Análisis teórico-experimental de un sistema de microfiltración para la producción de plásmidos de uso médico en un biorreactor de alta densidad

Abstract

Tesis de maestría en ciencias de la ingeniería. El desarrollo de vacunas de ADN y las terapias génicas constituyen una nueva generación de productos de la biotecnología. Uno de los procesos para la producción de estos productos es la fermentación de la célula conteniendo el ADN plasmídico de interés. Para aumentar la producción de estas células, se propone el uso de un sistema perfusivo formado por un módulo de microfiltración acoplado a un biorreactor donde se producen altas densidades celulares con un alto rendimiento específico de plásmido sin afectar la calidad del mismo. El funcionamiento adecuado del sistema depende en gran medida del funcionamiento de la unidad de microfiltración. En esta investigación se analizó teórica y experimentalmente la unidad de microfiltración de un sistema perfusivo para la producción de células de Escherichia coli conteniendo el plásmido pVAX1-NH36, orientado a producir vacunas contra la leishmaniasis. Los estudios realizados con soluciones modelo permitieron obtener expresiones tanto para la resistencia de la torta de biomasa como de la membrana del sistema de microfiltración. Los parámetros de la cinética de crecimiento se obtuvieron mediante experimentos a nivel biorreactor tanto en modo lote como perfusivo. Mediante una combinación de estudios analíticos y cinéticos se determinaron los parámetros del modelo de balance que comprende el comportamiento del crecimiento celular, del consumo de sustrato y de la formación de producto en el biorreactor perfusivo. En los estudios de simulación el sistema de ecuaciones diferenciales acopladas del modelo fue resuelto en una plataforma MATLAB. Se obtuvo una expresión de la variación de la presión transmembrana con el tiempo a partir de la teoría de microfiltración. Esta expresión, junto con los parámetros obtenidos experimentalmente y la ecuación del flujo de alimentación se utilizaron para integrar el modelo del sistema perfusivo. Este modelo integrado presenta tres variables dinámicas que cambian con el tiempo de cultivo. Los estudios citométricos llevados a cabo durante los cultivos muestran que la población celular mantiene su distribución de complejidad y tamaño a lo largo del cultivo, sugiriendo que la técnica de perfusión ayuda a una adecuada propagación celular. Para definir el espacio de diseño del sistema, se recomiendan diferentes arreglos de alimentación al biorreactor o aumentar el área de permeado para minimizar taponamiento de la membrana. Una combinación de estos métodos podría ser la estrategia óptima un funcionamiento eficaz del sistema. El estudio de costos marginales permitió realizar una evaluación económica comparativa del sistema perfusivo respecto al sistema por lotes. Los resultados muestran que el incremento en la productividad del plásmido justifica la inversión y costos adicionales asociados al sistema de microfiltración. Esta investigación apoya la factibilidad técnica y económica de un sistema para la producción de plásmidos de uso médico utilizando una técnica novedosa consistente en un cultivo perfusivo con alimentación exponencial. La realización de más investigación contribuirá en el avance de estos indicadores.