Reactores biológicos de cultivo adherente: Desarrollo de una simulación CFD

Abstract

Los reactores biológicos son sistemas que utilizan células de cultivo para producir grandes cantidades de proteínas que se utilizan para generar la vacuna. Los reactores biológicos utilizados en la producción de vacunas suelen ser de dos tipos: reactores de células suspendidas y reactores de células adherentes. Los reactores de células suspendidas utilizan células de cultivo en suspensión en un medio líquido y se utilizan principalmente para la producción de proteínas recombinantes. Por otro lado, los reactores de células adherentes utilizan células de cultivo que se adhieren a un soporte sólido, y se utilizan principalmente para producir vacunas de virus inactivos. Estos sistemas proporcionan las condiciones óptimas para el crecimiento de las células en cultivo. La agitación es esencial para asegurar una distribución uniforme de nutrientes, oxígeno y otros componentes, además de ayudar a la prevención de formación de grumos y asegurar la distribución uniforme de las células en el medio de cultivo. Así pues, el objetivo de este trabajo será utilizar herramientas de simulación CFD (Computational Fluid Dynamics) para generar una simulación base que complementado con recursos computacionales de mayor calibre pueden servir de comprobación para estudios ya realizados en este campo. Se tratará de analizar el caso último de agitación, partiendo primeramente de escenarios simplificados, los cuales permitirán pulir los parámetros esenciales de los modelos de simulación para garantizar la mayor precisión posible en los resultados finales de acuerdo con los recursos disponibles. La línea de trabajo que se seguirá comienza con un primer modelo en el que se simulará una aproximación al Problema de Rayleigh, y acaba con un escenario final de simulación en el que se estudia la distribución de oxígeno desde el aire exterior hasta las células situadas al fondo de un recipiente rectangular relleno de líquido, que se encuentra sometido a un movimiento de agitación. En este último escenario se comentarán algunos datos generados de interés, aunque como se menciona, debido a la limitación computacional, estos no guardarán una precisión excesivamente elevada.

Biological reactors are systems that use cell cultures to produce large quantities of proteins used to generate vaccines. The biological reactors used in vaccine production are usually of two types: suspended cell reactors and adherent cell reactors. Suspended cell reactors use cell cultures in suspension in a liquid medium and are primarily used to produce recombinant proteins. On the other hand, adherent cell reactors use cell cultures that adhere to a solid support and are mainly used to produce inactivated virus vaccines. These systems provide optimal conditions for cell growth in culture. Agitation is essential to ensure a uniform distribution of nutrients, oxygen, and other components, as well as to help prevent clumping and ensure the uniform distribution of cells in the culture medium. Therefore, the objective of this work will be to use Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation tools to generate a base simulation that, complemented with more powerful computational resources, can serve as verification for studies already conducted in this field. The analysis will focus on the latest agitation case, starting with simplified scenarios that will refine the essential parameters of the simulation models to ensure the highest possible accuracy in the final results according to the available resources. The working approach begins with an initial model that simulates an approximation to the Rayleigh Problem and concludes with a final simulation scenario studying the distribution of oxygen from the outside air to the cells located at the bottom of a rectangular container filled with liquid, subjected to an agitation movement. In this last scenario, some generated data of interest will be discussed, although, as mentioned, due to computational limitations, they may not exhibit excessively high precision.