Diseño del biorreactor fermentador como sistema de producción de enzimas
Diseño del fermentador, producción de enzimas y calidad de las enzimas
La forma del recipiente es especialmente importante para el diseño de los fermentadores debido a su influencia sobre el control del entorno interno del fermentador, lo cual resulta fundamental para la síntesis de las enzimas objetivo. En cuanto a la relación de aspecto del recipiente, uno más alto es preferible, ya que puede incrementar los niveles de oxígeno disuelto para los microorganismos que requieren grandes cantidades de oxígeno hasta en un 30 %. El material del recipiente también es crucial para la integridad del producto final. La mayoría de los plásticos liberan sus componentes químicos y enzimas, mientras que el vidrio borosilicatado tiene menor probabilidad de hacerlo. La elección adecuada del agitador puede ser decisiva para la mezcla. Por ejemplo, una turbina estándar de Rushton puede lograr una uniformidad de mezcla del 95 % en menos de 10 segundos, incluso con caldos muy viscosos. Para la producción óptima de enzimas sensibles, como lipasas y proteasas, es necesario controlar cuidadosamente la temperatura, manteniendo la del fermentador dentro de un margen de ±0,5 °C. Con los controles adecuados, los fermentadores modernos con alimentación automática basada en el pH pueden mantener el rendimiento dentro de un 2 %, lo cual es óptimo para la producción de las enzimas objetivo. Prestar atención al posicionamiento de los sensores deflectores para evitar zonas muertas ayudará a eliminar la acumulación de material que afecta negativamente la calidad de las enzimas objetivo.
Aeración, mezcla y gestión del estrés cortante en la fermentación sumergida.
Una buena fermentación sumergida depende fundamentalmente del equilibrio adecuado entre la tasa de absorción de oxígeno del sistema, la intensidad de mezcla y el control de las tensiones mecánicas asociadas al sistema. Un exceso de tensión cortante romperá las importantes redes miceliales, mientras que una agitación insuficiente dará lugar a zonas desprovistas de oxígeno. Los poros del difusor (sparger), cuyo tamaño suele oscilar entre 10 y 200 micrones, revisten una importancia significativa. Poros más pequeños favorecen una mayor dispersión del gas y el líquido, pero también generan un aumento de la espuma. En la fermentación fúngica, el intervalo óptimo de tasas volumétricas de transferencia de masa se sitúa entre 20 y 150, que coincide asimismo con el intervalo de mayor crecimiento fúngico. Estas tasas corresponden también al mayor crecimiento de los micelios fúngicos, al mayor crecimiento de los micelios fúngicos, al mayor crecimiento de los micelios fúngicos, al mayor crecimiento de los micelios fúngicos y al mayor crecimiento de los micelios fúngicos. Es necesario extremar las precauciones al manipular actinomicetos, ya que son muy frágiles a velocidades periféricas del impulsor superiores a 2,5 m/s. Por el contrario, las cepas de Bacillus alcanzan su mejor rendimiento en condiciones de flujo turbulento con deflectores, pero sin vórtices dañinos. Entre las innovaciones recientes en el diseño de instalaciones figura el uso de la dinámica de fluidos computacional para identificar zonas de tensión mecánica y diseñar sistemas de agitación adaptados a esas condiciones específicas. Se requieren mezcladores coaxiales especiales para gestionar el comportamiento no newtoniano de caldos ricos en polisacáridos. Las mediciones en tiempo real de la viscosidad permiten a los operadores ajustar la potencia aplicada para mantener el régimen deseado de fluido de Casson.
Cuando se trata de controlar la espuma, muchas plantas eligen agentes antiespumantes libres de silicona porque controlan la espuma sin afectar la eficiencia de la aireación ni eliminar inadvertidamente las enzimas de la solución.
Desde la cepa de laboratorio hasta la escala comercial: intensificación del proceso impulsada por el fermentador
Enzimas termoestables: operaciones en lote, lote alimentado y fermentador continuo
El tipo de proceso de fermentación seleccionado es fundamental para determinar la cantidad de enzimas termoestables que se pueden producir, así como la forma en que se controla dicho proceso. Aunque los sistemas por lotes son los más fáciles de controlar y operar, también son los menos productivos debido a la disminución de la productividad que se produce tras la fase de crecimiento exponencial. Este desafío se aborda mediante la operación por lotes alimentados, en la que los nutrientes se añaden gradualmente para favorecer rendimientos estacionarios superiores. De hecho, algunas publicaciones sobre biorprocesos informan aumentos de hasta un 30 % a un 40 % en el rendimiento de enzimas termoestables con el método por lotes alimentados, en comparación con el método por lotes. La fermentación continua es ideal para enzimas que conservan su actividad durante períodos prolongados, como ciertas proteasas, ya que proporciona una productividad óptima. Su inconveniente radica en que las operaciones prolongadas con estos sistemas tienden a incrementar la incidencia de contaminación. Por tanto, la mayoría de los fabricantes logran el mejor equilibrio entre productividad y control mediante sistemas por lotes alimentados, ya que mantienen una producción eficiente durante más tiempo que otros métodos y ofrecen un buen control sobre la velocidad del metabolismo, además de reducir el riesgo derivado de sistemas contaminados.
Supervisión en tiempo real con PAT: Proporciona un mejor control de los fermentadores y una mayor consistencia de las enzimas
La Tecnología Analítica de Procesos (PAT, por sus siglas en inglés) proporciona un monitoreo en tiempo real de los fermentadores de biocatalizadores, incluyendo oxígeno disuelto, pH, biomasa y concentraciones de múltiples metabolitos adicionales. Los sensores y los sistemas de retroalimentación brindan a los operadores datos inmediatos que les permiten modificar la aireación, los nutrientes y la agitación. Este tipo de monitoreo y control en tiempo real reduce la variabilidad entre lotes aproximadamente un 25 % y mejora la consistencia de la producción. En el caso de sustratos con enzimas termoestables, los sistemas PAT son capaces de identificar sutiles cambios de viscosidad, lo que indica el momento específico de máxima expresión enzimática. Esto permite optimizar y maximizar la recolección sin un consumo excesivo de recursos. Además, los controles automatizados de retroalimentación monitorean el esfuerzo cortante y contribuyen a preservar la integridad estructural y funcional de las enzimas producidas. Lo más importante es que los sistemas PAT son únicos en cuanto a que capturan múltiples datos de control en las mediciones necesarias para crear un control de bucle cerrado. Este es el factor clave para garantizar la consistencia de la calidad enzimática, especialmente al trabajar con producción a escala, y también permite cumplir con las directrices de las BPM (Buenas Prácticas de Manufactura).
Compromisos económicos y regulatorios en la selección de fermentadores para la producción de enzimas bajo normas GMP
Fermentadores de un solo uso frente a fermentadores de acero inoxidable: consideraciones sobre flexibilidad, costos y compromisos del ciclo de vida
En el caso de los fermentadores, la elección entre sistemas de un solo uso y fermentadores de acero inoxidable implica equilibrar la garantía de esterilidad, los requisitos de escalabilidad y las consideraciones sobre los costos del ciclo de vida, todo ello bajo las normativas GMP.
Esterilidad: no puede haber contaminación cruzada en los sistemas de un solo uso, ya que no se requiere ningún ciclo de limpieza ni esterilización; sin embargo, debe realizarse una validación exhaustiva del polímero respecto a sustancias extraíbles y lixiviadas. Los recipientes de acero inoxidable dependen de procesos validados de SIP (esterilización in situ con vapor) y CIP (limpieza in situ) para el control microbiano.
Escalabilidad: Se requieren operaciones de fabricación continua a gran volumen para la fabricación de alto rendimiento, y es aquí donde la infraestructura de acero inoxidable resulta crítica. Por otro lado, las plataformas de un solo uso son más adecuadas para la fabricación flexible de múltiples productos, donde se necesitan cambios rápidos entre campañas y menos tiempo en la configuración.
Coste del ciclo de vida: Aunque los biorreactores de acero inoxidable suponen una inversión inicial aproximadamente un 40 % mayor que la de los sistemas de un solo uso, ofrecen costes operativos por lote más bajos tras cinco años; en el caso de los sistemas de un solo uso, los costes iniciales son aproximadamente un 60 % menores, pero el coste de los materiales desechables aumenta rápidamente —especialmente a escala comercial— en la fabricación por lotes cerrados.
En cuanto a los sistemas de un solo uso, es necesario que las empresas gestionen la documentación de los materiales durante todo el proceso de producción para ensayar los compuestos extraíbles, los cuales también se clasifican según las directrices de las Buenas Prácticas de Manufactura (GMP). Los equipos metálicos también requieren documentación que respalde la evaluación de la resistencia del equipo a la corrosión, así como documentación que confirme que el equipo ha sido adecuadamente pulido/acabado. Además, los organismos reguladores exigen una revalidación completa conforme a sus requisitos específicos para los instrumentos F, E y M cada vez que las empresas deseen aumentar la capacidad de los equipos metálicos o modificar dicha capacidad para incluir sistemas de un solo uso. Es evidente que las empresas comprenden estos factores, y aquellas que realizan previamente auditorías integrales de proveedores y diseñan sistemas de calidad que «cierran el ciclo» se orientan hacia las especificaciones limitadas de compuestos extraíbles y lixiviados (EL) establecidas en las normas ICH Q5A(R2) y USP 665 para los materiales del proceso, en lo relativo al control y a las especificaciones.
Preguntas frecuentes
¿Cómo afecta el diseño de un fermentador a la biosíntesis de enzimas?
El fermentador permite un control preciso de los factores ambientales que afectan el rendimiento y la calidad de la enzima producida.
¿Cómo podría ser más eficaz la fermentación sumergida?
Mediante un control bien equilibrado de la aireación, la agitación y las tensiones aplicadas. Un control eficaz de estos factores es fundamental para obtener una viscosidad deseada, lo cual influye directamente en la producción de enzimas.
¿Cuáles son las diferencias entre las operaciones de fermentación por lotes, por lotes alimentados y continua?
Las tres operaciones de fermentación —lote, alimentada y continua— tienen sus propias ventajas. Los sistemas por lotes son sencillos, pero la productividad disminuye tras la fase de crecimiento exponencial. Los sistemas por lotes alimentados permiten la adición de nutrientes y, por tanto, favorecen mayores rendimientos. Los sistemas de fermentación continua permiten la mayor producción fermentativa, aunque conllevan un mayor riesgo de contaminación. Los sistemas por lotes alimentados parecen representar un punto intermedio en cuanto a productividad, aunque siguen ofreciendo un mayor control.
¿Cuál es la importancia de la Tecnología Analítica de Procesos (PAT) en las operaciones de fermentación?
La monitorización en tiempo real de los parámetros del proceso puede utilizarse para realizar los ajustes necesarios con el fin de cumplir con las Buenas Prácticas de Manufactura (GMP) y mantener el nivel requerido de consistencia en la producción de enzimas.
¿Cuáles son las ventajas y desventajas de los fermentadores de un solo uso y los fermentadores de acero inoxidable en la fabricación de enzimas?
Los fermentadores de un solo uso son menos costosos al principio, pero cada lote tiene un costo mayor en comparación con los fermentadores de acero inoxidable, que tienen un costo inicial mayor pero se vuelven menos costosos tras un mayor número de lotes, además de permitir una mayor escalabilidad para una fabricación de alto rendimiento más económica.