Desarrollo y evaluación de un prototipo para el monitoreo en tiempo real del crecimiento de cultivos biológicos en biorreactores industriales

Abstract

En el ámbito de la biotecnología, el monitoreo continuo y preciso de la concentración celular es esencial para optimizar el crecimiento de biomasa en cultivos biológicos. Los biorreactores y fermentadores (dispositivos diseñados específicamente para el cultivo de diversas células, entre ellas bacterias y levaduras) dependen de la medición de parámetros como temperatura, presión, pH y oxígeno disuelto, en donde la estimación de la concentración celular es igualmente crítica para implementar sistemas de control de lazo cerrado que permita automatizar al máximo el proceso. Las técnicas ópticas, y en particular, la medida de la densidad óptica, se implementa comercialmente y permite caracterizar el crecimiento y evolución de células en suspensiones acuosas en el biorreactor, aprovechando los fenómenos fundamentales de interacción de la luz con la materia como la absorción y dispersión, sin alterar las propiedades biológicas del sistema. No obstante, para las Pymes en Colombia, los sensores de densidad óptica comerciales suelen tener un alto costo, lo que dificulta su adopción en industrias con recursos limitados, como las dedicadas a la producción de cervezas artesanales, inoculantes biológicos y biosimilares, entre otros. En este trabajo se presenta el desarrollo de un instrumento óptico de bajo costo que permite monitorear en tiempo real el crecimiento de biomasa en biorreactores y fermentadores, siendo compatible con los estándares industriales de conexión y comunicación en este tipo de sistemas. El dispositivo aprovecha el fenómeno de la dispersión de la luz generada por las células en suspensión para estimar la concentración celular. En particular, el elemento sensor que se introduce en el biorreactor se encapsula en un material polimérico compatible con los procesos de esterilización in situ, que sustituye el clásico acero inoxidable de los dispositivos comerciales, y se desarrolló un sistema de acondicionamiento de señales que permite controlar la emisión de luz para generar una intensidad lumínica constante en el tiempo, ante el ruido electromagnético y a las variaciones de temperatura, obteniendo una resolución en las medidas de 0.002 e inferior al 1% en la escala de medida en unidades arbitrarias. Esta solución no solo busca hacer más accesible la automatización de procesos productivos en la industria biotecnológica colombiana, sino también, mejorar la calidad del producto final y optimizar el tiempo de producción para incrementar el margen de beneficio. (Tomado de la fuente)

In the field of biotechnology, continuous and accurate monitoring of cell concentration is essential to optimize biomass growth in biological cultures. Bioreactors and fermenters (devices specifically designed for cultivating various cells, including bacteria and yeasts) depend on the measurement of parameters such as temperature, pressure, pH, and dissolved oxygen, where the estimation of cell concentration is equally critical to implement closed-loop control systems that allow maximum automation of the process. Optical techniques, and in particular, the measurement of optical density, are commercially implemented to characterize cell growth and evolution in aqueous suspensions within the bioreactor, by taking advantage of fundamental light-matter interactions, such as absorption and scattering, without altering the biological properties of the system. However, for SMEs (Small and Medium-sized Enterprises) in Colombia, commercial optical density sensors tend to have a high cost, which hinders their adoption in industries with limited resources, such as those dedicated to the production of craft beers, biological inoculants and biosimilars, among others. This work presents the development of a low-cost optical instrument that allows real-time monitoring of biomass growth in bioreactors and fermenters, compatible with industrial standars of connection and communication in these types of systems. The device takes advantage of orking principles are based on light scattered by cells to estimate cell concentration. In particular, the sensor that is introduced into the bioreactor is encapsulated in a polymeric material compatible with sterilization processes in situ}, which replaces the classic stainless steel of commercial devices, and a signal conditioning system was developed to control light emission to generate constant light intensity over time, in the face of electromagnetic noise and temperature variations, obtaining a measurement resolution of 0.002, lower than 1% on the measurement scale in arbitrary units. This solution not only seeks to make the automation of production processes in the Colombian biotechnology industry more accessible, but also, to improve the quality of the final product and optimize production time in order to increase profit margin.