L’activitat de recerca i desenvolupament en el camp de la biotecnologia genera de forma
altament dinàmica noves cèl· lules i productes d’interès en múltiples sectors. En aquest
context, cal explorar en temps raonables i amb mitjans altament tecnificats i
estandarditzats, el potencial productor de les diferents cèl· lules modificades, en quant al
seu creixement, la capacitat producció i la qualitat dels productes obtinguts. Establir les
condicions d’un procés productiu basat en cèl· lules requereix completar un nombre
d’etapes molt elevat: des de la selecció del model cel· lular i la realització de treballs de
biologia molecular fins a assolir un procés productiu amb unes condicions optimitzades.
En aquest treball es presenta el disseny i desenvolupament d’un sistema de múltiples
minibioreactors orientats a escometre les primeres fases del desenvolupament del
bioprocés de forma ràpida, sistemàtica i amb informació rellevant sobre l’evolució de les
principals variables de cultiu, de manera que sigui possible realitzar, entre altres
experiments, la selecció de clons, caracterització del seu comportament en cultiu,
optimització de medis de cultiu, i proves de toxicitat de molècules sobre els perfils dels
cultius.
El disseny del sistema de múltiples minibioreactors presentat reuneix els avantatges dels
sistemes habituals de cultiu a petita escala, com són el treball amb volums reduïts i la
capacitat de realitzar diversos cultius en paral· lel, així com els avantatges del treball
amb reactors de major volum, com són l’homogeneïtat i el coneixement que les
principals variables del cultiu estan en valors no limitants per a aquest. Així doncs, s’ha
donat una elevada importància a que els minibioreactors disposin d’un sistema
d’agitació que permeti assegurar l’homogeneïtat del seu contingut, i a disposar de
sistemes de seguiment. Aquests permeten d’una banda conèixer els valors de les
variables dels cultius, i d’altra banda la caracterització del comportament de les cèl· lules
estudiades, obtenint dades útils per al disseny dels bioprocessos corresponents que
puguin ser transferires amb èxit els processos cap a majors escales, i permetent
prosseguir el camí cap a l’escala de producció sense que apareguin incidències,
bàsicament pèrdues de productivitat, degudes a la manca de coneixement existent
habitualment en les cultius a petita escala.
Prèviament a iniciar l’etapa de desenvolupament tecnològic, s’ha realitzat un estudi
preliminar per tal de tenir un major coneixement de les prestacions necessàries dels
equips, tant pel que fa a la funcionalitat dels sistemes que proporcionen les condicions
necessàries per al creixement dels cultius (agitació i aeració), com pel que fa a la potencialitat i limitacions dels sistemes de seguiment seleccionats. D’entrada, l’objectiu
ha estat seguir el pH i l’oxigen dissolt com a variables del cultiu, la concentració
cel· lular per a conèixer el creixement, i el consum d’oxigen com a indicador metabòlic,
si bé el pH també és una variable que dóna informació interessant relativa al
metabolisme i fisiologia dels cultius.
Donats els diferents enfocaments de desenvolupament possibles en funció dels models
cel· lulars a emprar, se n’ha seleccionat un d’ells, les cèl· lules animals. Així, el disseny
detallat del sistema de minibioreactors s’ha orientat cap a aplicacions amb aquest model
cel· lular, i aquesta elecció també s’ha tingut en compte en el capítol de
desenvolupament, on s’han posat a punt els sistemes per a permetre la realització
d’aquest tipus de cultius (bàsicament agitació i aeració), realitzant una caracterització
hidrodinàmica dels minibioreactors desenvolupats. D’altra banda, també en aquest
capítol es presenta el desenvolupament de les tècniques per a seguir la concentració
cel· lular, el pH, l’oxigen dissolt i consum d’oxigen.
La darrera part d’aquest treball, una vegada desenvolupades i validades les diferents
tecnologies, consta de la realització de cultius emprant diferents tipus de cèl· lules,
valorant la reproduïbilitat de l’equip i discutint la informació que aquest proporciona
quan una línia cel· lular es cultiva a condicions diferents.
Finalment, també cal remarcar que aquest treball obre les portes al desenvolupament de
noves prestacions per al sistema de múltiples minibioreactors desenvolupat, com són el
control del pH i de l’oxigen dissolt, i la possible utilització del sistema per al cultiu de
bacteris i llevats. / The research and development in the biotechnological field generates a vast amount of
new cells and products of interest for various economical sectors. In this framework, it is
needed to explore, in reasonable times and with automated means, the potential of the
generated, regarding its growth, productivity and quality of the obtained products.
Establishing the culture conditions of a productive process based in cells required
accomplishing several stages: from the selection of the cellular system and the
realization of molecular biology works to the achievement of a bioprocess having
optimized conditions.
In this work the design and development of a multiple minibioreactor system is
presented, having the aim of fastening the first stages of the bioprocess development, in
a systematic way, and acquiring relevant information regarding the evolution of the
main culture variables, making possible the realization of various sorts of experiments
such as clone selections, the characterization of its culture performance, the culture
medium optimization, and the toxicological evaluation of molecules.
The design of the multiple minibioreactor system combines the benefits of the usual
small scale culture systems, such as the consumption of small amounts of medium ad
the capability of performing multiple parallel cultures, and the benefits of larger scale
culture systems, such as the homogeneity and the knowledge of the main culture
variables, ensuring these do not have limiting values.
Consequently, special attention has been paid to the development of a stirring system
ensuring the homogeneity of the bioreactor content and to the monitoring systems
allowing the characterization of the cell growth and metabolism, which permits having
sufficient data to upscale the process, minimizing the risks of such duty.
Before starting the technological development stage, a preliminary study has been done
with the aim of identifying and characterizing the required equipment features,
regarding the auxiliary equipment supplying the culture conditions (stirring, aeration),
and also regarding the potentiality and limitations of the monitoring systems. The main
culture environmental variables to be monitored are pH and dissolved oxygen, whereas
to monitor growth cellular concentration is to be followed. Additionally, oxygen
consumption is to be used as a metabolic indicator, and pH is also a variable from which
it can be obtained interesting information regarding culture physiology and metabolism.
Given the different design possibilities for the required technologies depending on the
cellular models to be used, one of them, precisely mammalian cells have been chosen.
Thus, the detailed design and development of the minibioreactor system has been
directed towards applications with such cellular model, paying special attention to the
characteristic requirements of mammalian cells (basically agitation and aeration), and to
the hydrodynamic characteristics of the system. On the other hand, also in the
technological development chapter, techniques to monitor cell concentration, pH,
dissolved oxygen and oxygen consumption have been implemented.
Once the technological development has been completed and the required functionalities
validated, in the last part of this work various cultures are performed with the aim of
evaluating the culture reproducibility, and the information obtained by the equipment as
it is used for culturing a certain cell line at various conditions.
Finally, it is also interesting to underline the potential fields of development based on
this work: new features of the multiple minibioreactor system, such as the pH and
dissolved oxygen controls, and the potential use of the system for the culture of bacteria
and yeast.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/48713 |
| Date | 22 December 2010 |
| Creators | Soley Astals, Albert |
| Contributors | Gòdia i Casablancas, Francesc, Cairó i Badillo, Jordi Joan, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Enginyeria Química |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | Catalan |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 332 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
Page generated in 0.0031 seconds