Quali Parametri Dovrebbero Essere Valutati Nella Selezione Delle Configurazioni Di Bioreattori Multifase Per Gli Impianti Pilota Di Operazioni Unitarie Di Bioprocesso?

I parametri chiave sono l'idrodinamica, la biologia, il trasferimento di massa, la configurazione del catalizzatore e i vincoli di scale-up. Nella selezione di un bioreattore multifase per un impianto pilota, è necessario valutare la reologia dei fluidi, il comportamento delle fasi, i requisiti di immobilizzazione, la sensibilità al taglio, il trasferimento di massa gas-liquido-solido, la modalità operativa, la pressione, la temperatura e l'integrazione con le operazioni unitarie a valle. La configurazione preferibile è quella che garantisce le prestazioni biologiche richieste producendo al contempo dati trasferibili in modo affidabile alla scala commerciale.

La selezione del reattore dovrebbe partire dal sistema biologico e dai fenomeni di trasporto richiesti, per poi essere verificata rispetto a sicurezza, controllabilità, compatibilità con le operazioni a valle e fattibilità dello scale-up. I reattori a letto impaccato, a colonna a bolle, airlift, a fibre cave e a letto fluidizzato risolvono ciascuno una diversa combinazione di questi requisiti.

Iniziare dai requisiti biologici e di processo

Definire il biocatalizzatore e la sua forma fisica

Determinare se il processo utilizza cellule in sospensione, cellule immobilizzate, enzimi liberi, particelle contenenti enzimi o una combinazione di fasi. I reattori a letto impaccato e a letto fluidizzato sono particolarmente adatti quando il catalizzatore deve essere trattenuto ad alta concentrazione.

Le dimensioni, la densità, la porosità, la resistenza meccanica e la tendenza del catalizzatore a gonfiarsi o rompersi influenzeranno fortemente la perdita di carico, il comportamento di fluidizzazione e la diffusione interna.

Stabilire la modalità operativa

Identificare se l'operazione pilota sarà discontinua, in fed-batch, in perfusione o continua. I processi continui con cellule immobilizzate ed enzimi favoriscono spesso le configurazioni a letto impaccato o fluidizzato, mentre le colture cellulari in sospensione possono essere più adatte ai sistemi a colonna a bolle o airlift.

È importante anche la distribuzione dei tempi di permanenza richiesta. Un letto impaccato può avvicinarsi al comportamento di flusso a pistone, mentre i sistemi azionati dal gas possono presentare schemi di miscelazione più ampi a seconda della geometria e delle condizioni operative.

Caratterizzare le fasi di alimentazione e prodotto

Definire se il processo coinvolge fasi gas-liquido, liquido-solido, gas-liquido-solido o separate mediante membrana. Valutare la solubilità del substrato, la composizione del gas, la densità delle fasi, la viscosità, la volatilità e l'eventuale presenza di solidi nell'alimentazione o la loro formazione durante l'operazione.

Queste caratteristiche determinano il meccanismo di contatto appropriato e se il reattore debba impedire la sedimentazione, sostenere la sospensione delle particelle o mantenere una dispersione stabile del gas.

Adattare l'idrodinamica al sistema biologico

Valutare la reologia dei fluidi

Misurare la viscosità, il comportamento non newtoniano, la tensione di snervamento, il carico di solidi e il modo in cui la reologia cambia con la crescita cellulare o la formazione del prodotto. Brodi ad alta viscosità o pseudoplastici possono ridurre la circolazione e la dispersione del gas, rendendo inaffidabili le osservazioni di laboratorio alla scala pilota.

La reologia influisce inoltre sui requisiti di pompaggio, sul tempo di miscelazione, sulla perdita di carico e sull'energia necessaria per mantenere un determinato regime di flusso.

Quantificare la sensibilità al taglio

Valutare la sensibilità al taglio di cellule, tessuti, enzimi, supporti e prodotto. Agitatori meccanici, pompe, sparger e collisioni tra particelle possono creare localmente sollecitazioni dannose.

I reattori a colonna a bolle e airlift evitano l'agitazione meccanica e possono quindi essere appropriati per linee cellulari sensibili al taglio. Tuttavia, anche il flusso di gas può generare taglio sulle superfici delle bolle; pertanto devono essere valutati la progettazione dello sparger, la portata del gas, la dimensione delle bolle e il controllo della schiuma.

Determinare il regime di flusso richiesto

Caratterizzare la circolazione del liquido, la velocità superficiale del gas, la sospensione delle particelle, il tempo di miscelazione, la dispersione assiale e la distribuzione dei tempi di permanenza. Questi parametri determinano se il reattore garantisce un contatto adeguato senza causare trascinamento eccessivo, flooding, canalizzazione o fuoriuscita di particelle.

Le prove pilota dovrebbero confermare che il regime idrodinamico previsto rimanga stabile nell'intervallo operativo atteso.

Valutare il trasferimento di massa e le prestazioni di reazione

Misurare il trasferimento di massa gas-liquido

Per i sistemi aerobici, il coefficiente volumetrico di trasferimento dell'ossigeno, kLa, deve essere valutato insieme alla velocità di consumo dell'ossigeno e al setpoint richiesto per l'ossigeno disciolto. Un trasferimento di ossigeno adeguato dipende dalla portata del gas, dalla pressione, dalla dimensione delle bolle, dalle proprietà del liquido e dalla ritenzione delle fasi.

Il reattore dovrebbe essere valutato in condizioni realistiche di brodo e non soltanto con acqua, poiché viscosità, tensioattivi, cellule e proteine possono modificare sostanzialmente il trasferimento gas-liquido.

Valutare l'area interfacciale e la ritenzione delle fasi

Tra i parametri multifase importanti figurano l'area interfacciale specifica, la frazione di ritenzione delle fasi e la distribuzione delle fasi gassosa, liquida e solida. Questi parametri determinano la quantità di area di contatto disponibile per il trasferimento per unità di volume del reattore.

Le variazioni nella ritenzione delle fasi possono influire sul tempo di permanenza, sul volume operativo, sulla perdita di carico e sulle concentrazioni effettive sperimentate dal biocatalizzatore.

Distinguere le limitazioni di trasporto da quelle cinetiche

Valutare se la conversione o la produttività osservata siano limitate dalla cinetica intrinseca della reazione, dal trasferimento di massa esterno o dalla diffusione intraparticellare. I sistemi immobilizzati possono mostrare forti gradienti di concentrazione all'interno delle particelle di supporto anche quando le concentrazioni nel volume risultano adeguate.

Nel interpretare i risultati pilota, è necessario considerare le concentrazioni interfacciali e nel volume, il flusso molare di trasferimento, la diffusività effettiva e le dimensioni delle particelle.

Verificare i requisiti di trasferimento del calore

Determinare il calore rilasciato o consumato dalla reazione biologica e la capacità del reattore di rimuoverlo o fornirlo. Il controllo della temperatura diventa più difficile all'aumentare del volume del reattore, della viscosità e della concentrazione del catalizzatore.

Il comportamento non isotermo può alterare le velocità di reazione, la qualità del prodotto, la richiesta di ossigeno e la vitalità cellulare; pertanto, l'uniformità della temperatura dovrebbe essere verificata durante le prove di scale-up.

Confrontare le principali opzioni di configurazione

Reattori a letto impaccato

I letti impaccati garantiscono un'elevata densità di catalizzatore e un basso taglio meccanico, poiché il catalizzatore immobilizzato rimane stazionario. Sono interessanti per la conversione continua di enzimi o cellule quando l'alimentazione può attraversare uniformemente il letto.

I principali parametri di valutazione includono la perdita di carico, la canalizzazione, la compattazione del letto, la stabilità del supporto, la diffusione del substrato e del prodotto, l'intasamento, la rimozione del calore e la possibilità di sostituire o rigenerare il catalizzatore.

Reattori a colonna a bolle e airlift

I reattori a colonna a bolle utilizzano il flusso di gas per il contatto e la circolazione delle fasi, eliminando l'agitazione meccanica. I reattori a ricircolo airlift sfruttano le differenze di densità del gas per generare la circolazione e possono garantire un funzionamento a taglio relativamente basso per le cellule sensibili.

Valutare la ritenzione del gas, la dimensione delle bolle, il trasferimento di ossigeno, il tempo di miscelazione, la formazione di schiuma, il tempo di permanenza del gas, la velocità di circolazione e la sensibilità alle variazioni della reologia del brodo.

Reattori a letto fluidizzato

I letti fluidizzati sospendono particelle di catalizzatore o contenenti cellule mediante un flusso ascendente di fluido. Possono migliorare il contatto gas-liquido-solido, aumentare il trasferimento di massa e ridurre la perdita di carico associata a un letto fortemente impaccato.

I parametri critici sono la velocità minima di fluidizzazione, il rapporto di espansione, l'attrito delle particelle, l'elutriazione, la stabilità del letto, il retromiscelamento, la densità del supporto e il controllo delle limitazioni di diffusione interna.

Reattori a fibre cave

I sistemi a fibre cave trattengono cellule ad alta densità dietro membrane semipermeabili, consentendo il passaggio di nutrienti e prodotti. Possono essere utili quando la ritenzione cellulare e la separazione integrata del prodotto sono requisiti fondamentali del processo.

Valutare la permeabilità della membrana, l'intasamento, la polarizzazione di concentrazione, l'equilibrio delle pressioni, l'apporto di ossigeno, la distribuzione cellulare, la pulizia e il potenziale danneggiamento della membrana.

Fotobioreattori agitati meccanicamente

I fotobioreattori progettati per microalghe o altri organismi fotosintetici devono garantire sia un'esposizione adeguata alla luce sia una miscelazione accettabile. L'agitazione meccanica può migliorare la circolazione, ma può aumentare il taglio e il consumo energetico.

Valutare la lunghezza del percorso ottico, l'illuminazione interna o esterna, la concentrazione cellulare, l'uniformità della miscelazione, la generazione di calore, il trasferimento di gas e l'effetto della scala sulla disponibilità di luce.

Progettare per la misura e il controllo alla scala pilota

Identificare i parametri critici di processo

Definire le variabili che influenzano direttamente la qualità e la produttività del prodotto, tra cui temperatura, pressione, pH, ossigeno disciolto, portata del gas, portata del liquido, velocità di agitazione o circolazione, composizione dell'alimentazione, tempo di permanenza e carico di catalizzatore.

L'impianto pilota dovrebbe misurare queste variabili con accuratezza e tempi di risposta sufficienti a distinguere gli effetti biologici dai limiti dell'apparecchiatura.

Stabilire i bilanci di materia ed energia

Una configurazione pilota utile deve supportare i bilanci intorno al reattore e all'intera linea di processo. Misurare il consumo di substrato, la formazione di biomassa, la generazione di prodotto, l'assorbimento di gas, le uscite liquide e gassose e i sottoprodotti rilevanti.

Queste misurazioni consentono ai ricercatori di determinare conversione, resa, produttività, recupero della biomassa e se il trasferimento di massa o la cinetica di reazione controllino le prestazioni.

Confermare la strumentazione e la controllabilità

Valutare la disponibilità e il posizionamento di sonde, punti di campionamento, misuratori di portata, sensori di pressione, analizzatori di gas e valvole di controllo. I sistemi multifase possono rendere difficile il campionamento rappresentativo, soprattutto quando i solidi sedimentano o le bolle di gas sono distribuite in modo non uniforme.

Una configurazione che funziona bene ma non può essere monitorata o controllata adeguatamente offrirà un valore limitato per lo scale-up.

Includere i requisiti meccanici e del recipiente a pressione

Determinare la pressione e la temperatura operative richieste, lo spessore delle pareti del recipiente, la geometria dei fondi, l'orientamento degli ugelli, le guarnizioni, i materiali costruttivi e i sistemi di scarico della pressione. I reattori pilota pressurizzati o non isotermi devono essere progettati e classificati adeguatamente per un funzionamento sicuro.

La progettazione meccanica dovrebbe inoltre tenere conto dell'ispezione, della pulizia, della sterilizzazione, del caricamento del supporto, della rimozione del catalizzatore e dell'accesso per la manutenzione.

Valutare l'intera linea di processo

Considerare la separazione a valle

Il reattore determina la concentrazione di cellule, particelle di catalizzatore, proteine, solidi, substrato residuo e impurità che entrano nelle operazioni a valle. Queste caratteristiche influenzano direttamente i requisiti di filtrazione, centrifugazione, separazione a membrana e purificazione.

Ad esempio, un sistema fluidizzato può richiedere fasi di ritenzione delle particelle o di rimozione dei solidi, mentre un processo con cellule in sospensione può imporre requisiti maggiori alla centrifugazione o alla filtrazione.

Confrontare produttività e recupero

La conversione più elevata del reattore non rappresenta sempre il miglior risultato di processo se crea condizioni di separazione difficili o riduce il recupero del prodotto. Valutare insieme produttività volumetrica, concentrazione del prodotto, resa, profilo delle impurità, utilizzo del catalizzatore e recupero a valle.

Le prove pilota dovrebbero quindi includere, quando possibile, operazioni a valle rappresentative.

Valutare i costi di capitale e operativi

La sezione del reattore può rappresentare una quota sostanziale della spesa in conto capitale per il bioprocesso e la sua progettazione influisce su utenze, manutenzione, sterilizzazione, pulizia, manodopera e apparecchiature a valle. Confrontare il costo complessivo del ciclo di vita, non soltanto il prezzo di acquisto del recipiente.

La compressione del gas, il pompaggio, l'agitazione, la sostituzione delle membrane, la sostituzione dei supporti e la rigenerazione del catalizzatore possono dominare i costi operativi nelle diverse configurazioni.

Comprendere i compromessi

Elevata densità di catalizzatore rispetto alla resistenza al flusso

I letti impaccati massimizzano la quantità di catalizzatore per unità di volume, ma i letti densi possono generare elevate perdite di carico, canalizzazione, intasamento e limitazioni di diffusione interna. I letti fluidizzati riducono parte della resistenza al flusso, ma introducono problematiche di gestione e trascinamento delle particelle.

Basso taglio meccanico rispetto al controllo della miscelazione

I sistemi a colonna a bolle e airlift riducono l'agitazione meccanica e possono proteggere le cellule sensibili. Tuttavia, le loro prestazioni possono diventare sensibili alla distribuzione del gas, alla schiuma, alla reologia del brodo e ai cambiamenti nel comportamento della circolazione.

Elevato trasferimento di massa rispetto allo stress biologico

L'aumento della velocità del gas, dell'agitazione o del movimento delle particelle può migliorare il trasferimento di massa, ma può anche aumentare il taglio, la formazione di schiuma, il danneggiamento cellulare, l'attrito o la degradazione del prodotto. L'obiettivo è raggiungere la minima intensità di trasporto che soddisfi il fabbisogno biologico.

Somiglianza alla scala pilota rispetto alla flessibilità didattica

Gli impianti pilota didattici spesso devono supportare più tipi di reattore e modalità operative. La modularità è preziosa, ma le apparecchiature, i sensori e le tubazioni intercambiabili non devono compromettere la sterilizzabilità, la sicurezza, la qualità delle misurazioni o la rappresentatività del processo.

Portata rispetto alle evidenze di scale-up

Un volume operativo maggiore può migliorare la portata, ma non produce automaticamente dati migliori per lo scale-up. La configurazione pilota dovrebbe preservare i parametri adimensionali o rilevanti per il processo che controllano il comportamento, come la capacità di trasferimento dell'ossigeno, la potenza o l'apporto di circolazione, la distribuzione dei tempi di permanenza e il comportamento di fluidizzazione delle particelle.

Fare la scelta giusta in base al proprio obiettivo

La selezione finale dovrebbe basarsi sulle prestazioni biologiche e sul comportamento di trasporto misurati in condizioni pilota rappresentative.

Se l'obiettivo principale sono le cellule sospese sensibili al taglio: Dare priorità alle configurazioni a colonna a bolle o airlift con dispersione controllata del gas, trasferimento di ossigeno, circolazione e gestione della schiuma.
Se l'obiettivo principale è la conversione continua di cellule immobilizzate o enzimi: Dare priorità ai sistemi a letto impaccato o fluidizzato in base alla tolleranza alla perdita di carico, alla stabilità del catalizzatore, al comportamento della diffusione e al trasferimento di massa richiesto.
Se l'obiettivo principale è il massimo trasferimento di massa gas-liquido-solido: Valutare il funzionamento a letto fluidizzato utilizzando dati relativi a sospensione delle particelle, ritenzione del gas, perdita di carico, attrito e diffusione intraparticellare.
Se l'obiettivo principale è la ritenzione cellulare ad alta densità e la separazione del prodotto: Valutare i sistemi a fibre cave in termini di permeabilità della membrana, intasamento, apporto di ossigeno, controllo della pressione e prestazioni di recupero.
Se l'obiettivo principale è la produzione fotosintetica: Selezionare un fotobioreattore che bilanci penetrazione della luce, miscelazione, trasferimento di gas, controllo della temperatura e sensibilità cellulare al taglio.
Se l'obiettivo principale è uno scale-up affidabile: Selezionare la configurazione che riproduce alla scala pilota le condizioni idrodinamiche, di trasferimento di massa, cinetiche, di controllo, sicurezza e di processo a valle rilevanti.

Una scelta valida di bioreattore multifase è quella che bilancia compatibilità biologica, prestazioni di trasporto, controllo operativo, sicurezza, aspetti economici e requisiti del processo a valle.

Tabella riepilogativa:

Area di valutazione	Parametri chiave	Principali considerazioni sulla configurazione
Sistema biologico	Tipo di cellula o enzima, forma del catalizzatore, sensibilità al taglio	Le cellule sospese possono essere adatte ai reattori a colonna a bolle o airlift; i catalizzatori immobilizzati possono essere adatti ai letti impaccati o fluidizzati
Idrodinamica	Reologia, regime di flusso, tempo di miscelazione, distribuzione dei tempi di permanenza, ritenzione delle fasi	Confermare una circolazione stabile, la sospensione, la dispersione del gas e una canalizzazione o un flooding minimi
Trasferimento di massa	kLa, area interfacciale, ritenzione del gas, diffusività effettiva, consumo di ossigeno	Bilanciare le prestazioni di trasferimento con il taglio, la formazione di schiuma e lo stress biologico
Configurazione del catalizzatore	Dimensioni delle particelle, densità, porosità, resistenza, rigonfiamento, attrito	Verificare la perdita di carico, la fluidizzazione, i limiti di diffusione e la ritenzione del catalizzatore
Condizioni operative	Modalità discontinua o continua, pressione, temperatura, pH, portata del gas e del liquido	Assicurare che il reattore supporti gli intervalli di controllo e la modalità di processo richiesti
Opzioni di reattore	Letto impaccato, colonna a bolle, airlift, letto fluidizzato, fibre cave, fotobioreattore	Selezionare in base alla ritenzione cellulare, al contatto gas-liquido-solido, alla disponibilità di luce e alle esigenze di separazione
Preparazione allo scale-up	Bilanci di materia ed energia, accesso ai sensori, controllabilità, dati operativi rappresentativi	Preservare il comportamento rilevante di trasporto, cinetica, idrodinamica e tempo di permanenza
Integrazione del processo	Separazione a valle, recupero, pulizia, sterilizzazione, manutenzione, costo del ciclo di vita	Valutare l'intera linea di processo anziché la sola produttività del reattore
Sicurezza e progettazione meccanica	Classe del recipiente, guarnizioni, materiali, sistemi di scarico, accesso per l'ispezione	Verificare il funzionamento sicuro alle condizioni di pressione, temperatura e pulizia della scala pilota

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