{{{sourceTextContent.title}}}

Control de fluidos y supervisión de procesos en la fermentación biológica

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Solución para la gestión de fluidos basada en tecnología ultrasónica

{{{sourceTextContent.description}}}

En el sector biofarmacéutico, la fermentación y el cultivo celular constituyen el núcleo de la fase «upstream» de toda la cadena de procesos. Las etapas posteriores de purificación y formulación, correspondientes a la fase «downstream», dependen en gran medida de las operaciones de la fase «upstream» para obtener fluidos de cosecha homogéneos y que cumplan los requisitos de calidad. El proceso de fermentación en sí mismo es un sistema dinámico de reacciones bioquímicas que requiere una alimentación continua de sustrato, un control preciso del pH y del oxígeno disuelto (OD), así como la eliminación oportuna de los residuos metabólicos. Fundamentalmente, estas operaciones críticas se traducen en el control del flujo de fluidos: el volumen inicial de los medios de cultivo, la tasa de adición continua de nutrientes durante la fase de alimentación, la velocidad de goteo de los fluidos de ajuste ácido-base y el caudal de descarga de los líquidos residuales. La precisión de los datos de caudal repercute directamente en la concentración de sustancias y en el entorno de crecimiento celular dentro del biorreactor, lo que a su vez afecta a la consistencia de cada lote y al rendimiento del producto.

1. Retos de ingeniería en la monitorización de fluidos en los procesos de fermentación

En una planta de fermentación real, la medición del caudal dista mucho de ser una tarea sencilla. Los caudalímetros mecánicos tradicionales, como los de turbina o de engranajes, suelen requerir que sus componentes de medición estén sumergidos en el fluido, lo que plantea varios retos de ingeniería.

El primero es el riesgo de esterilidad: las complejas estructuras internas de engranajes o rotores tienden a formar zonas muertas difíciles de limpiar. Una esterilización incompleta puede provocar contaminación microbiana entre lotes.

El segundo es el daño por cizallamiento: los elementos que restringen el caudal generan una tensión de cizallamiento localizada en el fluido. Los materiales biológicos, como las células animales, son muy sensibles al cizallamiento y pueden sufrir roturas o una disminución de su viabilidad.

El tercero es el rendimiento limitado a bajos caudales: en los cultivos por lotes alimentados o por perfusión, la suplementación de nutrientes se caracteriza a menudo por caudales bajos que fluyen de forma continua durante largos periodos. Los medidores tradicionales suelen adolecer de deriva de la señal o de una sensibilidad insuficiente a bajas velocidades, lo que los hace poco fiables como señal de retroalimentación para el control en bucle cerrado.

2. Adaptabilidad de los sensores ultrasónicos a las aplicaciones

Los sensores de caudal ultrasónicos basados en el método del tiempo de tránsito ofrecen una alternativa: el propio sensor no introduce ningún componente en la tubería. Al medir la diferencia de tiempo entre las ondas ultrasónicas que viajan en sentido ascendente y descendente, calcula la velocidad del líquido sin provocar una caída de presión adicional ni generar una fuerza de cizallamiento significativa a través de estructuras mecánicas. Gracias a las diversas configuraciones de los sensores, la tecnología ultrasónica puede adaptarse a distintas condiciones de los tubos en los procesos de fermentación.

En el caso de tubos flexibles, como los de silicona, los sensores de fijación por abrazadera de la serie CG de XY-TEK pueden acoplarse directamente al exterior de la pared del tubo para realizar mediciones sin necesidad de cortar el tubo ni añadir accesorios. Esta instalación no invasiva evita el contacto con la solución farmacológica, manteniendo intactas la trayectoria cerrada del fluido y la barrera estéril, lo que resulta especialmente adecuado para biorreactores de un solo uso o flujos de trabajo con medios de cultivo en bolsas. El cuerpo del sensor integra circuitos de procesamiento de señales y ofrece múltiples opciones de salida, lo que facilita su conexión al sistema de control existente del biorreactor.

En fases piloto de I+D o en situaciones de dosificación precisa en las que los caudales descienden hasta el nivel de mililitros, los sensores ultrasónicos de bajo caudal de la serie TGU demuestran una clara ventaja. A diferencia de los diseños estándar de paso directo, la serie TGU cuenta con un exclusivo canal de medición en forma de U. Esta innovación física amplía la trayectoria de propagación de las ondas ultrasónicas en el microflujo. Como resultado, incluso a velocidades extremadamente bajas (hasta 1 ml/min), capta señales de diferencia de tiempo con una relación señal-ruido adecuada. Las partes en contacto con el fluido están fabricadas con materiales resistentes a la corrosión, lo que garantiza la compatibilidad química con medios de cultivo, tampones y soluciones ácidas o básicas.

Si el punto de monitorización se encuentra en una tubería principal de suministro de líquido de acero inoxidable o en un sistema de filtración y recogida, los sensores en línea de la serie TAD son la opción más adecuada. Fabricados íntegramente en acero inoxidable, el canal de flujo interno es liso y carece de zonas muertas o piezas móviles, lo que reduce la deriva de la medición causada por el desgaste mecánico durante el funcionamiento a largo plazo. El diseño de paso directo da lugar a una caída de presión mínima, lo que ayuda a reducir el consumo energético de las bombas de transferencia. Para procesos de fermentación continuos que se prolongan durante largos periodos, estos sensores mantienen una alta repetibilidad de ±0,1 % del fondo de escala, lo que facilita la trazabilidad de los lotes y la modelización de procesos.

Las burbujas en la tubería de fermentación suponen otro problema que requiere atención. El aire que entra en las tuberías puede provocar fluctuaciones en la lectura del caudal, el funcionamiento en vacío de las bombas o anomalías en los equipos situados aguas abajo. Los sensores de burbujas de la serie BG de XY-TEK utilizan un diseño no invasivo, que se fija al exterior de la tubería para detectar burbujas o estados mixtos de aire y líquido, y emiten señales de alarma ante la detección de anomalías. En trayectorias de flujo continuo, como la alimentación o la perfusión, esta señal puede activar la lógica de control para mitigar rápidamente los riesgos potenciales que plantean las burbujas.

3. Integración tecnológica que respalda la iteración de procesos

A medida que la industria biofarmacéutica eleva continuamente sus estándares en materia de Tecnología Analítica de Procesos (PAT) e integridad de los datos, los sensores de caudal deben integrarse a la perfección en los marcos digitales. Toda la gama de productos XY-TEK es compatible con interfaces de comunicación industriales estándar, como RS485, lo que permite la transmisión en tiempo real del caudal instantáneo, el volumen totalizado y el estado de las burbujas a sistemas SCADA o DCS. Estos datos de proceso se utilizan no solo para la monitorización y las alertas en tiempo real, sino también para sentar las bases de la creación de modelos cinéticos y el análisis de la consistencia entre lotes.

En general, la selección de sensores de caudal ultrasónicos para procesos de fermentación no se limita a la simple sustitución de componentes, sino que constituye una decisión integral que tiene en cuenta la esterilidad, el bajo esfuerzo de cizallamiento, la fiabilidad en caudales bajos y la integración de datos. Mediante la aplicación combinada de las series CG, TGU, TAD y BG, los fabricantes pueden cubrir un amplio espectro de necesidades, desde la microalimentación hasta la monitorización de la línea principal. Este enfoque proporciona información más precisa sobre el proceso sin alterar la estructura del caudal, reduce los riesgos de contaminación y las cargas de validación, y establece una base de datos sólida para la posterior optimización y ampliación del proceso.