'arte della progettazione di bioreattori: Una guida completa

I bioreattori, noti anche come fermentatori, sono il cuore di molti bioprocessi, fornendo un ambiente controllato per lo svolgimento delle reazioni biologiche. La loro progettazione è un'arte multidisciplinare, che unisce i principi dell'ingegneria chimica, della microbiologia, della biochimica e dell'ingegneria meccanica. Questa guida mira a fornire una panoramica completa delle considerazioni sulla progettazione dei bioreattori, rispondendo alle esigenze di un pubblico globale coinvolto nell'ingegneria dei bioprocessi, dagli studenti ai professionisti esperti.

Fondamenti della progettazione di bioreattori

Fondamentalmente, la progettazione di un bioreattore implica la creazione di un ambiente che supporti in modo ottimale la crescita e l'attività metabolica di microrganismi o cellule. Ciò richiede un'attenta considerazione di diversi fattori chiave:

• Miscelazione: Garantire l'omogeneità di nutrienti, temperatura e pH in tutto il reattore.
• Aerazione: Fornire ossigeno sufficiente per gli organismi aerobi rimuovendo l'anidride carbonica.
• Controllo della temperatura: Mantenere la temperatura ottimale per la reazione biologica.
• Controllo del pH: Regolare il pH per prevenire l'inibizione o il danneggiamento delle cellule.
• Sterilità: Prevenire la contaminazione da microrganismi indesiderati.

Componenti di base di un bioreattore

Un tipico bioreattore è costituito dai seguenti componenti:

• Serbatoio: Il contenitore che ospita la coltura. I materiali comunemente usati includono acciaio inossidabile, vetro e plastiche monouso.
• Sistema di agitazione: Una girante o un agitatore per miscelare il contenuto del reattore.
• Sistema di aerazione: Un diffusore (sparger) per introdurre aria o ossigeno nella coltura.
• Sistema di controllo della temperatura: Una camicia o serpentine interne per mantenere la temperatura desiderata.
• Sistema di controllo del pH: Sensori e pompe per aggiungere acido o base per mantenere il pH desiderato.
• Sistema di sensori e controllo: Monitoraggio e controllo dei parametri chiave come temperatura, pH, ossigeno disciolto (DO) e concentrazione di biomassa.
• Sistema di campionamento: Un mezzo per prelevare campioni per l'analisi.

Tipi di bioreattori

I bioreattori sono disponibili in una varietà di design, ciascuno adatto a diverse applicazioni e organismi. Ecco alcuni dei tipi più comuni:

Bioreattori a serbatoio agitato (STR)

I bioreattori a serbatoio agitato sono il tipo più utilizzato. Consistono in un recipiente cilindrico con una girante che provvede alla miscelazione. Gli STR sono versatili e possono essere utilizzati per una vasta gamma di applicazioni, dalla fermentazione microbica alla coltura di cellule di mammifero.

Vantaggi:

• Ambiente ben miscelato
• Buon controllo della temperatura
• Relativamente facili da dimensionare (scale-up)

Svantaggi:

• L'elevato stress di taglio può danneggiare le cellule sensibili
• Possono essere difficili da pulire e sterilizzare

Bioreattori Airlift

I bioreattori airlift utilizzano l'aria per miscelare e aerare la coltura. Sono particolarmente adatti per le cellule sensibili allo stress di taglio, poiché non hanno giranti meccaniche.

Vantaggi:

• Basso stress di taglio
• Design semplice
• Ideali per cellule sensibili allo stress di taglio

Svantaggi:

• Miscelazione meno efficiente degli STR
• Difficili da dimensionare (scale-up)

Bioreattori a colonna a bolle

I bioreattori a colonna a bolle sono simili ai bioreattori airlift, ma non hanno un tubo di pescaggio interno. L'aria viene insufflata direttamente sul fondo della colonna, fornendo miscelazione e aerazione.

Vantaggi:

• Design semplice
• Basso costo

Svantaggi:

• Scarsa miscelazione
• Difficili da controllare

Bioreattori a letto impaccato

I bioreattori a letto impaccato contengono una matrice solida, come perle o fibre, che fornisce una superficie a cui le cellule possono attaccarsi. I nutrienti vengono fatti circolare attraverso il letto, fornendo alle cellule le risorse necessarie per crescere.

Vantaggi:

• Alta densità cellulare
• Ideali per cellule immobilizzate

Svantaggi:

• Difficili da dimensionare (scale-up)
• Possono essere soggetti a intasamento

Bioreattori a letto fluidizzato

I bioreattori a letto fluidizzato sono simili ai bioreattori a letto impaccato, ma la matrice solida è sospesa in un flusso di fluido. Ciò consente una migliore miscelazione e trasferimento di massa.

Vantaggi:

• Buona miscelazione e trasferimento di massa
• Alta densità cellulare

Svantaggi:

• Design complesso
• Possono essere difficili da controllare

Fotobioreattori

I fotobioreattori sono progettati per la coltivazione di organismi fotosintetici, come alghe e cianobatteri. Sono tipicamente trasparenti per consentire alla luce di penetrare nella coltura.

Vantaggi:

• Utilizzo efficiente della luce
• Ambiente controllato

Svantaggi:

• Costo elevato
• Difficili da dimensionare (scale-up)

Bioreattori monouso (SUB)

I bioreattori monouso sono bioreattori pre-sterilizzati e usa e getta che eliminano la necessità di pulizia e sterilizzazione. Stanno diventando sempre più popolari nella produzione biofarmaceutica.

Vantaggi:

• Costi ridotti di pulizia e sterilizzazione
• Rischio ridotto di contaminazione
• Tempi di ciclo più rapidi

Svantaggi:

• Costo più elevato per lotto
• Preoccupazioni ambientali legate ai rifiuti di plastica

Considerazioni chiave sulla progettazione

Diversi fattori devono essere considerati nella progettazione di un bioreattore. Questi includono:

Tipo di cellula

Il tipo di cellula coltivata avrà un impatto significativo sulla progettazione del bioreattore. Ad esempio, le cellule di mammifero sensibili allo stress di taglio richiedono design di bioreattori diversi rispetto ai batteri robusti.

• Fermentazione microbica: Di solito richiede un'elevata aerazione e miscelazione per supportare una crescita rapida. Gli STR sono spesso adatti.
• Coltura di cellule di mammifero: Richiede una miscelazione e un'aerazione più delicate per evitare danni alle cellule. Sono preferibili i bioreattori airlift o gli STR modificati con giranti a basso stress di taglio.
• Coltura di cellule vegetali: Richiede formulazioni nutritive specifiche e può beneficiare di design di bioreattori specializzati come i bioreattori a nebbia.
• Coltura di alghe: Richiede la penetrazione della luce e un'efficiente erogazione di CO2. I fotobioreattori sono specificamente progettati per questo scopo.

Scala operativa

Anche la scala operativa influenzerà la progettazione del bioreattore. I bioreattori su piccola scala possono essere semplici ed economici, mentre i bioreattori su larga scala richiedono un'ingegneria più sofisticata.

Miscelazione e aerazione

Una miscelazione e un'aerazione efficienti sono cruciali per le prestazioni del bioreattore. La miscelazione assicura che i nutrienti siano distribuiti uniformemente in tutta la coltura, mentre l'aerazione fornisce l'ossigeno necessario per la crescita cellulare.

Strategie di miscelazione:

• Design della girante: Le turbine Rushton, le turbine a pale inclinate e le eliche marine sono comunemente utilizzate. La scelta dipende dalla viscosità della coltura e dall'intensità di miscelazione desiderata.
• Design dei deflettori: I deflettori (baffles) vengono utilizzati per prevenire la formazione di vortici e migliorare l'efficienza della miscelazione.
• Velocità di miscelazione: La velocità di miscelazione deve essere ottimizzata per fornire una miscelazione adeguata senza causare un eccessivo stress di taglio.

Strategie di aerazione:

• Design del diffusore: I diffusori (spargers) introducono aria o ossigeno nella coltura. Diversi design di diffusori, come quelli porosi o a ugello, possono essere utilizzati per creare bolle di diverse dimensioni.
• Portata del gas: La portata del gas deve essere ottimizzata per fornire ossigeno sufficiente senza rimuovere i composti volatili.
• Arricchimento di ossigeno: In alcuni casi, potrebbe essere necessario arricchire l'aria con ossigeno per soddisfare la domanda di ossigeno delle cellule.

Controllo della temperatura e del pH

Mantenere una temperatura e un pH ottimali è essenziale per la crescita cellulare e la formazione del prodotto. La temperatura è tipicamente controllata utilizzando una camicia o serpentine interne, mentre il pH è controllato aggiungendo acido o base.

Sistemi di controllo della temperatura:

• Camice di riscaldamento e raffreddamento: Fanno circolare acqua riscaldata o raffreddata attorno al serbatoio del bioreattore.
• Serpentine interne: Forniscono un trasferimento di calore più efficiente rispetto alle camice.
• Controllori PID: Utilizzati per regolare automaticamente la temperatura in base al feedback di un sensore di temperatura.

Sistemi di controllo del pH:

• Sensori di pH: Misurano il pH della coltura.
• Pompe per acido e base: Aggiungono acido o base per regolare il pH.
• Controllori PID: Utilizzati per regolare automaticamente l'aggiunta di acido e base in base al feedback di un sensore di pH.

Sterilizzazione

La sterilizzazione è fondamentale per prevenire la contaminazione. I bioreattori sono tipicamente sterilizzati in autoclave o utilizzando sterilizzanti chimici.

Metodi di sterilizzazione:

• Autoclavaggio: Utilizzo di vapore ad alta pressione per uccidere i microrganismi.
• Sterilizzazione chimica: Utilizzo di sterilizzanti chimici, come perossido di idrogeno o acido peracetico.
• Filtrazione: Utilizzo di filtri per rimuovere i microrganismi da liquidi e gas.

Monitoraggio e controllo del processo

Strategie avanzate di monitoraggio e controllo del processo sono vitali per ottimizzare le prestazioni del bioreattore e garantire la qualità del prodotto. Queste strategie implicano l'uso di sensori, software e algoritmi di controllo per monitorare e regolare i parametri chiave del processo in tempo reale.

Parametri chiave da monitorare:

• Temperatura
• pH
• Ossigeno disciolto (DO)
• Concentrazione di biomassa
• Concentrazioni di nutrienti
• Concentrazione del prodotto
• Analisi dei gas di scarico (CO2, O2)

Strategie di controllo:

• Controllo a feedback: Regolazione dei parametri di processo in base al feedback dei sensori.
• Controllo feedforward: Regolazione dei parametri di processo in base a cambiamenti previsti nel sistema.
• Controllo predittivo basato su modello (MPC): Utilizzo di modelli matematici per prevedere il comportamento futuro del sistema e ottimizzare le azioni di controllo.

Considerazioni sullo Scale-Up

Il passaggio (scale-up) di un bioprocesso dalla scala di laboratorio a quella industriale può essere impegnativo. È importante mantenere condizioni simili nel bioreattore su larga scala come in quello su piccola scala.

Strategie di Scale-Up:

• Similarità geometrica: Mantenere le stesse proporzioni nel bioreattore su larga scala come in quello su piccola scala.
• Potenza assorbita per volume costante: Mantenere la stessa potenza assorbita per volume nel bioreattore su larga scala come in quello su piccola scala.
• Velocità periferica costante: Mantenere la stessa velocità periferica della girante nel bioreattore su larga scala come in quello su piccola scala.
• Fluidodinamica computazionale (CFD): Utilizzo della CFD per modellare i modelli di flusso nel bioreattore e ottimizzare il design.

Tendenze emergenti nella progettazione di bioreattori

Il campo della progettazione di bioreattori è in continua evoluzione, con nuove tecnologie e approcci sviluppati per migliorare le prestazioni dei bioprocessi. Alcune delle tendenze emergenti includono:

Bioprocesso continuo

Il bioprocesso continuo implica l'alimentazione continua di nutrienti e la rimozione del prodotto dal bioreattore. Questo può portare a una maggiore produttività e a costi inferiori rispetto al processo batch.

Intensificazione del processo

L'intensificazione del processo implica lo sviluppo di bioprocessi più compatti ed efficienti. Ciò può essere ottenuto attraverso l'uso di design di bioreattori innovativi, come microreattori e bioreattori a membrana.

Automazione dei bioreattori

L'automazione dei bioreattori implica l'uso di robot e altri sistemi automatizzati per controllare e monitorare il bioreattore. Ciò può migliorare la riproducibilità e ridurre i costi di manodopera.

Analisi dei dati e Machine Learning

L'analisi dei dati e il machine learning vengono utilizzati per analizzare i dati dei bioreattori e ottimizzare le prestazioni del processo. Ciò può portare a una migliore qualità del prodotto e a rese più elevate.

Progettazione di bioreattori per applicazioni specifiche: Esempi globali

La progettazione di bioreattori non è un approccio universale. Applicazioni specifiche richiedono design su misura. Ecco alcuni esempi che mostrano l'innovazione globale:

• Produzione di biosimilari (India): Le aziende biofarmaceutiche indiane stanno investendo massicciamente in STR in acciaio inossidabile su larga scala con sistemi di controllo avanzati per produrre biosimilari a prezzi accessibili per il mercato globale. Il design enfatizza l'efficacia dei costi e l'aderenza a rigorosi requisiti normativi.
• Biocarburanti a base di alghe (Australia): Istituti di ricerca australiani sono all'avanguardia nell'uso di fotobioreattori aperti (open pond) e chiusi per la coltivazione di alghe per produrre biocarburanti. I design si concentrano sulla massimizzazione della cattura della luce solare, sull'utilizzo della CO2 e sulla produzione di lipidi.
• Carne a base cellulare (Paesi Bassi): Le aziende olandesi sono in prima linea nello sviluppo di bioreattori per la produzione di carne coltivata. Questi bioreattori, spesso sistemi basati sulla perfusione, devono supportare in modo efficiente colture cellulari di mammifero ad alta densità, minimizzando i costi e garantendo la sicurezza del prodotto.
• Produzione di antibiotici (Cina): La Cina è un importante produttore di antibiotici. Molti produttori utilizzano processi di fermentazione su larga scala in STR per produrre questi farmaci vitali. L'ottimizzazione di questi bioreattori si concentra sulla massimizzazione del titolo di antibiotico e sulla minimizzazione della formazione di sottoprodotti.
• Produzione di anticorpi monoclonali (Svizzera): I giganti farmaceutici svizzeri sono leader nella produzione di anticorpi monoclonali utilizzando colture di cellule di mammifero. I loro bioreattori sono tipicamente sistemi avanzati monouso con sofisticati sistemi di controllo e alti livelli di automazione per garantire la coerenza e la qualità del prodotto.

Conclusione

La progettazione di bioreattori è un campo complesso e impegnativo, ma è anche essenziale per molte industrie importanti, tra cui biofarmaceutica, alimentare e delle bevande, e biocarburanti. Comprendendo i principi fondamentali della progettazione dei bioreattori e rimanendo aggiornati sulle ultime tendenze, ingegneri e scienziati possono sviluppare bioreattori più efficienti, affidabili ed economici.

Questa guida ha fornito un'ampia panoramica dell'arte della progettazione dei bioreattori. Si raccomanda un'ulteriore esplorazione di tipi specifici di bioreattori, strategie di controllo e metodologie di scale-up per coloro che cercano una comprensione più approfondita di questo campo critico.