Escalonamento do bioprocesso do laboratório à produção
Transferir um processo de uma escala para outra não é multiplicar um volume: muda a forma como a cultura recebe oxigénio, como é misturada e o esforço de corte a que está sujeita. Esta página reúne os critérios que regem uma transferência e o percurso em quatro etapas, de 250 mL a mais de 1.000 L WV, ao longo do qual a plataforma Vinci a acompanha.
Da investigação à produção, uma só plataforma
Os mesmos parâmetros e receitas Bioflex™ acompanham-no da bancada à escala industrial, reduzindo o risco de transferência entre etapas.
Biorreatores e fermentadores esterilizáveis in situ para I&D
Série BioSIP.
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Biorreatores e fermentadores esterilizáveis in situ, piloto e produção
Série BioFerm.
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Biorreatores e fermentadores esterilizáveis in situ de grande escala
Biorreatores personalizados.
Ver o sistema →Os critérios que regem uma transferência de escala
Não podem ser todos preservados ao mesmo tempo: escalar a potência específica constante dá uma velocidade periférica diferente. Escalonar é escolher qual deles manda e documentar o que se admite variar.
kLa
O coeficiente volumétrico de transferência de oxigénio é o critério mais usado nos processos aeróbios: mantém-se constante entre escalas porque determina quanto oxigénio chega realmente à biomassa. Varia com a velocidade de agitação e o caudal de gás, pelo que o mesmo valor se alcança em cada escala com uma combinação diferente dos dois.
Potência específica (P/V)
A potência dissipada por unidade de volume liga a mistura ao esforço de corte. Mantê-la constante preserva o regime de mistura, mas com o aumento do volume obriga a velocidades de agitação mais baixas — é por isso que um processo não se transfere copiando as rpm.
Velocidade periférica do agitador
É ela que determina o esforço de corte a que as células estão sujeitas. Nas culturas sensíveis — células de mamífero, biomassa micelial — é muitas vezes a restrição que prevalece sobre as outras, e decide a geometria do agitador antes da sua velocidade.
Caudal de gás específico (vvm)
Os volumes de gás por volume de líquido e por minuto não se transpõem linearmente: à escala maior, o mesmo vvm significa muito mais gás, com mais espuma e maior arrastamento de CO₂. Habitualmente escala-se a velocidade superficial do gás em vez do vvm.
Semelhança geométrica
Relação altura/diâmetro, diâmetro do agitador face ao do recipiente, número e posição das chicanas: manter as proporções entre escalas é o que torna comparáveis os dados de processo. Quando a semelhança completa não é possível, escolhe-se que relação preservar.
Tempo de mistura
O tempo de que o recipiente precisa para voltar a ser homogéneo após uma adição cresce com o volume. À escala de produção é o que decide se uma adição de base ou de nutriente cria um gradiente local de pH ou de substrato antes de se distribuir.
O que não muda quando a escala cresce
As mesmas receitas
Bioflex™ acompanha o mesmo processo do laboratório à escala industrial: receitas, sequências e perfis de alimentação transferem-se entre etapas em vez de serem reescritos.
A mesma cabeça
A cabeça dos sistemas de bancada é a mesma do recipiente de vidro ao de aço inoxidável: sondas, portas e o sistema de amostragem mantêm-se os mesmos com que o processo foi desenvolvido.
Os mesmos parâmetros medidos
pH, oxigénio dissolvido, temperatura, pressão e biomassa são adquiridos pela mesma cadeia de medição em todas as escalas, pelo que os dados de bancada e de piloto se comparam sem reconciliação.
Esterilização coerente
Da autoclavagem na bancada à esterilização in situ dos sistemas piloto e industriais, os ciclos SIP e CIP são automatizados e registados: o salto de escala não altera a forma como o processo é validado.
Perguntas frequentes sobre escalonamento
Passar do matraz ao biorreator muda a forma como a cultura recebe oxigénio: no matraz a troca dá-se pela superfície, no biorreator através de bolhas. Começa-se, pois, por fixar o critério a preservar — num processo aeróbio quase sempre o kLa — e deduz-se em cada escala a combinação de agitação e caudal de gás que o atinge, verificando que a velocidade periférica do agitador se mantém abaixo do que a linha celular tolera. No percurso Vinci este desenvolvimento faz-se em sistemas de bancada de 250 mL a 30 L WV e transfere-se para as etapas seguintes com receitas e cadeia de medição inalteradas.
Na prática usam-se seis critérios: kLa, potência específica P/V, velocidade periférica do agitador, caudal de gás específico, semelhança geométrica e tempo de mistura. Não podem ser todos preservados ao mesmo tempo: escalar a P/V constante dá, por exemplo, uma velocidade periférica diferente. Escalonar é escolher que critério manda nesse processo e documentar o que se admite variar.
O percurso cobre quatro etapas: 250 mL – 30 L WV em bancada com a série Biobook, 20 – 100 L WV para I&D esterilizável in situ com a série BioSIP, 250 – 800 L WV para piloto e produção com a série BioFerm, e acima de 1.000 L WV com biorreatores à medida. As etapas partilham a plataforma de controlo, pelo que a transferência diz respeito aos parâmetros de processo e não a reescrever a automação.
Porque a potência dissipada cresce com o cubo da velocidade e com a quinta potência do diâmetro do agitador. Manter as mesmas rpm num volume maior significa, portanto, uma potência específica e um esforço de corte completamente diferentes. O que se transfere é o critério — kLa, P/V ou velocidade periférica — e a partir dele recalculam-se as rpm em cada escala.
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