Guía para el escalamiento de fermentadores aeróbicos

Blgo. Luis Pollack Chinchay

Escalamiento¿Por qué?

< 10 000LBaja concentración de producto

Remoción de calor Transferencia de masa de

oxígeno Contaminación con

microbios externos

No es fácil

Guía: Ing. Químicos

Selección de una base de diseño

Duración de la fermentación

Microorganismo

Producto

Modo de operación:

Discontinuo.

Lote alimentado

Continuo

Factores a tener en cuenta

Título.ExpresiónV diario

Tasa de crecimientoO2

Evaluación del equipo

Componentes estándar:1.- Tanque de fermentación.2.- El agitador e impulsor.3.- Intercambiadores de calor.4.- Cierres (sellos).5.- Válvulas.

Otros:1.-Sistemas clean-in-place (CIP) (Limpieza local).

2.- Sistemas steam-in-place (SIP) (vaporización local)

3.-Tanques auxiliares para el control de pH y espuma.

4.- Tubos de ingreso.

5.-Sistemas de control e instrumentación.

Según las CGMP:

Instalaciones

Equipo

Documentación

Operación

Mantenimiento

Current Good Manufacture

Practices

FDA

Guías y requisitos mínimos de diseño

Diseño del tanque de fermentación

Estilo más usado

Factores a tener en cuenta:Operación monoséptica (18h-30 días,

según el tipo de fermentación).Operación confiable, repetible, estéril y

automatizada.

Razón de apariencia del tanque

H/D: 1,2-3

Agitación

Un fermentador genérico debe ser:

Térmicamente resistente: soportar la temperatura mínima de esterilización de 250 ºF (121ºC)

Resistente a la presión: presión interna de 45-psig y una presión al vacío total de -14.7 psig

Construidos con acero inoxidable 316L presentan un acabado de pulimento mecánico interno de 2B-mill o 25 Ra

Componentes de limpieza

-Válvulas diafragma higiénicas para el drenaje de fondo deben tener puertos CIP y SIP.

-Debe vaporizarse la línea de transferencia antes de retirar el producto del fermentador.

-Las superficies húmedas deben tener un acabado suave para facilitar la limpieza.

-Debe eliminarse las hendiduras o rajaduras.

Agitador e impulsor

DA = DT/3

DD = DA*2/3

AP = DT/10

HA = DT/12

HB = 1.2*DA

Cizallamiento

Mezcla bruta

HOMOGENEIDAD / DISPERSIÓN DE AIRE

Capacidad de transferencia de oxígeno del impulsor.-Cantidad de gas disuelto.- Al aumentar, disminuye la densidad del líquido y por lo tanto la cantidad de potencia transferida al fluido. -Aumento de potencia, espuma-Espacio superior (gas retenido, espuma).- Entre20-30% del volumen total del fermentador.-Número de potencia.-

-El diámetro y la velocidad del impulsor son importantes consideraciones del diseño de los sistemas de agitación. Comúnmente para fermentaciones microbianas se especifica una razón diámetro del impulsor-diámetro del tanque de 0,3-0,5. La razón es típicamente más baja en biorreactores de cultivo celular, donde las células son mucho más susceptibles al cizallamiento

53.

.

DN

gPNp c

Requerimientos de energía

Intensidad y tiempo de mezcla

Dinámica computacional de

fluidos

Intensidades de mezclaPatrones de fluido Perfiles de velocidad

Configuración de impulsores Geometrías de tanque

Tiempo de mezcla

Grado de homogeneidad

deseado

Agitación y transferencia de oxígeno

OUR ≈ OTRTasa de

ingesta de oxígeno

Tasa de transferencia de

oxígeno

meanCCKOTR LLalog*

Kla = coeficiente de transferencia de masa h-1

C* = concentración de oxígeno en equilibrio con la presión parcial de oxígeno en la fase gaseosa bruta, milimoles /L.

CL = Concentración del oxígeno disuelto en el caldo de fermentación, en milimoles /L

Estrategia para un escalamiento exitoso

1º criterio: Igualar OUR a OTR (oxígeno no debe ser limitante).Formas de aumentar OTR: Potencia, presión, inyección de oxígeno puro.

2º criterio: Usar KLa, el coeficiente de

transferencia de masa en la interface líquido-aire (riesgo de sobredimensionamiento)

Posición del eje y del motor

del agitador

Parte inferior

Aumentando accesibilidad.Posibilita uso de ejes más cortos Requiere estructuras de soporte físico más

simples Crea un espacio un espacio de cabecera

(sistema de cañerías y de captura de gases retenidos en el líquido)

Reduce el requerimiento de altura vertical.

Posición del Difusor

Distancia del impulsor más bajo:3/4 del diámetro del impulsor.

Formación de espuma.Cubierta de aireSistema offgas (controlar la presión y reducir la espuma), Antiespumantes Disruptores mecánicos

Formación de vórtice : Deflectores –un (ancho : 1/10 DT)

Sello:

Mecánicos dobles, lubricados con vapor o condensado.

Material: Según número de ciclos térmicos de la esterilización (carburo-tungsteno con base estacionaria del mismo material, o sellos de carbono con bases rotatorias de carbono

Sistemas de servicio

Transferencia de calor. Calor generado: Experimentalmente o con fórmula de Cooney et al:Donde:

Qf = desarrollo del calor (kcal/L-h)

OUR = tasa de ingesta de oxígeno (milimol/L-h)

OUR0.12Qf

Medios para dispersar el calor:Camisa. (puede resultar insuficiente)Serpentines. (de elección para

tanques a gran escala)Platos (demandas muy grandes de

calor) (Por pérdida de dimensionar al

tanque con un 10-20% de exceso sobre el volumen “con gas”)

Intercambiadores de calor externos

Gases limpios.- Sistema de entrada de gas :-0.2 a 1.5 vvm a condiciones de gas estándar (0ºC, 14,7 psia).

Filtros con tamaño de poro controlable y esterilizables que presentan bajas caídas de presión (filtros hidrofóbicos de cartucho, tamaño de poro de 0.2-μm, esterilizados con vapor.)

El sistema de venteo de gas contiene una válvula de retro-presión que mantiene la presión positiva sobre el fermentador, y está usualmente canalizado hacia un área externa para la dispersión de olores molestos.

Seguridad y contención

Nivel de Bioseguridad Uso Descripción

La contención a gran escala de nivel de bioseguridad 1 (BL1-LS)

Cepas bien definidas y caracterizadas de microorganismos viables (o agentes recombinantes) que no están vinculados a enfermedades en humanos y suponen sólo un riesgo biológico mínimo para el personal o el ambiente.

Requiere un sistema cerrado.Puede combinarse con la inactivación del microorganismo en una tanque separado.

La contención a gran escala de nivel de bioseguridad 2 (BL2-LS)

Agentes recombinantes de riesgo moderado (ejemplo Salmonella cholerasius) que se dispersan principalmente por ingestión, inoculación y posiblemente mediante aerosoles.Evita la exposición de los operadores a la fugas microbianas en el ambiente.

Requiere tanto un sistema cerrado y contención secundaria de los ejes de bomba rotatorios, ejes sellados al agitador, y válvulas de muestreoPuede combinarse también con la inactivación en un tanque separado.

Válvulas

Válvula diafragma higiénicaVálvula de bola (operación cíclica con fluidos SIP y CIP)Válvula de muestreo (dispositivo para ser sometida a

vapor)

Flush-mounted diaphragm sampling valve, preferidas en aplicaciones higiénicas porque eliminan las etapas (espacios)muertas. Variación de diseño: abrazadera sanitaria de 2in. en la base la válvula.

Válvula de aguja (needle valve ): Aplicaciones de control de flujo variable, especialmente donde están involucradas altas velocidades de fluido. Una aplicación típica podría ser el control de flujo o retro presión en torrente estéril adicional. (sterile addition stream)

Agregados estériles

Los agregados estériles al medio, que incluyen nutrientes termolábiles tales como vitaminas o enzimas, son usualmente realizados en el plato de cabecera usando una válvula de bloque de doble aislamiento en-línea (inline double-isolation block valve). La cual permite mantener al tanque fuente, la línea y el puerto asépticos, mientras que se lleva a cabo el agregado. Esterilizar el puerto directamente y mantenerlo bajo presión positiva. Los sistemas de inyección de vapor deberían emplear válvulas de bloque (bloqueo) e incluir líneas separadas para la remoción de condensados.Tubos de entrada.- Entradas no espumantes (NFI) o tubos sumergibles (diptubes), o ambos, pueden ser necesarios para la adición de ciertos nutrientes o inóculos. Una FI minimizará la formación de espuma de los fluidos proteínicos, tales como el suero bovino fetal, y puede ser instalada en el plato de cabecera y dirigida hacia la pared lateral del fermentador usando un codo en declive. Durante el diseño e instalación de las NFIs y los tubos sumergidos, es necesario tener en cuenta la posibilidad de descarga estática durante la adición del fluido. Un método preventivo es situar el tubo a la misma altura que la línea tangente superior del tanque, y a una distancia de la pared lateral que mida aproximadamente ¾ del diámetro del tubo. El tubo debe apuntar hacia la pared lateral. El extremo superior del tubo debe estar diagonalmente cortado, de modo que esté más lejos de la pared que del fondo del tubo. Esto reduce la formación de espuma del líquido durante la adición. En una instalación detallada, el tubo sumergido debe ser colocado verticalmente dentro del tanque, con una salida de aproximadamente 6pulg o menos desde el fondo del tanque.

Inoculación

Válvula positive shut-off

1-10% tamaño del tanque