Control de los parámetros clave de un biorreactor

Temperatura

La mayoría de las líneas celulares de mamíferos tienen un funcionamiento óptimo a la temperatura fisiológica de 37 °C. Una temperatura de más de 38 °C puede tener rápidamente un efecto dramático en la viabilidad celular, mientras que una temperatura más baja puede resultar en un metabolismo celular más lento. Es importante mantener una temperatura constante homogénea en el biorreactor. Esto está controlado por un sensor de temperatura, una camisa de agua en el biorreactory una unidad de control de temperatura (TCU).

El sensor de temperatura lee el valor real del proceso del medio de cultivo, luego envía una señal al controlador para impulsar un cambio a la TCU. La TCU calienta o enfría el agua, o cualquier fluido de transferencia de calor que recircule en la camisa, alrededor del tanque del biorreactor. La temperatura de los medios de cultivo en el biocontenedor se equilibra por contacto con la temperatura de la chaqueta.

pH

Normalmente, las líneas celulares de mamíferos tienen un funcionamiento óptimo en el pH fisiológico en el rango de 7,0 a 7,4. La mayor parte del medio de cultivo contiene tampón de bicarbonato para mantener naturalmente el pH en ese rango. Sin embargo, debido al metabolismo celular, las células producen_CO2 y agua a medida que convierten la glucosa en lactato.

El medio de cultivo se vuelve más ácido durante el cultivo si no se toman medidas. Al comienzo del cultivo, el pH se regula en el rango de 7,0 - 7,4 jugando con el equilibrio del bicarbonato. Se agrega CO₂ en el rociador para aumentar el CO₂ disuelto y disminuir el pH. Alternativamente, se agrega aire en el rociador para eliminar el CO2_disuelto y aumentar el pH. Cuando se acumula lactato en el medio de cultivo, la adición de aire en el rociador no es suficiente para aumentar el pH.

Puede ser necesario bombear una solución básica como NaOH o N_a2C_O3 0,5 – 1 M en el biorreactor. La adición de aire, CO₂ o solución básica es gestionada automáticamente por un controlador que compara la señal medida por la sonda de pH insertada en el biorreactor con el setpoint definido para el proceso.

_po2

El O₂ es escasamente soluble en medios de cultivo y las células lo consumen rápidamente. Se agrega continuamente mediante rociado de aire, una mezcla de aire y O₂, u O₂ puro al biorreactor a través del rociador, que generalmente se encuentra debajo del impulsor.

El nivel de oxígeno disuelto (OD) es monitoreado por un sensor. La mayoría de los cultivos de células de mamíferos se realizan con un OD de alrededor del 20 al 50 % de la saturación con aire. La adición automática de aire/O₂ es administrada por un controlador, basado en la diferencia de lectura entre un valor de proceso del sensor de OD sumergido directamente en el cultivo, contra el punto de referencia deseado en el que se establece un proceso específico. Cuando el sensor lee un valor por encima del punto de ajuste, se puede agregar nitrógeno en el biorreactor a través del rociador para eliminar el oxígeno del medio de cultivo.

Un método alternativo y más común es dejar que las células consuman el oxígeno hasta alcanzar el punto de ajuste. Cuando el valor del proceso está por debajo de un punto de referencia, la mezcla de aire y O₂ se complementan para aumentar el valor del proceso de OD hasta el punto de referencia.

Agitación

El sistema de agitación normalmente consta de un impulsor, un mecanismo de accionamiento (magnético o directo) y un motor. El objetivo es entregar una entrada de energía al medio de cultivo para generar una mezcla eficiente y obtener una distribución homogénea de la temperatura, el OD y el pH dentro del biorreactor.

El tipo, el tamaño y la ubicación del impulsor, así como el diseño del rociador, son factores críticos para garantizar la homogeneidad y, al mismo tiempo, limitar el efecto del esfuerzo cortante debido a la hidrodinámica y la aireación y su efecto potencial en las celdas y el proceso.   

Presión

Como la mayoría de los biocontenedores de un solo uso están hechos de plástico flexible, no pueden resistir una sobrepresión de unos pocos cientos de milibares durante un largo período de tiempo. La presión se controla mediante el uso de una sonda de un solo uso insertada dentro del biocontenedor.

Se implementa una estrategia de interbloqueo de adición de gas si la presión aumenta como resultado de un mal uso del biorreactor, como una abrazadera cerrada o filtros de ventilación bloqueados debido a una formación excesiva de espuma, por ejemplo.