Optimización de procesos en biorreactores

Numerosos preparados en la industria farmacéutica son sumamente sensibles y requieren una planificación más precisa de los procesos de fabricación. La mayoría de los errores en la producción de medicamentos ocurren en las primeras etapas y provocan cambios costosos y que consumen mucho tiempo en el escalado. Al inicio del proceso de desarrollo, rara vez se considera cómo se puede integrar un paso de trabajo específico en una gran planta de producción posteriormente. Por eso, ZETA acompaña a sus clientes en todo el proceso de fabricación, desde el laboratorio hasta las diferentes fases clínicas y hasta la producción industrial. De esta manera, se logra la comercialización de los productos en el menor tiempo posible. (Fuente: ZETA Biopharma GmbH)

El bioreactor presentado en la ACHEMA es el modelo de escala reducida de un fermentador bacteriano con una relación típico de altura/diámetro de 2:1 y cuenta con la nueva sensorística para la medición de kLa. (Fuente: ZETA Biopharma GmbH)

El biorreactor presentado en la ACHEMA es el modelo de escala reducida de un fermentador bacteriano con una relación típico de altura/diámetro de 2:1 y cuenta con la nueva sensoría para la medición de kLa. (Fuente: ZETA Biopharma GmbH)

La medición en el biorreactor se realiza mediante un electrodo, que funciona como célula de medición de flujo y está conectado directamente al reactor a través de un tubo. Este método es especialmente adecuado para instalaciones existentes, ya que permite tomar muestras desde casi cualquier punto en el interior del fermentador. (Fuente: ZETA Biopharma GmbH)

Junto con Boehringer Ingelheim y la TU Hamburg-Harburg, ZETA ha desarrollado un nuevo tipo de agitador para tamaños de tanques de hasta 30.000 litros. En la ACHEMA, se presenta como un modelo a escala reducida dentro del bioreactor presentado allí. Puede ser utilizado, con modificaciones apropiadas como una doble disposición, también para grandes bioreactores industriales con un volumen de trabajo de 15 m3 y tamaños de tanques de hasta 30.000 l. (Fuente: ZETA Biopharma GmbH)

Junto con Boehringer Ingelheim y la TU Hamburg-Harburg, ZETA ha desarrollado un nuevo tipo de agitador para tamaños de tanques de hasta 30.000 litros. En la ACHEMA, se presenta como un modelo a escala reducida dentro del bioreactor presentado allí. Con modificaciones apropiadas, como un doble almacenamiento, también puede ser utilizado para grandes bioreactores industriales con un volumen de trabajo de 15 m3 y tamaños de tanque de hasta 30.000 l. (Fuente: ZETA Biopharma GmbH)

«En la industria farmacéutica, la seguridad de los medicamentos y, por ende, de los pacientes, debe garantizarse siempre», informa Thomas Maischberger, Ingeniero de Procesos y Desarrollador de Proyectos en ZETA Biopharma GmbH. «Por ello, instituciones y organismos reguladores como la FDA o la EMEA instan a los operadores de instalaciones biofarmacéuticas a comprender mejor sus procesos desde una base científica. Por eso, en el marco de un estudio sobre el valor kLa, ZETA ha desarrollado una nueva tecnología de sensores que hace que el proceso biotecnológico sea más transparente.» (Fuente: ZETA Biopharma GmbH)

En los últimos años, la industria farmacéutica ha impulsado la mejora de cepas y la capacidad de rendimiento de cultivos celulares biológicos, lo que requiere que la tecnología de los bioreactores y su control de proceso cumplan con requisitos cada vez más altos. Para preparaciones funcionales, es especialmente esencial un coeficiente de transferencia de masa volumétrica (kLa) alto. Sin embargo, los sensores de oxígeno estándar utilizados hasta ahora eran demasiado lentos para medir este parámetro y estaban muy limitados en cuanto a su ubicación en el proceso. Por ello, ZETA Biopharma GmbH desarrolló, en el marco de un estudio, un nuevo método para la medición de kLa, que será presentado en la aplicación práctica durante la ACHEMA 2018 con la ayuda de un bioreactor. La planta está equipada con dos sensores ópticos de oxígeno de alta sensibilidad y respuesta rápida, que permiten medir valores de kLa de hasta 2.000 h^-1 en cualquier posición. Dado que el bioreactor puede ajustarse con diferentes geometrías de agitadores y tipos de gasificación, funciona como un modelo de escalado descendente eficaz para fermentaciones bacterianas y cultivos de células animales, incluso en instalaciones de producción más grandes, y ayuda a optimizar la entrada de gases en la fase líquida.

En sistemas biológicos como un bioreactor, existen numerosos factores cuya influencia individual en el crecimiento de un cultivo celular no siempre puede evaluarse. De este modo, el proceso se convierte en una caja negra y resulta difícil de calcular. "En la industria farmacéutica, sin embargo, la seguridad del medicamento y, por ende, del paciente, debe garantizarse siempre", informa Thomas Maischberger, ingeniero de procesos y desarrollador de proyectos en ZETA Biopharma GmbH. "Por ello, instituciones y organismos reguladores como la FDA o la EMEA exigen a los operadores de instalaciones biofarmacéuticas que comprendan mejor sus procesos desde una base científica. Por eso, en el marco de un estudio sobre el valor de kLa, hemos desarrollado una nueva tecnología de sensores que hace más transparente el proceso biotecnológico". Con este método, es posible medir el valor de kLa en diferentes fases del proceso y en distintas posiciones dentro del recipiente.

Alto crecimiento celular mediante un contenido óptimo de oxígeno en el gel

En el diseño de bioreactores, la tasa de transferencia de oxígeno y, en particular, el coeficiente de transferencia de masa volumétrica (kLa), son importantes. Este describe la eficiencia con la que se puede introducir oxígeno en un bioreactor bajo ciertas condiciones de proceso y disolverlo en el medio. "Este valor de kLa es de gran importancia en cualquier proceso biotecnológico, ya que indica qué tan bien pueden los microorganismos en la planta ser abastecidos con gases", explica Maischberger. "A menudo, el oxígeno en gel es el elemento limitante en fermentaciones microbiológicas. Por ejemplo, la saturación crítica de aire para bacterias y levaduras está entre el 10 y el 50 por ciento". Para un crecimiento celular óptimo y una producción máxima, es importante mantener el contenido de oxígeno en gel por encima de este valor en todo el bioreactor, mediante su gasificación con aire o oxígeno puro a través de un sparger. En un proceso biológico altamente eficiente, la tasa de transferencia de oxígeno del burbujeo en el medio (OTR – tasa de transferencia de oxígeno) debe ser igual o mayor que la tasa de consumo de oxígeno por las células en crecimiento (OUR – tasa de absorción de oxígeno).

Con la expansión de instalaciones y la fabricación de nuevos reactores, la determinación precisa y oportuna del valor de kLa se vuelve cada vez más central en la planificación de procesos y mecánica. Una vez que este valor puede determinarse de forma fiable, también se garantiza que el valor crítico de oxígeno en gel siempre se pueda mantener. Durante su estudio, ZETA descubrió que los sensores de oxígeno estándar utilizados hasta ahora no podían determinar el contenido de oxígeno en gel con la rapidez necesaria para permitir mediciones en tiempo real. "Esto se debe a su membrana gruesa, diseñada principalmente para robustez y seguridad en el proceso", explica Maischberger. "Pero esto hace que la difusión de las moléculas de oxígeno sea notablemente más lenta que en los sensores que utilizamos en nuestro estudio de kLa". Además, las mediciones con sensores convencionales generalmente se realizaban en un solo punto del recipiente, en el aro de la sonda. Como ningún reactor logra una mezcla perfecta, dentro del medio no hay una distribución uniforme, lo que genera zonas con diferentes niveles de saturación. Esto puede distorsionar el resultado de la medición.

Determinación del valor de kLa en cualquier punto del bioreactor

"Por ello, investigamos las posibilidades de obtener una medición mejor de este parámetro", continúa Maischberger. "Gracias a nuestro conocimiento práctico acumulado durante años y a la aplicación exitosa en nuestro laboratorio interno y en instalaciones industriales de gran escala, hemos desarrollado la metodología de prueba adecuada". Para determinar el valor de kLa, los especialistas en soluciones de ZETA ajustaron iterativamente diferentes modelos de cálculo a las curvas experimentales de oxígeno en gel, con el fin de identificar el mejor modelo de escalado. No solo consideraron el valor de kLa, sino también el tiempo de respuesta de los sensores de oxígeno y el tiempo muerto, es decir, el intervalo entre el cambio de señal en la entrada del sistema y la respuesta en la salida.

Para caracterizar cada zona, es necesario tomar muestras representativas de la mayor cantidad posible de puntos en el recipiente. Esto permite reflejar de manera integral las condiciones físicas en el reactor. Para ello, ZETA desarrolló, en el marco del estudio de kLa, una tecnología de sensores para el método de arranque dinámico (DSM). Este determina el valor de kLa a partir de diferencias de concentración en el tiempo. En un primer paso, se elimina química o físicamente el oxígeno en gel del bioreactor y luego se vuelve a introducir de manera controlada mediante la inyección de aire. Así, es posible determinar de forma controlada el valor de kLa en puntos críticos del recipiente. La medición en el bioreactor se realiza mediante una electrodo conectada directamente al reactor a través de una toma de flujo. Este método es especialmente adecuado para instalaciones existentes, ya que permite tomar muestras desde casi cualquier punto en el interior del fermentador.

Bioreactor de escalado descendente para una optimización eficaz del proceso

El bioreactor presentado en la ACHEMA está equipado con esta tecnología de sensores. La planta mostrada es el modelo de escalado descendente de un fermentador bacteriano con una relación altura/diámetro de 2:1. La brida del agitador, especialmente fabricada, permite la incorporación de diferentes diseños y geometrías de agitadores. La medición del par motor determina la potencia consumida por los diferentes agitadores bajo distintas tasas de gasificación. También se pueden modificar los cortacircuitos para determinar su influencia en el tiempo de mezcla y la potencia consumida. El agitador magnético minimiza el riesgo de contaminación y asegura una distribución uniforme de burbujas de gas. Con modificaciones apropiadas, como un doble soporte, puede usarse también en grandes bioreactores industriales con un volumen de trabajo de 15 m³ y capacidades de hasta 30.000 litros.

El bioreactor PAT, equipado con esta nueva tecnología de medición, será presentado al público en el stand durante la ACHEMA 2018 en Frankfurt am Main, Hall 9.1, Stand D10. El valor de kLa calculado se muestra en la pantalla mediante un aumento en la concentración de oxígeno actual y se calcula en tiempo real. De este modo, se puede experimentar en vivo cómo la potencia del agitador y la tasa de gasificación afectan al valor de kLa. Además, en el stand se presentará mediante un video la unidad de agitador magnético instalada en el bioreactor. Para consultas sobre el estudio de kLa, el bioreactor PAT o el agitador magnético, Nicole Zangl (gerente de producto de tecnología de agitadores ZETA) y Alexander Lausecker (Jefe de Ventas de ZETA) estarán disponibles. Además, los clientes podrán analizar todo su proceso en la solución Path junto con el equipo de ZETA mediante una pantalla táctil.