Principios para la ampliación de escala desde el laboratorio a la escala industrial en bioprocesos y requisitos de diseño para tanques de fermentación.

Introducción

La tecnología de fermentación biológica es un paso fundamental en la biotecnología y la biofabricación modernas, y se aplica ampliamente en campos como la farmacéutica, la alimentaria, la energética y la de protección ambiental. El proceso de fermentación generalmente comienza con investigación a pequeña escala en laboratorio y se expande gradualmente desde la escala piloto hasta la escala industrial a través de la producción a escala intermedia. Sin embargo, existen diferencias significativas en el volumen del equipo, las condiciones de operación y los métodos de control entre la escala de laboratorio y la escala industrial. Sin principios de escalado razonables y adecuados tanque de fermentación diseño, es muy probable que resulte en una disminución del rendimiento, contaminación por bacterias diversas o falla del proceso. Por lo tanto, una comprensión profunda de las leyes básicas de los procesos de escalado y los requisitos para tanque de fermentación El diseño es de gran importancia para la industrialización de los resultados de laboratorio.

Este artículo partirá de los principios básicos del escalado en el proceso de fermentación, detallará los métodos comunes de escalado desde el laboratorio hasta la industrialización, y los analizará y resumirá en combinación con los requisitos de diseño típicos. tanques de fermentación.

I. Cuestiones básicas de ampliación de escala en el proceso de fermentación

fermentación en laboratorio Generalmente se lleva a cabo en matraces de agitación de 100 mL a 10 L o en tanques pequeños, mientras que la producción industrial suele requerir tanques de 10 m³ a 500 m³ o incluso mayores. El proceso de ampliación de volumen no es simplemente un cambio en las dimensiones geométricas; también implica cuestiones complejas como la dinámica de fluidos, la transferencia de masa y calor, y la eficiencia de la mezcla. Los principales desafíos incluyen:

1. Disminución de la capacidad de transferencia de oxígeno: Como el tanque de fermentación Al aumentar el volumen, disminuye la superficie relativa de contacto gas-líquido, lo que provoca una reducción significativa en la tasa de transferencia de oxígeno, que puede convertirse en un factor limitante.

2. Mezcla no homogénea: El flujo en los tanques grandes es complejo, con zonas muertas y gradientes de concentración, lo que provoca una distribución desigual de los nutrientes y del oxígeno disuelto.

3. Transferencia de calor difícil: El metabolismo microbiano genera una gran cantidad de calor, mientras que la eficiencia de disipación de calor de los tanques grandes es relativamente baja. Un control inadecuado de la temperatura puede afectar la viabilidad de los microorganismos.

4. Efecto de escalado: Los problemas que no son significativos a escala de laboratorio pueden magnificarse a escala industrial, como la formación de espuma, los daños por fuerza de cizallamiento a los microorganismos, etc.

Por lo tanto, el establecimiento de principios de escalado tiene como objetivo mantener la consistencia relativa de los parámetros cinéticos clave entre diferentes escalas.

Fermentador biorreactor de sobremesa a escala de laboratorio MIKEBIO

II. Principios comunes de escalado

Actualmente, en la fermentación industrial existen varios principios y métodos principales de escalado:

1. Principio de semejanza geométrica

Mantener las proporciones geométricas de la tanque de fermentación Sin cambios, es decir, la relación entre la altura y el diámetro, así como la relación entre el diámetro de la paleta agitadora y el diámetro del tanque, permanecen constantes. Este método es conveniente para el diseño y la fabricación de equipos, pero dificulta garantizar que las condiciones cinéticas sean completamente idénticas, especialmente en lo que respecta a la transferencia de oxígeno y la eficiencia de la mezcla, donde suelen existir diferencias.

2. Principio de similitud cinética

Durante el proceso de escalado, mantenga constantes los parámetros cinéticos relacionados con el metabolismo, tales como:

• Coeficiente de transferencia de oxígeno volumétrico (k_L a): Asegúrese de que la capacidad de suministro de oxígeno sea equivalente en diferentes escalas;
• Relación potencia/volumen de agitación (P/V): Asegúrese de que el entorno de mezcla y cizallamiento sea similar;
• Relación caudal/volumen de gas (Q/V): Mantener la similitud del entorno de transferencia de masa gas-líquido.

Este método se ajusta mejor a las necesidades fisiológicas de los microorganismos, pero en la práctica, a menudo requiere hacer concesiones entre múltiples parámetros.

3. Principio de similitud de la constante de tiempo

Concéntrese en las escalas de tiempo de la transferencia de materia y energía, como el tiempo de mezcla, el tiempo de retención de burbujas y el tiempo de respuesta a la temperatura. Al controlar estos tiempos característicos para que coincidan con el tiempo metabólico microbiano, se pueden evitar deficiencias locales de nutrientes o desequilibrios de temperatura.

4. Principio de escalamiento integral

En la producción a escala industrial, un solo principio difícilmente puede satisfacer plenamente los requisitos, por lo que a menudo se adopta una estrategia integral. Por ejemplo, al tiempo que se garantiza k_L a, se deben considerar adecuadamente P/V y Q/V, y optimizar el efecto mediante la regulación del proceso, las estrategias de alimentación y el suministro de oxígeno por etapas.

III. Transición del laboratorio a la planta piloto y a la ampliación a escala industrial.

La ampliación de escala suele constar de tres etapas:

• Etapa de laboratorio: La tarea principal consiste en seleccionar cepas, determinar la formulación básica del medio y las condiciones del proceso. Esta etapa utiliza principalmente matraces de agitación pequeños y fermentadores de sobremesa.
• Etapa de planta piloto: El volumen generalmente está entre 30 y 1000 L. El propósito es probar la escalabilidad del proceso, optimizar los esquemas de agitación, aireación y alimentación, y acumular datos de ingeniería. Esta etapa utiliza principalmente fermentadores piloto.
• Etapa industrial: El volumen está en el rango de varias decenas a varios cientos de metros cúbicos. Requiere abordar cuestiones como la operación estable a largo plazo, el suministro de materia prima, el mantenimiento de equipos y el control de costos. Esta etapa utiliza principalmente grandes fermentadores industriales.

Los datos y la experiencia de cada etapa constituyen la base para el diseño y la optimización de la siguiente etapa.

IV. Requisitos básicos para el diseño de tanques de fermentación

El tanque de fermentación Es el equipo fundamental en el proceso de fermentación, y su diseño afecta directamente el crecimiento de los microorganismos y la síntesis de los productos. Un diseño adecuado del tanque de fermentación debe cumplir los siguientes requisitos:

1. Diseño estructural

• Material: Generalmente se utiliza acero inoxidable (como el 316L) para garantizar la resistencia a la corrosión y la facilidad de limpieza.
• Proporción geométrica: La relación entre la altura y el diámetro suele estar entre 2:1 y 3:1, lo que favorece la dispersión gas-líquido y la transferencia de masa.
• Accesorios para tanques: Incluyen dispositivos de agitación, sistemas de ventilación, camisas de refrigeración o serpentines internos, puertos de muestreo, sistemas de esterilización, etc.

2. Mezcla y sistema de mezcla

• Tipo de pala agitadora: Los tipos comunes incluyen palas de turbina circulares de seis hojas, palas de hélice, etc., que deben seleccionarse en función de las características del microorganismo.
• Fuerza de agitación: Debe equilibrar la eficiencia de la mezcla y la fuerza de cizallamiento, asegurando la transferencia de oxígeno y evitando al mismo tiempo dañar los microorganismos.
• Diseño de los deflectores: Normalmente, se instalan 4 deflectores para evitar la formación de vórtices en el líquido y mejorar la eficiencia de la mezcla.

3. Ventilación y transferencia de oxígeno

•  Sistema de ventilación: Incluye aireadores porosos o aireadores anulares para aumentar la dispersión de burbujas.
•  Tasa de utilización de oxígeno: El caudal de gas debe diseñarse de acuerdo con la tasa de demanda de oxígeno del microorganismo, generalmente expresada como vvm (volumen de gas/volumen de líquido·minuto).
•  Suministro de oxígeno a presión: En cultivos de alta densidad, el nivel de oxígeno se puede aumentar incrementando la presión del tanque.

4. Sistema de transferencia de calor y control de temperatura

• Camisas de refrigeración y serpentines internos: Se utilizan para disipar el calor metabólico.
• Precisión del control de temperatura: Generalmente, debe controlarse dentro de ±0,5 ℃.
• Consideraciones sobre el tamaño: Los tanques grandes tienen dificultades para disipar el calor, por lo que la zona de refrigeración debe estar distribuida de forma razonable.

5. Esterilización y requisitos de esterilidad

• Esterilización in situ (SIP) y Sistemas de limpieza in situ/CIP son indispensables;
• Todas las válvulas e interfaces deben evitar los rincones muertos para reducir el riesgo de contaminación por bacterias extrañas.

6. Control de la espuma

• Desespumante mecánico o químico: Para evitar que la espuma afecte la ventilación y la monitorización.
• Control de la conexión de la sonda de espuma: Permite la adición automática de antiespumante.

7. Automatización y monitorización

• Monitorización en línea: pH, oxígeno disuelto (OD), temperatura, velocidad de agitación, caudal de gas, etc.
• Control avanzado: como el ajuste automático del caudal de alimentación, el control de compensación de oxígeno, la recopilación de datos y el análisis del proceso.

V. Análisis de caso: Ampliación de la producción de antibióticos mediante fermentación.

Tomando como ejemplo la producción de antibióticos, los experimentos de laboratorio suelen utilizar Tanques de fermentación de 5 litros Para optimizar las condiciones del proceso. Al aumentar la capacidad de los tanques industriales a 100 m³, suele presentarse deficiencia de oxígeno. Al incrementar el número de impulsores, mejorar la distribución de los orificios de ventilación, aumentar moderadamente la presión del tanque y adoptar un método de alimentación por lotes, se puede mantener eficazmente el nivel metabólico de las bacterias en la etapa de producción a gran escala y estabilizar el rendimiento del producto.

VI. Tendencias futuras

• Con el desarrollo de la biología sintética y la fabricación inteligente, la ampliación de los procesos de fermentación y el diseño de tanques de fermentación han presentado nuevas tendencias:
• Inteligencia artificial: Utilización de redes de sensores y modelado de macrodatos para lograr predicciones y controles precisos.
• Equipos modulares: Facilitan la combinación rápida y la ampliación flexible.
• Ecológico y de bajo consumo energético: Mediante la optimización de los métodos de mezcla y ventilación, se reduce el consumo de energía y las emisiones de dióxido de carbono.
• Reactores biológicos de un solo uso: Se utilizan en algunos procesos de producción farmacéutica, evitando así los pasos de limpieza y esterilización.

Sistema de fermentación industrial a gran escala MIKEBIO 

Conclusión

La ampliación de la fermentación desde el laboratorio a la escala industrial es un paso clave para el éxito de la biofabricación. Los principios de ampliación adecuados deben considerar de forma integral factores como la transferencia de oxígeno, la mezcla y la transferencia de calor, y optimizarse continuamente en la práctica. Asimismo, el diseño de los tanques de fermentación, como equipo fundamental, debe cumplir con múltiples requisitos, como esterilidad, transferencia de masa, transferencia de calor y controlabilidad. Con el desarrollo de nuevas tecnologías, la inteligencia artificial y la sostenibilidad se convertirán en ejes importantes para la ingeniería de fermentación del futuro.

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