Diseño de experimentos y biorreactores (DoE)

Muy a menudo, las aplicaciones de diseño de experimentos y biorreactores se extienden más allá del simple diseño y optimización de los medios, por ejemplo, cuando se incluyen otros factores como variables del proceso físico (por ejemplo, agitación y temperatura).

Objetivo principal

El objetivo típico en la mayoría de los ejemplos es identificar una mejor selección y composición cuantitativa de los componentes del medio para maximizar la producción y la economía del proceso.

Esto se hace principalmente utilizando el título del producto, la concentración final, el rendimiento o la productividad como respuesta de DoE en el diseño.

Aún así, una métrica de respuesta aún mejor podría ser el costo del medio de producción por volumen de producto objetivo, u otras combinaciones de parámetros de costos en el proceso de producción, como el efecto en el costo de separación y purificación, el costo de mano de obra versus la cantidad de producto objetivo, etc.

Énfasis Actual en la Literatura

Sin embargo, hasta ahora, los informes que aparecen en la literatura actual se han centrado en la mayoría de los casos en el rendimiento y la productividad del producto objetivo.

Medios para la producción de metabolitos y proteínas en cultivos microbianos

La producción de metabolitos y proteínas en un cultivo de biorreactor microbiano son las aplicaciones más típicas de diseño de experimentos y biorreactores.

Los objetivos de estos procesos coinciden con el objetivo general descrito anteriormente.

Ejemplo: Producción de Ácido Clavulánico

Debido al uso amplio y a largo plazo, así como a los márgenes ajustados de costos de producción, muchos de los ejemplos de DoE informados en la literatura involucran la parte de fermentación en la fabricación de antibióticos.

Un ejemplo típico es la producción del ácido clavulánico antibiótico a partir de Streptomyces clavuligerus.

En un estudio de DoE de 2005 realizado por Wang et al., la composición del medio se optimizó primero mediante el cribado de una variedad de ingredientes del medio en un FFD de dos niveles de Plackett-Burman (2n), al que posteriormente siguió la determinación de los niveles óptimos de los componentes del medio seleccionados por RSM.

En el cribado inicial mediante experimentos FFD, se identificó la harina de soja en polvo, FeSO4⋅7H2O y la ornitina como los factores más influyentes, mientras que el fosfato de potasio y el fosfato de magnesio no lo fueron, en términos del rendimiento de ácido clavulánico.

Determinación de Niveles Óptimos de Componentes del Medio Seleccionados por RSM

En el modelo RSM en biorreactores utilizado posteriormente basado en un diseño CCC, se determinaron las concentraciones óptimas de estos tres factores para el mayor rendimiento de ácido clavulánico (la concentración óptima de harina de soja en polvo se determinó como 38,10 g l − 1, FeSO4⋅7H2O como 0,395 g l − 1 y ornitina como 1,18 g l − 1.

El factor de correlación fue de 0,98 y el coeficiente de variación fue del 6,6%. Al ejecutar la fermentación antibiótica con estos ajustes en un lote de 72 h, el rendimiento del producto aumentó en un 50%.

Por lo tanto, simplemente utilizando el protocolo DoE estándar como se describió anteriormente, se logró una mejora profunda de la productividad de la producción.

El costo de I + D para lograr este resultado se puede estimar como muy bajo en comparación con su efecto.

Por supuesto, una nueva composición de medio de producción requerirá una mayor verificación, ampliación y validación adicional seguida de esfuerzos regulatorios debido a los requisitos para los medicamentos farmacéuticos.

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