Capítulo 7 6.1. INTRODUCCION. La evolución normal de todo proceso biotecnológico (desde su concepción hasta la operación a escala comercial del mismo) tiende a seguir las siguientes escalas o niveles de operación: nivel laboratorio, nivel semipiloto o piloto y nivel de producción. En el nivel de laboratorio se pretende demostrar o alcanzar la factibilidad técnica del proceso; el nivel piloto o semipiloto tiene como finalidad reafirmar la factibilidad técnica y visualizar la factibilidad económica del mismo y por último, el nivel de producción tiene como objetivo la comercialización redituable de dicho proceso. En cada nivel existirán especialistas encargados del desarrollo de las tareas correspondientes. A nivel laboratorio, en el que la factibilidad técnica es premisa y la investigación básica es fundamental, existirán Bioquímicos, Microbiólogos, Genetistas, Químicos Analíticos, etc. Es en esta etapa en la que deben estudiarse los efectos de las distintas variables de operación (calidad y composición del medio de cultivo, fuerza iónica o pH del mismo, tipos de microorganismos -genéticamente manipulados o no-, temperatura, concentración de CO 2 y O 2 disueltos, fuerza de corte ejercida por la agitación, potencia de agitación, K L A del sistema de fermentación, etc.) sobre los rendimientos y concentración máxima de producto alcanzada. Por su parte, en el nivel piloto como en el comercial, se agregarán a los anteriores los Ingenieros Químicos, Ingenieros Bioquímicos o Biotecnólogos que serán los principales encargados de realizar el escalado de los datos (obtenidos a nivel laboratorio) a planta piloto y a escala comercial. Si bien anteriormente se conoció a los eventos asociados con el cambio de escala como "escalamiento" sin importar si se pasaba de una escala menor a una mayor o viceversa, actualmente debe hacerse la distinción entre "escalamiento" y "modelamiento", el primero aplicado al paso de un nivel menor a uno mayor y el segundo, al caso contrario. La presente sección se ajustará a estas definiciones. En virtud de la naturaleza única y extremadamente compleja de los procesos biotecnológicos (Tabla 1), escalamiento y problemas van de la mano, tan es así que puede afirmarse que durante el 1 escalamiento siempre habrá problemas de una u otra índole . Sin embargo, la pregunta que debe hacerse es: ¿La naturaleza de los problemas son de tales dimensiones que el éxito queda fuera del alcance del hombre? En definitiva la respuesta es no, sin embargo entonces, ¿Por que es tan importante alcanzar el éxito en el escalamiento? Actualmente existen varios y distintos procesos biotecnológicos exitosos a escala comercial (producción de antibióticos, aminoácidos, vitaminas, biopolímeros, edulcorantes, saborizantes, etc. por vía fermentativa). El éxito debe analizarse desde dos puntos de vista: el científico y el comercial o industrial. Para alcanzar el primero deben mantenerse en ambas escalas todos los parámetros que caracterizan al proceso, tales como velocidades de transferencia de masa y de calor, velocidades de movimiento del fluido, gradientes de concentración y de temperatura, etc., mientras que el éxito industrial se alcanza cuando los volúmenes y costos de producción traen consigo ganancia y competitividad comercial a pesar que no se mantengan algunas relaciones de proceso en el escalamiento, este éxito comercial puede verse entonces desde el punto de vista tiempo y dinero. Definitivamente habrá que apegarse a lo dicho en 2 la literatura " com eta sus erro res en pequ eñ a escala y obt enga sus beneficio s en g ran escala" . No pueden realizarse a nivel industrial estudios sobre optimización de rendimientos y productividades, de modificaciones del medio de cultivo con fines de observar el efecto sobre la calidad y cantidad de producto producido, etc., sin el consecuente riesgo de que los altos insumos de materias primas, energía y mano de obra, afecten severamente la economía de la empresa. Lo anterior deja al descubierto la importancia del escalamiento en el desarrollo comercial de un determinado proceso biotecnológico.
TABLA 1.- CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS MICROBIANOS Y DEL CULTIVO DE CELULAS. CARACTERISTIC
BACTERIAS
A
Ti empo de duplicación. Viscosidad.
CULTIVO DE CELULAS ANIM ALES O VEGETA LE S. Alto (días)
Corto
Intermedio
Normalmente baja Bajo
Frecuentement e problemática Bajo a intermedio. Moderada Moderado
Baja Alto (10:90)*
Suspensión Intermedia
Sólido o suspensión Muy baja
Baja a intermedia Bajo a alto
Puede representar un problema Alto a muy alto
Costo del m edio de cultivo. Resistencia al corte. Alta Moderado Costo de los procesos " corr iente (50:50)* abajo" . Suspensión Ti po de cultivo. Alta Concentr ación del pr odu cto de i nter é s. Nada a baja Agregación. Valor del producto.
HONGOS MOHOS
Bajo a intermedio Muy alta
Baja Alto
Intermedia a Usualmente baja Concentración alta celular. Nada a baja Nada a baja Frecuentemente Probabil idad de representa problema contaminación. Usualmente Ocasionalment Algunas veces Estabilidad a estable e problemática problemática gené tica. *)Relación de costos: Síntesis/Recuperación del producto. a)Si ha sido modificado genéticamente, la estabilidad de los plásmidos frecuentemente representa problemas. Todas las etapas que conforman dicho bioproceso (preparación del inóculo o semilla, preparación y esterilización de las materias primas, fermentación, recuperación y purificación del producto, etc.), deben ser escalados, no obstante, la presente sección tratará exclusivamente con el traslado de datos cinéticos obtenidos en una escala menor a una mayor, tendientes a un eficiente diseño del biorreactor de nueva escala (escalamiento de biorreactores). Para una revisión más amplia sobre escalamientos de procesos biotecnológicos consultar la referencia 1. 3,4,5
A pesar que en la literatura se encuentran distintas acepciones de escalamiento , aquí se considerará a la siguiente como la más adecuada: escalamiento es el conjunto de metodologías y técnicas complejas empleadas para transferir a escala de producción, un proceso de fermentación desarrollado a escala de laboratorio o planta piloto. En un amplio sentido, el escalamiento se refiere al estudio y explotación de los efectos de la escala sobre los parámetros de fermentación, tanto físicos como biológicos. Por lo tanto, se desprende que el objetivo debe ser el de mantener o prever en el nivel industrial, las características de producción del sistema biológico o bioproceso obtenidas a, nivel laboratorio o planta piloto y puesto que es en el biorreactor en donde se efectúan las biotransformaciones (el corazón del proceso), su escalamiento tendiente a un diseño eficiente, es papel fundamental. De los comentarios anteriores, se desprende que el escalamiento es un trabajo interdisciplinario e integrativo de conceptos y metodologías de las Ingenierías Química y Bioquímica, de la Fisiología Microbiana, etc.
Por lo general, para aquellos procesos cuyos productos son utilizados en el sector médicofarmacéutico, la eficiencia del biorreactor no es considerada como crítica en la economía del mismo debido a la naturaleza de la industria que es de un producto de "bajo volumen de producción y alto valor agregado". En estas industrias, la eficiencia de los equipos de separación y purificación del producto son más críticos en la economía del proceso que la eficiencia de conversión de las materias primas a producto (fermentación), sin embargo, para muchos procesos biotecnológicos de "bioconversión" (proteína unicelular, etanol, acetona, etc.), la eficiencia del biorreactor sí es considerada como un factor crítico debido a la naturaleza de los productos que son de "alto volumen de producción y bajo valor agregado". Esto hace que en los procesos de "bioconversión", el escalamiento del biorreactor juegue un papel crítico en el desarrollo del proceso. Los procesos que tienen como base el crecimiento de un cierto grupo de microorganismos o de células en suspensión en un fermentador para el desarrollo del producto, presentan distintos tipos de problemas al trasladar el proceso de una escala a otra. Algunos factores permanecen inalterables, mientras que otros son muy susceptibles a la escala en la que se llevan a cabo. Los factores químicos (concentración de nutrientes, actividad acuosa, etc.) son, por lo general, mucho menos sensibles a la escala que los factores físicos (transferencia de masa y de calor, calidad de mezclado, consumos de potencia, 6 etc.) . Un ejemplo clásico de cómo cambian algunos factores físicos con la escala del biorreactor, es el cambio de la relación "área/volumen" (a/V) al mantener similitud geométrica en el escalamiento. El área referida en la relación anterior se puede tomar indistintamente como el "área transversal (a t)" o el "área lateral (al)" del fermentador. Si éste es cilíndrico con diámetro D T y altura HT, el área 2 transversal es proporcional a "(D T) " (puede demostrarse fácilmente que el "a l" es igualmente proporcional al cuadrado del diámetro del tanque si se toma una relación determinada "H T/DT"), 3 mientras que el volumen es proporcional a "(D T) ", por lo que la relación "área/volumen" (a t/V o al/V) relevante en la transferencia de masa y de calor, es proporcional al recíproco del diámetro del tanque (a/V 1/DT). Por esta razón, cuanto más grande sea el fermentador menor superficie específica tendrá y mayores serán los problemas de transferencia. Los procesos de transporte (calor, masa y momento) se ven afectados fuertemente por la escala, estos cambios en las velocidades de transporte constituyen uno de los mayores problemas en el escalamiento. Existen mayores dificultades en el escalamiento de procesos aeróbicos que de los anaeróbicos y mayores en sistemas de cultivo continuo y alimentado que en el del cultivo por lote. La escala, al afectar los procesos de transporte, modifica substancialmente el ambiente en el que se desarrollan los microorganismos con consecuencias importantes en el comportamiento de los mismos (los rendimientos y productividades del sistema microbiano generalmente disminuyen al escalar un proceso). A escala pequeña, sistema que se acerca mucho al estado ideal de "mezclado perfecto", los gradientes de concentración, presión y temperatura, prácticamente no existen, no obstante, a nivel industrial es muy probable la existencia de tales gradientes, sobre todo los de presión y concentración. Como ejemplo de la presencia de tales gradientes en fermentadores de gran escala, se puede mencionar que en el fermentador de tipo "Air-lift" de "ciclo presurizado" que construyó la Imperial Chemical Industries de Inglaterra, los gradientes de presión y de concentración de oxígeno disuelto son grandes como consecuencia de la presión hidrostática ejercida por la altura del medio de cultivo (aproximadamente 5 atmósferas) y de la presión de cabeza de operación en el fermentador (1 a 1.5 7 atmósferas) . Es de esperarse que los microorganismos al estar sujetos a tales gradientes, modifiquen substancialmente sus patrones de crecimiento y producción. De hecho, Onken, U. y 8 colaboradores , han encontrado que en este tipo de biorreactores los rendimientos celulares disminuyen en comparación a otros de tipo convencional, por lo que sugieren que tales biorreactores se empleen en procesos de tratamiento aerobio de aguas ya que así se produce menor cantidad de "lodos" por unidad de carga orgánica. Por otro lado, en fermentadores tanque-agitado a escala industrial, los esfuerzos de corte son mayores que los desarrollados a escala de laboratorio y pueden, igualmente, afectar negativamente
el comportamiento del microorganismo, sobre todo de los más sensibles como los formadores de 9,10 "flóculos" o "conglomerado" de células y de hongos miceliares . Como puede verse, el escalamiento de un proceso fermentativo es de naturaleza compleja en el que, como se dijo con anterioridad, es necesaria la participación de profesionales de las distintas ramas de la Ingeniería y las Ciencias Biológicas. 6.1.1. DESARROLLO HISTORICO.
Puesto que el desarrollo "formal" de los procesos biotecnológicos nació en la época de gran auge de la Ingeniería Química, los equipos, procesos y metodologías que se aplicaron en un principio fueron adaptados de los utilizados en esta industria. Sin embargo, conforme los conocimientos básicos e ingenieriles que gobiernan los procesos biotecnológicos se fueron incrementando y profundizando, nacieron nuevas metodologías para el escalamiento. En la literatura se encuentran multitud de ejemplos en los que describen dichas metodologías, en las que la controversia y los distintos puntos de vista son cosa común. 6.1.1.1. METODOS DE ESCALAMIENTO. 5
En la revisión efectuada por Kosen y Oosterhuis , se mencionan los siguientes métodos de escalamiento:
Método fundamental.
Método semifundamental.
Análisis dimensional.
Prueba y error.
Empirismo.
De los cuales solo se mencionarán las características más relevantes. En el método fundamental deben establecerse los "microbalances" de todos los procesos de transferencia (calor, masa y momento), con la finalidad de obtener las ecuaciones de escalamiento. Sin embargo, el establecimiento de tales microbalances para sistemas industriales reales en los que no prevalecen las condiciones que lo faciliten, es terea prácticamente imposible de realizar (excepción hecha para sistemas con células o enzimas inmovilizadas en reactores tubulares con flujo tapón), se vuelve prácticamente imposible de realizar. El método semifundamental por su parte, al realizar simplificaciones en las ecuaciones de transferencia, se vuelve más práctico, sin embargo, es importante recalcar que, como ya ha sido mencionado anteriormente, los procesos de transferencia son muy dependientes de la escala, por lo que si las ecuaciones son obtenidas a escala pequeña, sin tener en consideración lo anterior, el método resulta muy riesgoso. El análisis dimensional es, en principio, una técnica con la que se puede obtener información útil aunque parcial, acerca de las relaciones aplicables a las variables que caracterizan a un sistema físico dado. A pesar de su utilidad, presenta serias limitaciones que también ya han sido mencionadas en párrafos precedentes (es imposible conservar todos los grupos dimensionales durante el escalamiento, el mantenimiento de algunos de estos puede estar en contraposición a la economía del proceso global, etc.). Por su parte, el método de prueba y error solo es adecuado para la optimización gradual de procesos, mas no para el escalamiento. Dada la dificultad práctica de la aplicación directa de los enfoques o métodos de escalamiento mencionados anteriormente, el escalamiento empírico ha mostrado su bondad (métodos basados en la experiencia). Los trabajos pioneros se centraron en obtener relaciones físicas en los tanques de fermentación para dilucidar los efectos que sobre el coeficiente global de transferencia de masa (KL A), la fracción de gas retenido( ), el consumo de potencia por unidad de volumen (P/V), el número de Reynolds (Re), etc., presentaban la geometría y el tipo de impulsor, las relaciones geométricas del tanque, las características fisicoquímicas de los medios utilizados, las condiciones de aireación o no 11 a 22 aireación del líquido en el tanque, etc. . Posteriormente, se relacionaron algunos de estos parámetros con los rendimientos celulares y productividades alcanzadas en los
procesos de fermentación, para dilucidar aquel que fuera más crítico. Con estos estudios se abordó más seriamente el escalamiento ya que se intentaba asociar las características de producción -que refleja la naturaleza biológica del sistema- con los aspectos físicos del sistema (Lo que Aiba y 23 colaboradores manejan como "Bases de escalamiento"). No obstante, a la fecha, no se puede decir con exactitud que exista una "receta de cocina" única, funcional y que garantice el éxito en el escalamiento, sino que de acuerdo a la experiencia que se tenga del proceso en particular, de la estrecha interrelación existente entre los ingenieros, microbiologos, genetistas, etc., la estrategia de escalamiento puede ser adecuadamente establecida.
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