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Bioprocesos II

Tema:

Escalado: scale-down

Universidad Nacional de Quilmes

Roque Senz Pea 352

Bernal, 2010

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Escalado de bioprocesos Los bioprocesos se desarrollan e implementan de diferentes

maneras, en sus escalas de laboratorio, piloto, y manufactura El escalado puede definirse como el procedimiento para disear y

construir un sistema de GRAN ESCALA base de los resultados de experimentos con equipamiento de PEQUEA ESCALA

El desempeo de los bioprocesos es afectado por varios parmetros: El diseo geomtrico Las variables de operacin Propiedades del fluido Procesos de transporte Cintica de los organismos

El diseo de un prototipo optimizado para lograr la mayor produccin debe ser transladado a gran escala, considerando toda esta complejidad de parmetros (esto es el Objetivo del escalado)

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Efectos que puede tener el cambio de escala:

Disminucin del rendimiento

Cambio de cintica

Efecto de la esterilizacin

Efecto del inculo

Problemas de transporte (homogenizacin)

Cambiando del laboratorio a la

produccin

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La informacin sobre la cintica referido al metabolismo del cultivo o microorganismo obtenido a pequea escala es independiente de la escala (pH, temp, medio de cultivo, calidad de las materias primas) y no es necesario tenerlas en cuenta para determinar la estrategia de escalado

(de hecho, los fenmenos de transporte son los nicos fenmenos que son dependientes del escalado)

Las reglas generales para el escalado son una extensin de las utilizadas en los reactores qumicos, y estn basados en aquellos parmetros que se pueden mantener constantes

(nmeros adimensionales y correlaciones empricas)

Cambiando del laboratorio a la produccin

5Cantidades medibles

Para asegurar la similitud, del reactor de produccin con el prototipo, se debe cumplir con la condicin de ser geomtricamente similares

en sus lmites fsicos (mismo tipos de reactores)

en sus dimensiones, xej H/D

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Escalado en tanque con agitacin

Mediante el anlisis dimensional se han establecido varias correlaciones sobre la prediccin de las dinmicas de fluido caractersticas del reactor (gas holdup, velocidad del lquido, tiempo de mezclado, y coeficiente de dispersin axial) y del coeficiente de transferencia de masa y calor (factores fsicos).

Aunque algunos de estos factores fsicos pudieran comportarse en forma similar en procesos de produccin, es dificultoso conservar su similitud con el cambio de escala, si adems se suma la presencia de un proceso biolgico.

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Criterios de escalado

Los ms tpicos son:

Mantener constante la potencia por volumen utilizada, P/V Mantener constante el coeficiente volumtrico de transferencia de masa, kLa Mantener constante la velocidad de la punta de las paletas del agitador, n . d Mantener constante el tiempo de mezclado Mantener constante el nmero de Reynolds, Re

En los casos de procesos donde el producto es muy viscoso (plsticos, polisacridos) o el crecimiento es filamentoso, la limitacin la plantea la relacin P/V (o la agitacin) del fluido

En general en el caso de procesos aerbicos (como produccin de amino cidos, levaduras de panificacin y antibiticos) se debe mantener constante la transferencia de oxigeno (kLa) como objetivo del escalado

Se estima que un tercio de los proyectos de produccin emplean la regla de mantener P/V, aprox 20% usan la velocidad de la punta del agitador, otro 20% de lasplantas industriales realiza sus escalados en base al tiempo de mezclado. El resto de los escalados utiliza la concentracin de sustrato o producto limitante o inhibitorio, ms comunmente sobre la base de la concentracin del oxgeno disuelto

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Igual consumo de potenciaBasado en la historia prctica del escalado, la mayora de los procesos fermentativos para la produccin de alcohol y cidos orgnicos han seguido el concepto de la similitud geomtrica y mantener constante la relacin de potencia por volumen

Para el consumo de potencia en un tanque agitado existe una relacin fija entre la velocidad (N) y el dimetro del agitador (Da)

Esta relacin esta expresado en la siguiente ecuacin:

P = . N3 Da5 para Re > 104

V Da3

Igual Potencia por volumen

Del consumo de potencia en un biorreactor de escala pequea (de laboratorio) la velocidad de agitacin necesaria es calculada para la razn o tasa de escalado

La siguiente ecuacin expresa la relacin de tamao de agitador y velocidad de agitacin en bioreactores pequeos (de Laboratorio) y grandes (de Produccin)

NL3 DaL2 = NP3 DaP2

P potencia = W

N velocidad del agitador = s-1

Da dimetro agitador = m

V volumen del reactor = L

densidad del fluido = kg . m-3

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Algunos fundamentos fsicos del escalado

Para consideraciones del principio de similitud, la correlacin de desempeo para una geometra dada se escribe la siguiente ecuacin:

P potencia = W

n velocidad del agitador = s-1

Di dimetro agitador = m

V volumen del reactor = L

densidad del fluido = kg . m-3

Ne = f ( Re, Fr, Q )

La fuerza de agitacin que produce el campo de flujo tridimensional puede ser calculado con el nmero adimensional de Potencia

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Velocidad de agitacin constante

La velocidad de agitacin es proporcional al dimetro del agitador a la potencia 2/3

NP = NL DaL 2/3

DaP

En forma equivalente esto es igual para la velocidad de rotacin del agitador de un tanque grande el cual estar en relacin a un tanque pequeo

rpmP = rpmL DaL 2/3

DaP

N velocidad del agitador = s-1

Da dimetro agitador = m

NL3 DaL2 = NP3 DaP2

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Criterios fsicos de escalado

El escalado basado en mantener constante una condicin de operacin tienen diversos efectos sobre las otras cantidades. No es posible conformar o cumplir con varios de los criterios en forma simultnea.

Por eso se hace necesario restringirnos a solo algunas similitudes parciales.

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Scale down

Proveer un sistema experimental mas pequeo que replique las condiciones que existen en la gran escala.

Imitar o reproducir las instalaciones a una escala mas chica

Los parmetros pueden ser evaluados mas rapidamente, y a menor costo

Los clculos usados en scale down son los mismos que para el scale up

13Optimizacin de las condiciones de cultivo de clulas CHO

Este ejemplo: produccin de anticuerpos monoclonales en cultivo clulas CHO (Chinese hamster ovary).

Objetivo: optimizar las condiciones de crecimiento para maximizar su produccin de Mabs.

Sistema: scale-down en reactores paralelos (Dasgip), 4 recipientes de 700 ml, con control de temperatura, CO2, pH (dosificacin de 1M HCl o 1M NaOH, y O2 (mezclador de gases).

C. Sellick et al. Faculty of Life Science, University of Manchester, UK.Genetic engineering & biotechnology news. Vol 29, N17, Oct 1, 2009

Para desarrollar de los sistemas de produccin se usa el modelo de reactores scale-down, para reproducir lo que sucede en los bioreactores de gran escala (>5,000 L).

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En el modelo se usaron clulas GS-CHO que secretan IgG4 mAb, cultivadas en medio CD-CHO (Invitrogen, Life Technologies) en cultivos en batch.

Experimento 1: probar el efecto de la velocidad del agitador Experimento 2: probar el efecto del pH Experimento 3: probar el efecto de la temperatura Experimento 4: probar el efecto de la concentracin de O2 disuelto

sobre el crecimiento la produccin de Mabs de las clulas

Condiciones iniciales: temperatura 37C, pH 7.0, velocidad agitador 80 rpm, DO mnimo sin controlar.

15Experimento 1: efecto de la velocidad del agitador

El aumento de la agitacin produce una mas larga fase inicial, por el estrs hidrodinmico. La disminucin fue mas visible a 110 rpm.

Cuando el agitador gira a 140 rpm, el patrn de crecimiento cambia en 3 4 das, aunque la mxima densidad celular se mantiene.

Una disminucin significativa del crecimiento y nmero de clulas viables se observa incrementando el agitador a 170 rpm.

La mxima produccin de anticuerpos es similar a 80, 110, y 140 rpm, pero decrece a 170 rpm.

Condicin ptima: 80 rpm, porque combina el mejor crecimiento y la mejor produccin de mabs.

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Experimento 2: efecto del pH

El pH ptimo fue entre 7.0 y 7.2, Los valores mas altos (pH 7.6) y mas bajos (pH 6.8) resultaron en una disminucin de la tasa de crecimiento, nmero de clulas viables asi como tambin menores ttulos de anticuerpos.

Condicin ptima: los experimentos subsecuentes se llevaron a cabo a 7.0.

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Experimento 3: efecto de la temperatura

El cultivo a 34C produce una fase inicial mas larga, y un menor numero de clulas vivas. Sin embargo se observo un incremento de la fase estacionaria de 1 a 3 das, extendiendo la duracin del cultivo en 2 das. Alcanza los niveles de produccin comparables al cultivo a 37C en el da 12.

Por el contrario las clulas cultivadas a 39C crecieron inicialmente mas rpido pero alcanzaron menor nmero de clulas viables y produccin de anticuerpos.

A 30C las clulas no crecieron y simplemente entraron en un descenso continuo con una pequea produccin de Mabs.

Condicin ptima: 37C.

18Experimento 4: efecto de la concentracin de O2 disuelto

Luego de airear toda la noche con aire, el nivel inicial de DO fue seleccionado a 100%. A medida que las clulas crecan el DO en el medio fue disminuyendo.

En la condicin sin control las clulas crecieron sin intervencin, y consecuentemente el DO cay a niveles mnimos. En el resto de los reactores el controlador fue seteado para que la DO mnima no baje de la condicin deseada

Aumentando la DO result en un incremento mximo de clulas viables (de 1 x 107 a 1.4 x 107) y duracin del cultivo (desde 12 a 16 das). El incremento de la viabilidad no fue acompaado por un aumento de la produccin de Mabs.

Mientras que a 30% mejor ambos, crecimiento y productividad, esto no ocurri a los mayores niveles de DO (50% y 70%) resultando en una disminucin del ttulo de anticuerpos.

Condicin ptima: mnimo de DO 30%

19Comparacin de reactores con cultivo en frascos agitados

Se observ que las caractersticas de crecimiento y produccin en frascos agitados fueron similares a la en los primero 5 das de cultivo, condicin de DO sin control en los bioreactores.

El incremento de DO en los reactores result en una mejor del rendimiento.

Los frascos agitados no pueden mantener la aireacin apropiada para sostener la viabilidad mas all de una semana de cultivo

Los reactores paralelos es un mejor modelo para el desarrollo del sistema de produccin, y comparar con los reactores de gran escala.

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