Contribution to the development of methods and systems for the automatization during the early stages of bioprocess development

Abstract

This thesis is framed within the field of red biotechnology and more specifically in the development of bioprocesses for cell species that feature some therapeutical interest, either for the production of vaccines and monoclonal antibodies or stem cell experimental research. The main objective was the development and application of different instrumental techniques for the control and online monitorization of cell cultures. Oxygen consumption OUR (Oxygen Uptake Rate) was chosen as the central theme since this parameter has often been referenced as the most straighforward indicator of metabolic activity in animal cell culture. This thesis was carried out in the context of a Spin-Off project (Hexascreen Culture Technologies) whose objective was the development of disposable Minibioreactors intended for biopharmaceutical research. Obviously, this has led to a number of important trade-offs, as well as the proposal of several imaginative solutions to solve various technological challenges. For this reason and in order to offer a better idea of the work's scope, it was decided to include in the thesis not only the description of the method and results related to the OUR estimation but a detailed description of the systems developed. Results demonstrate the feasibility of a simplified procedure for estimating the oxygen consumption. This is a review of the Stationary liquid phase mass balance method which allows reducing the implementation cost and unlike the Dynamic method (The most usual thechnique) prevents changes on the oxygen tension that could affect the cell's normal arctivity. The proposed method is based on the accurate control of the oxygen concentration by means of PWM driven electrovalves and using the control loop internal signals to estimate the OUR.

Aquesta Tesi doctoral està enquadrada en l'àmbit de la Biotecnologia vermella i més concretament en el desenvolupament de Bioprocessos relacionats amb espècies cel·lulars d’interès terapèutic, bé sigui per a la producció de vacunes, anticossos monoclonals o bé per a la recerca experimental amb cèl·lules mare. L'objectiu general ha estat el desenvolupament i aplicació de diferents tècniques instrumentals per al control i monitorització en línia de cultius cel·lulars, tant mateix d'entre les diferents tècniques emprades es va escollir la monitorització de la demanda d'oxigen O.U.R. (Oxygen Uptake Rate) com a tema central de la tesi degut a que aquest paràmetre ha estat referenciat sovint com un dels millors indicadors de l'activitat metabòlica en cultius de cèl·lules animals. Cal mencionar que la Tesi ha estat duta a terme en el context d'un projecte empresarial (HexaScreen Culture Technologies) l'objectiu del qual ha estat el desenvolupament de Minibioreactors d'un sol ús orientats al mon de la recerca Biofarmacèutica. Òbviament això ha comportant un número important de compromisos a l'hora d'abordar les diferents tasques, així com el plantejament de solucions imaginatives per a la resolució dels diferents reptes tecnològic. Per aquest motiu i per tal de transmetre una millor idea de l'abast del treball realitzat, es va decidir incloure en la tesi no només la descripció del mètode i resultats relacionats amb l'estimació de la O.U.R. sinó amés una descripció prou detallada dels sistemes desenvolupats. Pel que fa al tema central de la tesi, es demostra la viabilitat d'un procediment simplificat per a l'estimació de la demanda d’oxigen. Es tracta d'una revisió del procediment d'estimació de la OUR en condicions de concentració estacionària en la fase líquida que permet reduir-ne el cost de implementació tot prescindint de l'ús de cabalímetres màssics, així com a diferència del mètode dinàmic (Tècnica més habitual) evitar cap mena de canvi en la tensió d’oxigen que pogués afectar l’activitat normal de les cèl·lules. El mètode proposat, es basa en el control de la concentració d’oxigen mitjançant actuació PWM de les vàlvules d'aereació i l’ús dels propis senyals del llaç de control per tal d'estimar la O.U.R.