Biorreatores para células animais

Modo de operação de biorreatores São empregados os diferentes modos de operação dos processos com microrganismos - descontínuo (batelada, batch) - descontínuo alimentado (batelada alimentada, fed-batch) - contínuo - contínuo com retenção de células (perfusão)

Alguns fatores a se considerar para a decisão sobre o modo de operar um biorreator (em escala industrial) Características da linhagem, destacando: - estabilidade da expressão da proteína de interesse - padrão de produção - capacidade de resistir a altas concentrações de metabólitos tóxicos - resistência a tensões de cisalhamento e outros esforços mecânicos Demanda do mercado a ser abastecido (determina a capacidade de produção requerida – no e capacidade) Experiência técnica da equipe responsável pelo processo, assim como da equipe responsável pelos aspectos regulatórios

Cultivo Descontínuo

Principais características Simples do ponto de vista operacional Menor risco de contaminação quando comparado a outros modos de operação Produtividade muito baixa - pode ser aumentada adotando-se a variante batelada repetida Otimização fundamentalmente por manipulação da composição do meio e do tempo de coleta do produto Empregado industrialmente em escalas de até 20.000 L

Cultivo Descontínuo Alimentado

Cultivo Descontínuo

Cultivo Descontínuo Alimentado

Principais características Complexidade operacional moderada Risco de contaminação moderado Moderada produtividade volumétrica Tempo de residência do produto elevado Otimização fundamentalmente por manipulação da composição do meio, do tempo de coleta do produto e da estratégia de alimentação dos substratos Empregado industrialmente em escalas de até 20.000 L

Cultivo Contínuo

Principais características Complexidade operacional relativamente alta Risco de contaminação elevado Baixa produtividade volumétrica Baixo tempo de residência do produto Pouco atrativo para produção industrial

Cultivo Contínuo com Retenção de Células

Principais características Complexidade operacional maior que os demais Maior risco de contaminação (sistema aberto e operado por longos períodos) Maior produtividade volumétrica Tempo de residência curto (ideal para produtos lábeis) Otimização fundamentalmente por manipulação da composição do meio, da estratégia de alimentação e da remoção controlada das células Empregado industrialmente em escalas de até 2.000 L

Agitação e Aeração Operações importantes para o cultivo de células animais Aspectos do suprimento de oxigênio similares aos relacionados aos cultivos de microrganismos

Agitação e Aeração Operações importantes para o cultivo de células animais Aspectos do suprimento de oxigênio similares aos relacionados aos cultivos de microrganismos Métodos de aeração empregados: - superficial (pequena escala) - membranas ou tubos gás-permeáveis (pequena escala) - borbulhamento

Aeração superficial - trocas gasosas na interface gás-líquido - redução drástica com o aumento de escala melhora com o sistema de ondas Aeração por membranas ou tubos gás-permeáveis - internamente ao biorreator ou em circuitos externos de recirculação - constitui a aeração isenta de bolhas - tubos ou membranas de materiais não porosos e permeáveis ao O2 ou de materiais porosos e impermeáveis ao O2 - limitações para ampliação de escala

Aeração por borbulhamento - método mais difundido para células animais - passagem de corrente gasosa através de um borbulhador que pode ser: de aço poroso, de orifício ou de jato (diferentes tamanhos de bolhas)

Aerador poroso de aço inox

Aeração por borbulhamento - método mais difundido para células animais - passagem de corrente gasosa através de um borbulhador que pode ser: de aço poroso, de orifício ou de jato (diferentes tamanhos de bolhas) - os dispositivos são posicionados abaixo da turbina - maior problema: baixa resistência a esforços mecânicos por parte das células animais - bolhas sobem com células aderidas e explodem na superfície

Aeração por borbulhamento - método mais difundido para células animais - passagem de corrente gasosa através de um borbulhador que pode ser: de aço poroso, de orifício ou de jato (diferentes tamanhos de bolhas) - os dispositivos são posicionados abaixo da turbina - maior problema: baixa resistência a esforços mecânicos por parte das células animais - bolhas sobem com células aderidas e explodem na superfície - bolhas menores levam a maior destruição de células, porém, proporcionam melhor transferência de O2 - alguns aditivos, como Pluronic® F68, podem amenizar o problema (diminui a adesão de células)

Tanto a aeração quanto a ventilação são favorecidas pela agitação mecânica da suspensão celular - a agitação tem outras funções: manter as células em suspensão (em biorreatores homogêneos ou contendo microcarregadores) e homogeneizar o fluido - tipos de impelidores mais utilizados: hélice marinha e turbina tipo pás inclinadas - a agitação apresenta dois efeitos principais: cisalhamento pela turbina e danos por turbilhões formados no escoamento turbulento

Tanto a aeração quanto a ventilação são favorecidas pela agitação mecânica da suspensão celular - a agitação tem outras funções: manter as células em suspensão (em biorreatores homogêneos ou contendo microcarregadores) e homogeneizar o fluido - tipos de impelidores mais utilizados: hélice marinha e turbina tipo pás inclinadas - a agitação apresenta dois efeitos principais: cisalhamento pela turbina e danos por turbilhões formados no escoamento turbulento - entretanto, há autores que afirmam que o maior efeito danoso sobre as células é aquele devido à explosão de bolhas na superfície

Aspectos econômicos na seleção de biorreatores – o fator produtividade As instalações para os processos de cultivo de células animais (e obtenção de seus produtos) são complexas: - necessitam de serviços sofisticados para evitar contaminação e toxicidade - empregam equipamentos com alto nível de automação

Aspectos econômicos na seleção de biorreatores – o fator produtividade As instalações para os processos de cultivo de células animais (e obtenção de seus produtos) são complexas: - necessitam de serviços sofisticados para evitar contaminação e toxicidade - empregam equipamentos com alto nível de automação - necessitam ser passíveis de validação O principal componente dos custos destes processos geralmente está associado aos equipamentos e fatores tecnológicos

Assim, na maioria dos casos, o principal efeito econômico na otimização destes processos é a diminuição do tamanho das instalações necessárias - desta forma, reduz-se o investimento necessário para a instalação produtiva A produção anual (PA) de um determinado biorreator é dada pela equação: Onde, PV é a produtividade volumétrica do biorreator V é o volume útil do biorreator tJornada é a jornada anual de trabalho (geralmente 44 semanas ou 300 dias por ano)

Premissa: a produtividade volumétrica depende, fundamentalmente, da concentração celular na fase produtiva Portanto, são mais interessantes os biorreatores que permitem se atingir altas densidades celulares

A produtividade volumétrica (PV) determina o volume de cultivo (V) necessário para se alcançar uma produção anual (PA) desejada: Esta equação foi empregada para simular produções anuais na faixa de 1 a 1000 kg por ano, considerando-se produtividades de 10 a 500 mg.L-1.d-1

Portanto, o uso de biorreatores de alta produtividade volumétrica (PV) pode representar uma economia de dezenas de milhões de dólares nos custos das instalações produtivas para a obtenção de proteínas recombinantes Isto é de grande importância para empresas de menor capital e para países em desenvolvimento