Escalado de bioprocesos

¿Qué es el escalado de bioprocesos?

El escalado de bioprocesos es la transferencia planificada de un proceso biológico entre equipos de diferentes volúmenes, con el objetivo de preservar productividad, calidad, control y reproducibilidad. Normalmente, el proceso avanza desde la microescala hacia las escalas de laboratorio, piloto e industrial.

El escalado no consiste únicamente en aumentar proporcionalmente el volumen del medio de cultivo. Cuando cambia el tamaño del biorreactor, también cambian la mezcla, la transferencia de oxígeno, la eliminación de calor, la presión, el tiempo de circulación y la exposición de las células a las fuerzas de cizallamiento. Por eso, una condición eficiente en un microbiorreactor puede necesitar ajustes antes de transferirse a un tanque mayor.

¿Cómo funciona el escalado de bioprocesos?

El trabajo comienza con la caracterización del proceso en pequeña escala. En esta etapa se evalúan el crecimiento celular, el consumo de sustrato, la formación del producto, el pH, el oxígeno disuelto, la generación de calor y la respuesta a las estrategias de alimentación.

A continuación, se seleccionan los criterios de ingeniería que deberán mantenerse o controlarse en la escala siguiente. Entre los parámetros más utilizados se encuentran:

• coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno, conocido como kLa;
• potencia aplicada por unidad de volumen;
• velocidad en la punta del impulsor;
• tiempo de mezcla;
• tasas de transferencia y consumo de oxígeno;
• flujo de gas por volumen de líquido;
• concentración de dióxido de carbono;
• presión, temperatura y capacidad de eliminación de calor.

No existe un único criterio adecuado para todos los bioprocesos. La elección depende del organismo, su sensibilidad al cizallamiento, la demanda de oxígeno, la viscosidad del medio y los atributos críticos de calidad del producto.

Etapas del escalado de un bioproceso

1. Desarrollo en microescala: screening de cepas, líneas celulares, medios y condiciones de cultivo.
2. Confirmación en laboratorio: validación en biorreactores con mayor capacidad de instrumentación y control.
3. Escala piloto: evaluación en equipos con una geometría más próxima a la producción.
4. Escala industrial: transferencia al volumen productivo con procedimientos y límites operativos definidos.
5. Validación: demostración de que el proceso proporciona resultados consistentes y cumple las especificaciones.

Scale-up y scale-down de bioprocesos

El scale-up transfiere el proceso a una escala mayor. El scale-down realiza el recorrido inverso: crea un modelo de pequeña escala capaz de reproducir limitaciones o variaciones observadas en el equipo industrial.

Los modelos de scale-down permiten estudiar gradientes de pH, oxígeno, nutrientes y dióxido de carbono con menor consumo de materiales. También ayudan a investigar desviaciones, definir intervalos operativos y probar estrategias de control antes de realizar experimentos en escala productiva.

Aplicaciones en laboratorios e industrias

El escalado se utiliza en la producción de proteínas recombinantes, anticuerpos, vacunas, enzimas, antibióticos, cultivos probióticos, biomasa, ácidos orgánicos y biocombustibles. También se aplica a procesos con bacterias, levaduras, hongos, microalgas y células animales.

Los microbiorreactores ayudan a identificar condiciones prometedoras, mientras que los biorreactores de laboratorio y los sistemas piloto permiten verificar la mezcla, la transferencia de gases, la alimentación y la respuesta celular en volúmenes progresivamente mayores.

¿Cuál es la principal dificultad del escalado de bioprocesos?

La principal dificultad es mantener condiciones comparables para las células cuando cambian la geometría y el volumen. La mezcla, la oxigenación, la eliminación de calor y el cizallamiento no aumentan en la misma proporción y pueden generar gradientes dentro del biorreactor.

¿Qué parámetro debe mantenerse durante el escalado?

No existe un parámetro universal. Los procesos con alta demanda de oxígeno pueden priorizar el kLa o la capacidad de transferencia de oxígeno. Los cultivos sensibles al cizallamiento pueden requerir límites de potencia y velocidad del impulsor.

¿El escalado garantiza el mismo resultado en escala industrial?

No de forma automática. El escalado reduce riesgos mediante datos, modelos y etapas de validación, pero cada aumento de escala debe confirmar el rendimiento, la calidad del producto y la estabilidad operativa.