Volume útil, organismo, oxigénio, automatização e validação: as cinco perguntas que o ajudarão a escolher o biorreator ou fermentador adequado para o seu processo.
Quando comparamos as características de um biorreator, o dado que mais se destaca costuma ser o volume nominal. No entanto, é esse o fator que menos influencia o sucesso de um projeto.
Um equipamento bem escolhido define-se por cinco critérios: de quanto volume útil necessita, que organismo cultiva, qual é a necessidade de oxigénio da sua cultura, que nível de controlo exige e que tipo de validação o seu setor irá exigir.
No Techmi Group, fabricamos biorreatores e fermentadores com capacidades que vão de 0,25 L a 30 000 L. Neste artigo, abordamos as cinco perguntas e indicamos qual o equipamento da nossa gama que responde a cada uma delas. Do laboratório à unidade industrial.
1. Qual é o teu volume de trabalho real e em que fase de expansão te encontras?
O volume nominal de um tanque não corresponde ao volume útil. A espuma, a aeração e o espaço livre na parte superior limitam a quantidade de matéria-prima que se pode carregar. O Techmi Bio 500 funciona entre 200 e 400 L; o Techmi Bio 1000, entre 800 e 900 L; e os fermentadores de sólidos operam com um enchimento de 30 % a 50 %. Dimensiona sempre com base no volume de trabalho.
A segunda parte da pergunta é em que ponto da cadeia de escalonamento te encontras, porque cada etapa requer uma equipa diferente:
- Desenvolvimento e laboratório (0,25 a 10 L). O Techmi Bio Lab com tanque de vidro é o ponto de partida. Se precisar de comparar condições, a versão com tanque duplo permite realizar duas culturas em paralelo ou separadamente, e a estação com vários frascos permite fazer o rastreio de estirpes e otimizar meios com controlo independente de cada frasco.
- Escala piloto (20, 30 e 50 L). O Techmi Bio Pilot e o Techmi Bio Pharma, em aço inoxidável 316L, reproduzem fermentações em condições semelhantes às industriais. É o primeiro passo de um processo de escalonamento.
- Produção de pequena ou média escala (500 e 1 000 L). Servem tanto para a produção como de etapa intermédia para volumes maiores. O Bio 1000 pode ser fornecido numa versão dupla, com dois fermentadores.
- Produção industrial (até 30 000 L). O fermentador industrial Techmi Bio 30 000 L é concebido à medida do processo.
Laboratório → Instalação piloto → Produção industrial
Se o teu processo vai ser escalado, é aconselhável definir a cadeia completa desde o início. Uma linha de escalamento da fermentação integra fermentadores de 20 a 30 000 L, de modo que cada etapa é concebida para alimentar a seguinte e não é necessário redesenhar entre uma e outra. Se quiseres aprofundar o assunto, explicamos-te tudo em Qual é a importância de escolher o biorreator adequado para o futuro dos teus bioprocessos?
2. Que organismo cultivas e o que isso exige da equipa?
As bactérias, as leveduras, os fungos filamentosos ou as células têm necessidades diferentes. A viscosidade do caldo, a sensibilidade ao cisalhamento e a tendência para formar espuma determinam o tipo de agitação, a vedação e a estratégia de antiespumante.
Por exemplo, o Techmi Bio Lab é utilizado para cultivar microrganismos como o Bacillus subtilis, o Trichoderma harzianum, o Bradyrhizobium japonicum ou o Rhizobium phaseoli, com aplicação em enzimas, bioinsumos e biofertilizantes.
As decisões de conceção que variam consoante o organismo são as seguintes:
- Material do tanque. Vidro com fundo oval e camisa de água em laboratório (0,25 a 10 L); aço inoxidável 316L a partir de 20 L.
- Sistema de agitação. O Bio Lab agita entre 50 e 2 000 rpm com uma precisão de ±1 rpm. Nos equipamentos de 20 a 50 L, é possível optar por um acionamento direto superior ou por um acoplamento magnético inferior, o que evita que o eixo atravesse a parede do tanque: uma vantagem quando o cultivo é prolongado e o risco de contaminação deve ser mínimo.
- Tipo de fermentação. Se o teu organismo se desenvolve melhor num substrato sólido do que num meio líquido, precisas de outro tipo de reactor.
Para a fermentação em estado sólido, o Techmi Bio Fes FSS é um fermentador horizontal de tambor agitado com pás internas de fluxo axial e radial, que gira entre 0 e 22 rpm com um motor reversível. Controla a temperatura, a velocidade de agitação e a humidade, é fabricado em aço inoxidável 316L e está disponível em tamanhos de 10 a 1 000 L, bem como à medida. É a opção ideal para a esporulação de Trichoderma, enzimas, probióticos e biofertilizantes em grãos, cascas de cereais ou outros resíduos agrícolas.
A questão fundamental é simples: o teu organismo é cultivado em meio líquido ou em meio sólido? Disto depende o tipo de equipamento que deves procurar.
3. De quanto oxigénio necessita a tua cultura no pico da procura?
A transferência de oxigénio é o principal obstáculo quando um processo aeróbico passa do laboratório para a unidade de produção. A velocidade a que se pode fornecer oxigénio dissolvido ao caldo é expressa da seguinte forma:
OTR = kLa · (C* – CL)
Onde C* é a solubilidade do oxigénio nas condições de funcionamento e CL é a concentração de oxigénio dissolvido no caldo. O coeficiente kLa depende da agitação, do caudal de ar, da pressão, da geometria do tanque e das propriedades do meio.
O que o equipamento deve cobrir não é a procura média da cultura, mas sim a procura no pico, que geralmente ocorre no final da fase exponencial ou durante a alimentação em fed-batch.
Ao avaliar um biorreator, verifique três aspetos:
- Gama de agitação. Os nossos sistemas de agitação cobrem um intervalo de 50 a 1 000 rpm, dependendo do tamanho do tanque, e o Bio Lab atinge 2 000 rpm em laboratório.
- Pressão de funcionamento. Nos fermentadores de grande escala, é possível configurá-la até 3 bar, o que aumenta a solubilidade do oxigénio.
- Controlo do oxigénio dissolvido (OD). Os sistemas de escalonamento controlam-no entre 0 e 100 %, com uma precisão de ±0,1 %.
Pede sempre ao fabricante o OTR máximo ou o kLa do equipamento nas tuas condições de processo e mede-o em pequena escala antes de proceder à ampliação. O Bio Lab de tanque duplo foi concebido, entre outras utilizações, para estudos de cinética, de transferência de oxigénio (kLa) e de ampliação, para que possas obter os dados iniciais antes de decidir o tamanho do equipamento definitivo.
4. De que nível de automatização precisas?
A automatização não é um extra: determina a reprodutibilidade entre lotes e a quantidade de trabalho manual que cada fermentação exige. O nível adequado depende da fase:
- Laboratório. O Bio Lab e o Bio Lab de tanque duplo integram controlo de temperatura, pH, oxigénio dissolvido e agitação, com quatro bombas peristálticas para dosear ácido, base, antiespumante e meio. Suportam processos em batch e fed-batch, e o seu ecrã tátil a cores regista os dados com rastreabilidade. A estação de múltiplos recipientes acrescenta controlo independente por recipiente e receitas de processo que podem ser guardadas.
- Piloto. Os equipamentos de 20 a 50 L incorporam um PLC Siemens com ecrã tátil de 10″, controlo PID com autoajuste e valores de referência por curvas seccionadas. Incluem alarmes de nível e de espuma com reposição e adição automática de antiespumante, registo de eventos, relatórios de lote e gestão de palavras-passe.
- Industrial. Os equipamentos de 500 e 1 000 L dispõem de cinco elétrodos para controlo automático, bombas peristálticas de reposição, tampa com elevação automática e PLC Siemens da série S7-1200. Nos fermentadores industriais e de sólidos, são adicionados monitorização à distância e automatização personalizada.
Antes de escolher, responda a três perguntas: o seu processo é do tipo batch ou fed-batch? Precisa de rastreabilidade completa dos dados de cada lote para uma auditoria? E o equipamento deve integrar-se com o SCADA ou com o sistema de controlo da sua fábrica? Uma resposta afirmativa à segunda ou à terceira pergunta leva-o a um nível de automatização superior ao de um simples controlador de secretária.
5. Que tipo de validação e documentação exige o teu setor?
A validação de um insumo agrícola não é igual à de um processo farmacêutico, e o custo de se cometer um erro na classificação só se torna visível no final do projeto, quando o equipamento já está instalado.
No que diz respeito ao design, eis os pontos que convém verificar:
- Aço inoxidável 316L e ausência de ângulos mortos no tanque, o que facilita a limpeza e reduz o risco de contaminação.
- Válvulas especiais de amostragem e descarga, tanto no depósito como nas tubagens de transferência.
- Limpeza e esterilização no local (CIP/SIP) nas linhas de produção.
- Construção em conformidade com as normas GMP. O Techmi Bio Pharma, com capacidade de 20 a 50 L, foi concebido para laboratórios e processos que exigem o cumprimento das normas GMP.
No que diz respeito à documentação e qualificação, defina desde o URS, e não só no final, o que o seu auditor ou cliente lhe irá solicitar: o pacote documental do equipamento, os testes de aceitação na fábrica e na instalação (FAT e SAT) e as qualificações de instalação, operação e desempenho (IQ, OQ e PQ). Se o seu processo for farmacêutico, verifique também como o sistema de controlo gere a integridade dos dados: acesso por utilizador com palavra-passe, registo de eventos e alarmes e rastreabilidade de cada lote.
Peça sempre ao fabricante, por escrito, que indique que documentação fornece e que normativa se aplica a cada equipamento específico.
Que equipamento da gama corresponde a cada fase
Resumo da gama de biorreatores e fermentadores do Techmi Group, de acordo com a escala e a utilização.
| Equipa | Escala | Utilização principal | Controlo e automatização |
|---|---|---|---|
| Techmi Bio Lab | 0,25 a 10 L (vidro) | I&D, desenvolvimento de processos, enzimas e bioinsumos | Agitação de 50 a 2 000 rpm, quatro bombas peristálticas, em modo batch e fedbatch |
| Bio Lab de tanque duplo | 0,25 a 10 L | Ensayos comparativos en paralelo, estudios de kLa y escalado | Temperatura ±0,1 °C, pH, OD e agitação, registo e rastreabilidade |
| Estação de fermentação com múltiplos recipientes | Vários copos de pequeno volume | Triagem de estirpes e otimização de meios de cultura | Controlo independente por copo, 0 a 1 000 rpm, receitas guardáveis |
| Techmi Bio Pilot | 20, 30 e 50 L (316L) | Escalonamento, obtenção de parâmetros, amplificação de sementes | PLC Siemens, ecrã de 10″, PID com ajuste automático, relatórios de lote |
| Techmi Bio Pharma | 20, 30 e 50 L (316L) | Processos que exigem GMP, farmacêuticos e biotecnológicos | Curvas por troço, alarmes de nível e espuma, registo de eventos |
| Techmi Bio 500 | 500 L (200 a 400 L de capacidade útil) | Pequena produção e etapa intermédia dos comboios | Cinco elétrodos, PLC Siemens S7-1200, tampa com elevação automática |
| Techmi Bio 1000 | 1 000 L (800 a 900 L de capacidade útil) | Produção pequena ou média, versão dupla com dois tanques | Cinco elétrodos, PLC Siemens S7-1200, tampa com elevação automática |
| Scale-up de fermentação | 20 a 30 000 L | Cadeia completa de escalonamento com CIP/SIP | Temperatura ±0,1 °C, pH 2 a 12 (±0,01), OD 0 a 100 %, até 3 bar |
| Industrial 30.000 L | Até 30 000 L, à medida | Grandes produções industriais | Automatização e fluxo personalizados, monitorização à distância |
| Bio Fes FSS | 10 a 1 000 L e à medida (sólidos) | Fermentação em estado sólido de fungos | Temperatura, humidade e velocidade (0 a 22 rpm), SCADA e monitorização à distância |
Lista de verificação para o teu URS
Antes de solicitar uma proposta, certifica-te de que as tuas especificações cumprem os seguintes pontos:
- Volume de trabalho (não nominal) e fase da cadeia de produção em que o equipamento será utilizado.
- Organismo, tipo de fermentação (submersa ou em estado sólido) e requisitos de agitação, cisalhamento e espuma.
- Necessidade de oxigénio no pico (OUR) e valores de OTR ou kLa garantidos pelo fabricante.
- Modo de funcionamento (batch ou fed-batch), nível de automatização, registo de dados e integração com o SCADA.
- Material, conceção higiénica, CIP/SIP e normativas aplicáveis (BPF ou outras).
- Documentação e qualificações exigidas: FAT, SAT, IQ, OQ e PQ.
- Documentação e qualificações exigidas: FAT, SAT, IQ, OQ e PQ.
Responder a estas perguntas antes de solicitar um orçamento evita o sobredimensionamento do equipamento, reduz as iterações de conceção e encurta o caminho até ao primeiro lote.
Porque escolher bem um biorreator não significa escolher o maior: significa escolher aquele que melhor se adapta ao seu processo, hoje e em qualquer escala.
Está a ponderar adquirir um biorreator ou precisa de ampliar um processo já existente? A nossa equipa pode analisar o seu caso e ajudá-lo a definir a solução adequada para cada etapa. Escreva-nos para info@techmigroup.com ou contacte-nos.