Las plantas piloto de bioprocesos y fermentación mantienen el oxígeno disuelto (OD) igualando continuamente la transferencia de oxígeno con el consumo biológico de oxígeno. Un sensor de OD mide la concentración del caldo en tiempo real, mientras un sistema de control en cascada ajusta la agitación, el flujo de aire estéril, la composición del gas, la presión del reactor o el suministro de oxígeno puro. Durante el crecimiento exponencial de la biomasa, el objetivo operativo suele mantenerse por encima de aproximadamente 20 % de la saturación de aire, aunque el valor crítico correcto depende del organismo, la línea celular, el producto y el proceso.
El problema central de control consiste en mantener la velocidad de transferencia de oxígeno (OTR) al menos igual a la velocidad de consumo de oxígeno (OUR). El OD disminuye cuando las células en crecimiento consumen oxígeno más rápido de lo que el reactor puede transferirlo de la fase gaseosa al líquido, por lo que las plantas piloto aumentan la mezcla y la disponibilidad de oxígeno antes de que el cultivo alcance una limitación de oxígeno.
Cómo controlan las plantas piloto el oxígeno disuelto
Medición del OD en tiempo real
Una sonda polarográfica u óptica de OD mide la concentración de oxígeno en la fase líquida. El controlador compara esta medición con un punto de consigna de OD definido, que suele expresarse como un porcentaje de la saturación de aire.
El punto de consigna no es universal. Los cultivos microbianos aerobios pueden operarse por encima de aproximadamente el 20 % de saturación para evitar limitaciones en la velocidad de crecimiento, mientras que algunos procesos con células de mamífero utilizan objetivos cercanos al 30 % de saturación u otro umbral específico de la línea celular.
Control de la agitación en cascada
La primera acción de control suele ser aumentar la velocidad del impulsor. Una mayor agitación dispersa las burbujas de gas, incrementa el área interfacial gas-líquido y reduce la resistencia de la película líquida.
Estos efectos aumentan el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno, kLa, permitiendo que el oxígeno pase de las burbujas al caldo con mayor rapidez. La agitación es eficaz, pero aumenta el consumo de energía y puede incrementar el esfuerzo cortante.
Control de la aireación y la composición del gas
Si aumentar la agitación no es suficiente, el sistema puede elevar el caudal de aire estéril a través del difusor. Los difusores de anillo y de tubo se utilizan habitualmente para distribuir el gas por el cultivo.
Un mayor flujo de aire aumenta el suministro de oxígeno, pero también puede provocar formación de espuma, un arrastre excesivo de gases y mayores pérdidas por evaporación. Por este motivo, el flujo de aire suele ajustarse dentro de límites operativos definidos.
Gas enriquecido con oxígeno u oxígeno puro
El controlador puede aumentar la fracción de oxígeno en el gas de entrada cuando el aire y la agitación ya no proporcionan suficiente capacidad de transferencia. El suministro de oxígeno puro resulta especialmente útil durante el crecimiento de alta densidad en procesos de alimentación por lotes, cuando la demanda de oxígeno aumenta considerablemente.
El aumento de la fracción de oxígeno eleva la fuerza impulsora del lado líquido porque aumenta la concentración de oxígeno en saturación, C*. Esto puede estabilizar el OD sin requerir un flujo de aire o una agitación impracticablemente elevados.
Presión y diseño del reactor
El aumento de la presión del reactor también puede incrementar la solubilidad del oxígeno y, por tanto, la fuerza impulsora de la transferencia de oxígeno. En los fermentadores de tipo airlift, la selección de la presión puede evaluarse junto con la velocidad superficial del gas, la fracción de oxígeno consumida, la geometría del recorrido del flujo y los parámetros cinéticos biológicos.
Los cálculos de diseño o las simulaciones pueden estimar el perfil de OD a través de distintas regiones del reactor. Posteriormente, la presión de operación se ajusta iterativamente para alcanzar la concentración de oxígeno deseada, manteniéndose dentro de los límites mecánicos y del proceso.
¿Qué determina la demanda de oxígeno?
Concentración de biomasa
El principal factor de primer orden suele ser la cantidad de biomasa con respiración activa en el reactor. A medida que aumenta la densidad celular, la velocidad total de consumo de oxígeno generalmente aumenta, incluso si la demanda de oxígeno de cada célula permanece sin cambios.
Una relación útil es:
[ OUR = q_{O_2}X ]
donde OUR es la velocidad volumétrica de consumo de oxígeno, (q_{O_2}) es la velocidad específica de consumo de oxígeno y (X) es la concentración de biomasa.
Consumo específico de oxígeno
La velocidad específica de consumo de oxígeno refleja la rapidez con la que cada unidad de biomasa utiliza oxígeno. Cambia según la velocidad de crecimiento, la disponibilidad de sustrato, la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto, el equilibrio de nutrientes y el estado fisiológico de las células.
Las células pueden consumir oxígeno para la síntesis de biomasa, la generación de energía, el mantenimiento, la expresión de productos recombinantes, la replicación de plásmidos y otras actividades metabólicas. En consecuencia, la demanda de oxígeno no puede deducirse únicamente a partir de la concentración de sustrato.
Velocidad de crecimiento y estado metabólico
La demanda de oxígeno suele aumentar durante el crecimiento exponencial porque el cultivo sintetiza nueva biomasa a una velocidad elevada. En un proceso de alimentación por lotes, un incremento de la velocidad de alimentación puede elevar aún más el consumo de oxígeno si el sustrato añadido favorece un crecimiento más rápido.
La relación no siempre es lineal. La limitación de oxígeno, el metabolismo de desbordamiento del carbono, el estrés o la formación de productos pueden redirigir el metabolismo y modificar tanto el consumo de oxígeno como la producción de dióxido de carbono.
Sustratos de carbono y nitrógeno
La formación de biomasa no implica la oxidación completa de todo el sustrato de carbono a dióxido de carbono y agua. Parte del carbono y del nitrógeno se incorpora al material celular, mientras que el resto puede formar dióxido de carbono, agua, ácidos orgánicos, alcoholes u otros metabolitos extracelulares.
Por tanto, el requerimiento de oxígeno depende de la ruta metabólica y estequiométrica real. La misma alimentación de glucosa puede generar distintas demandas de oxígeno en diferentes condiciones de crecimiento o con distintos organismos.
Expresión recombinante y mantenimiento de plásmidos
Los microorganismos recombinantes pueden requerir oxígeno adicional para la replicación y el mantenimiento de plásmidos, así como para la expresión de proteínas heterólogas. Una elevada carga de expresión puede aumentar las necesidades energéticas y modificar el comportamiento respiratorio del cultivo.
Una disminución repentina del OD o grandes fluctuaciones del OD pueden provocar cambios metabólicos y, en cultivos que contienen plásmidos, contribuir a la inestabilidad plasmídica. Por ello, un control automático estable es importante tanto para la formación de biomasa como para la uniformidad del producto.
Reología del caldo y densidad celular
A medida que se acumula la biomasa, la viscosidad del caldo puede aumentar. Un caldo más viscoso reduce la dispersión de las burbujas e incrementa la resistencia a la transferencia de masa, disminuyendo la capacidad efectiva de transferencia de oxígeno.
Por tanto, la densidad celular y la reología del caldo influyen en el suministro de oxígeno tanto de forma indirecta como directa. Un reactor que transfiere suficiente oxígeno a baja densidad puede quedar limitado por oxígeno más adelante en el mismo lote.
El equilibrio de la transferencia de oxígeno
Velocidad de transferencia de oxígeno
El reactor debe transferir oxígeno de la fase gaseosa al líquido a una velocidad que satisfaga el consumo celular. Una expresión simplificada es:
[ OTR = k_La(C^* - C_L) ]
donde (k_La) representa la capacidad de transferencia de oxígeno, (C^*) es la concentración de saturación bajo las condiciones actuales de gas y presión, y (C_L) es la concentración real de OD en el líquido.
El sistema de control puede aumentar la OTR elevando (kLa) mediante la agitación y la aireación, o aumentando (C^*) mediante el enriquecimiento con oxígeno y la presión.
Velocidad de consumo de oxígeno
La OUR representa la demanda biológica de oxígeno. Aumenta con la biomasa activa, la actividad respiratoria específica y la carga metabólica impuesta por el crecimiento o la formación de productos.
El requisito operativo fundamental es:
[ OTR \geq OUR ]
Cuando la OUR supera la OTR, el OD medido disminuye hacia su nivel crítico. Si el desequilibrio persiste, pueden deteriorarse la velocidad de crecimiento, la viabilidad, la productividad o la calidad del producto.
Gradientes locales de oxígeno
Una lectura satisfactoria del OD en el volumen total no garantiza una disponibilidad uniforme de oxígeno en todo el recipiente. Las regiones mal mezcladas pueden quedar limitadas por oxígeno incluso cuando el sensor informa de una concentración media aceptable.
Esta es una de las razones por las que las plantas piloto evalúan la posición de los impulsores, el diseño del difusor, el tiempo de mezcla, la distribución del gas y la capacidad de agitación, en lugar de basarse únicamente en el punto de consigna de OD.
Cómo se evalúa la demanda de oxígeno
Cociente respiratorio
El cociente respiratorio (RQ) es la relación molar entre el dióxido de carbono producido y el oxígeno consumido:
[ RQ = \frac{\text{moles de } CO_2 \text{ producidos}}{\text{moles de } O_2 \text{ consumidos}} ]
El análisis de los gases de salida de oxígeno y dióxido de carbono puede revelar cambios en el estado metabólico y ayudar a identificar cambios causados por un exceso de sustrato, una limitación de oxígeno o una alteración en la formación del producto.
El RQ es un indicador de monitorización del proceso, no un sustituto de la medición directa del OD. Su interpretación depende de las rutas metabólicas activas en el cultivo.
Demanda química y demanda total de oxígeno
La Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda Total de Oxígeno (DTO) pueden proporcionar medidas empíricas del oxígeno necesario para oxidar el material presente en una corriente de proceso o en una muestra.
Estas medidas pueden respaldar los balances de materia y las evaluaciones del tratamiento de residuos, pero no equivalen directamente a la velocidad biológica de consumo de oxígeno de un cultivo vivo. Por tanto, deben utilizarse junto con mediciones de biomasa, análisis de gases de salida y ensayos de transferencia de oxígeno en el reactor.
Ensayos de transferencia de oxígeno
Las plantas piloto suelen caracterizar el rendimiento de la transferencia de oxígeno bajo condiciones relevantes de agitación, flujo de aire, presión, temperatura y viscosidad del caldo. Los datos de transferencia resultantes definen la capacidad práctica del reactor.
Los ensayos deben abarcar la concentración máxima de biomasa y la velocidad de alimentación previstas, porque el rendimiento de la transferencia de oxígeno suele empeorar a medida que el cultivo se vuelve más denso o viscoso.
Comprensión de las compensaciones
Agitación excesiva
Aumentar la velocidad del agitador es una forma rápida de incrementar la transferencia de oxígeno, pero consume más energía y puede dañar las células sensibles al esfuerzo cortante. También puede generar calor que el sistema de refrigeración debe eliminar.
Por tanto, la velocidad de agitación más alta posible no es un objetivo general apropiado. El objetivo es lograr una transferencia de oxígeno suficiente dentro de límites aceptables de esfuerzo cortante, consumo energético y temperatura.
Flujo de aire excesivo
Un flujo elevado de gas puede mejorar la disponibilidad de oxígeno, pero puede producir demasiada espuma y aumentar el riesgo de daño celular en la interfaz gas-líquido. Los sistemas de control de espuma y las adiciones de antiespumante pueden afectar por sí mismos la transferencia de masa y el procesamiento posterior.
El flujo de aire debe coordinarse con la agitación y la composición del gas, en lugar de tratarse como una variable de control ilimitada.
Suministro de oxígeno puro
El oxígeno puro proporciona una capacidad de transferencia considerable, especialmente en cultivos de alta densidad. Sin embargo, aumenta los costes operativos y requiere sistemas adecuados de manejo, control y seguridad de gases.
El enriquecimiento con oxígeno debe introducirse de acuerdo con una estrategia de control en cascada definida, con límites que eviten un control inestable o una exposición excesiva al oxígeno en cultivos sensibles.
Dependencia excesiva de un único umbral de OD
Un objetivo de OD como el 20 % de saturación es una referencia operativa útil, no una regla biológica universal. La concentración crítica de oxígeno varía según el organismo, la línea celular, la temperatura, la presión, la composición del medio y el objetivo del proceso.
El proceso debe caracterizarse en función de sus requisitos reales de crecimiento y productividad, en lugar de copiar un punto de consigna de otro sistema.
Cómo elegir la opción adecuada para su objetivo
El enfoque más fiable consiste en definir la demanda de oxígeno en todo el rango operativo previsto y configurar una cascada que preserve la capacidad de OTR a medida que aumentan la biomasa y la viscosidad.
- Si su objetivo principal es maximizar la biomasa: Mantenga el OD por encima del umbral crítico específico del cultivo y utilice la agitación, la aireación y el enriquecimiento con oxígeno para evitar la limitación de oxígeno durante el crecimiento máximo.
- Si su objetivo principal es la producción de proteínas recombinantes: Tenga en cuenta la carga respiratoria adicional del mantenimiento y la expresión de plásmidos, y priorice un control estable del OD frente a las acciones correctivas a corto plazo.
- Si su objetivo principal es el escalado: Compare la OUR prevista con la capacidad de transferencia de oxígeno medida, incluidos los efectos de la reología del caldo, el diseño del difusor, la presión y la mezcla.
- Si su objetivo principal es la monitorización del proceso: Combine las tendencias del OD con las mediciones de oxígeno y dióxido de carbono en los gases de salida, el RQ, los datos de biomasa y la información de alimentación de sustrato.
- Si su objetivo principal es la energía y el coste operativo: Utilice los niveles más bajos de agitación, flujo de aire, presión y enriquecimiento con oxígeno que mantengan la OTR de forma fiable por encima de la OUR.
Al considerar el oxígeno disuelto como un equilibrio dinámico entre la demanda biológica y la capacidad de transferencia del reactor, las plantas piloto pueden mantener el crecimiento, la productividad y la uniformidad del proceso.
Tabla resumen:
| Factor clave | Función en el control del OD o la demanda de oxígeno | Consideraciones prácticas |
|---|---|---|
| Sensor y punto de consigna de OD | Mide el oxígeno del caldo y mantiene la concentración objetivo | Establezca el nivel crítico de OD según el organismo, la línea celular y el objetivo del proceso |
| Velocidad de transferencia de oxígeno (OTR) | Suministra oxígeno desde la fase gaseosa al líquido | La OTR debe mantenerse igual o por encima de la OUR |
| Velocidad de consumo de oxígeno (OUR) | Representa el consumo biológico de oxígeno | Aumenta con la biomasa, la velocidad de crecimiento, la actividad respiratoria y la expresión del producto |
| Agitación | Mejora la dispersión de las burbujas y aumenta la kLa | Las velocidades más altas incrementan el consumo de energía y pueden aumentar el esfuerzo cortante |
| Aireación y difusión | Suministra oxígeno y mejora el contacto gas-líquido | Un flujo de aire excesivo puede causar formación de espuma, arrastre y evaporación |
| Enriquecimiento con oxígeno y presión | Aumenta la solubilidad del oxígeno y la fuerza impulsora de la transferencia | Es útil para cultivos de alta densidad; requiere controles de costes y seguridad |
| Biomasa y reología del caldo | Una mayor densidad celular aumenta la demanda y la viscosidad | Los caldos densos o viscosos pueden reducir la capacidad de transferencia de oxígeno |
| Estado metabólico | Determina el consumo específico de oxígeno y la formación de subproductos | Monitorice el crecimiento, la alimentación de sustrato, la expresión recombinante y el estrés |
| Análisis de gases de salida y RQ | Registra el consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono | Combínelo con el OD, la biomasa, la alimentación y los ensayos de transferencia para obtener un diagnóstico fiable |
| Ensayos de escalado | Confirman la capacidad de transferencia de oxígeno en condiciones reales del proceso | Analice la biomasa máxima, la velocidad de alimentación, la viscosidad, la agitación, el flujo de aire y la presión |
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