En el panorama actual de la industria manufacturera, en rápida evolución, la ingeniería de bioprocesos se ha convertido en una tecnología fundamental para que numerosos fabricantes mejoren la eficiencia de la producción y optimicen la calidad del producto. Ya sea en los campos de procesado de alimentosfarmacéutica, química u otras industrias relacionadas con la biotecnología, eficiente y precisa. control de bioprocesos no sólo influye directamente en la eficiencia de la producción, sino que también desempeña un papel crucial a la hora de garantizar la consistencia del producto. Este artículo analiza cómo puede aprovecharse la ingeniería de bioprocesos para optimizar los procesos de producción, impulsar el desarrollo de la industria y reforzar la competitividad de las empresas en el mercado.

Productor de alta calidad de biología de la fermentación ¡Solución global!

La ingeniería de bioprocesos es un campo interdisciplinar que abarca la biología, la química y la ingeniería, entre otros. Principalmente consiste en ampliar los logros de laboratorio en biotecnología mediante la amplificación industrial y el diseño de ingeniería para desarrollar procesos y equipos de producción eficientes, económicos y respetuosos con el medio ambiente para productos biológicos, que permitan su producción y aplicación a gran escala. Con los procesos de reacción biológica como núcleo, aplica principios y métodos de ingeniería para optimizar, controlar y diseñar los procesos de producción de productos biológicos, con el objetivo de mejorar la calidad del producto, el rendimiento y la eficiencia de la producción, reduciendo al mismo tiempo los costes de producción.

La ingeniería de bioprocesos se centra en el estudio de los principios de los procesos de reacción biológica y la optimización de sus parámetros de control. En el campo de la biofermentación, puede ofrecer a los fabricantes soluciones superiores.

Tendencias en ingeniería de bioprocesos

La ingeniería de bioprocesos, campo transversal de la biotecnología y la ingeniería, evoluciona hacia la eficiencia, la inteligencia y la sostenibilidad. He aquí sus principales tendencias de desarrollo:

1. Optimización y control de procesos basados en IA

Aplicaciones de aprendizaje automático: La ingeniería de bioprocesos utiliza algoritmos de aprendizaje profundo para analizar grandes cantidades de datos biológicos, optimizando el diseño de biorreactores, el control de parámetros (como temperatura, pH, oxígeno disuelto) y los procesos de separación de productos. Por ejemplo, la IA puede predecir la curva de crecimiento de las células microbianas durante la fermentación, lo que permite ajustar en tiempo real el suministro de nutrientes.

Tecnología Digital Twin: Creación de modelos virtuales de biorreactores físicos para simular el rendimiento en distintas condiciones de funcionamiento, lo que acelera el desarrollo y la ampliación de los procesos.

2. Predominio de las tecnologías de alto rendimiento y automatización

Laboratorios automatizados: Empleo de robótica integrada, chips microfluídicos y otros equipos para automatizar todo el flujo de trabajo, desde el cribado de cepas y el cultivo hasta el análisis de productos, acortando el ciclo de investigación y desarrollo.

Cribado de alto rendimiento: Combinando la tecnología de micromatrices y los algoritmos de IA, la ingeniería de bioprocesos permite el cribado rápido de cepas de alto rendimiento o moléculas enzimáticas optimizadas, mejorando la eficiencia de la biomanufactura.

3. Biomanufactura y sostenibilidad

Biofabricación ecológica: Utilización de biomasa (como los residuos agrícolas) para producir biocombustibles (como etanol e hidrógeno) y materiales de base biológica (como los bioplásticos PHA), reduciendo la dependencia de los recursos fósiles.

Tecnologías carbono-negativas: Desarrollo de procesos de producción "neutros en carbono" o "negativos en carbono" mediante ingeniería microbiana para fijar el CO2, en respuesta a los objetivos mundiales de neutralidad del carbono.

¿Cómo optimizar la producción mediante la ingeniería de bioprocesos?

Con los continuos avances tecnológicos, el ámbito de aplicación de la ingeniería de bioprocesos se está ampliando, sobre todo en los sectores farmacéutico, de producción de alimentos y bebidas, y de desarrollo de energías renovables, donde su papel es cada vez más importante.

Por lo tanto, la optimización de la producción mediante la ingeniería de bioprocesos para lograr un alto rendimiento, un bajo consumo y el respeto al medio ambiente ha sido un objetivo perseguido durante mucho tiempo. Estas son algunas de las áreas de investigación más candentes en la actualidad:

I. Optimización de biorreactores y procesos

La selección de nuevos reactores adecuados puede mejorar la terminación del producto. Por ejemplo, los reactores air-lift reducen la fuerza de cizallamiento de la agitación, lo que los hace adecuados para células frágiles (como las células CHO que producen anticuerpos), con un aumento de la densidad celular de 50%. Otro ejemplo son los biorreactores de membrana, que integran reacción y separación para eliminar la inhibición del producto en tiempo real, ampliando los ciclos de producción continua. En la fermentación de etanol con reactores de membrana, la concentración de producto puede duplicarse.

En la optimización de procesos, el uso de la tecnología de nanoburbujas puede aumentar la solubilidad del oxígeno durante la fermentación, reduciendo la aireación y disminuyendo el consumo energético de la producción. Por ejemplo, en la fermentación aeróbica, las nanoburbujas mejoran la eficiencia del oxígeno disuelto en 40%. Además, los andamios impresos en 3D pueden construir soportes porosos que imitan el microentorno de los tejidos, promoviendo el cultivo de células de alta densidad durante la producción (como la densidad de cultivo de hepatocitos que alcanza el 10⁷ células/mL).

II. Control y optimización inteligentes de procesos

En los bioprocesos, la optimización inteligente de los procesos es esencial para obtener productos de alta calidad y gran cantidad. Por ejemplo, la supervisión en línea y la regulación en tiempo real ayudan al personal de producción a controlar la salida del producto en tiempo real para lograr ratios de salida óptimos. La aplicación de técnicas espectroscópicas, como la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR), supervisa la concentración celular y el consumo de sustrato en tiempo real, en combinación con algoritmos de control PID para ajustar dinámicamente las estrategias de alimentación. Por ejemplo, las estrategias de alimentación optimizadas en la producción de anticuerpos monoclonales aumentan el rendimiento de anticuerpos en 25%.

Otro ejemplo es la utilización de fábricas virtuales para crear modelos gemelos digitales de biorreactores, predecir el rendimiento en distintas condiciones de funcionamiento y acortar los ciclos de ampliación de procesos.

III. Modelos de producción sostenibles y con bajas emisiones de carbono

En el contexto de la evolución de la industria manufacturera mundial hacia un desarrollo con bajas emisiones de carbono y respetuoso con el medio ambiente, la ingeniería de bioprocesos ofrece soluciones técnicas para utilizar los recursos de biomasa, reducir la contaminación y mejorar la sostenibilidad de la producción. La adopción de la hidrólisis lignocelulósica y la tecnología enzimática convierte los residuos agrícolas (como la paja y el bagazo) en azúcares fermentables, sustituyendo las materias primas de glucosa y reduciendo los costes en 30%.

Además, el empleo de tecnologías avanzadas para reciclar la energía del producto también puede reducir los costes de producción. Por ejemplo, el uso de la tecnología de bombas de calor para recuperar el calor residual de los reactores para precalentar los medios de cultivo reduce el consumo de energía en 20%. Además, al valorizar los subproductos durante la producción, la conversión de los residuos microbianos en piensos o fertilizantes reduce las emisiones de residuos.

La optimización de la ingeniería de bioprocesos requiere una innovación colaborativa en toda la cadena, desde las cepas, los reactores y los procesos de fabricación hasta la regulación de parámetros, combinada con datos multiómicos, algoritmos de IA y tecnologías de fabricación ecológica, para lograr en última instancia objetivos de producción eficientes, económicos y con bajas emisiones de carbono. En el futuro, con la prevalencia de los gemelos digitales y los sistemas de optimización de bucle cerrado, la biomanufactura avanzará hacia un control preciso en tiempo real y cero emisiones de carbono.

Conclusión

Como herramienta avanzada para la optimización de la producción, la ingeniería de bioprocesos puede mejorar la eficiencia de la producción, garantizar la calidad del producto, reducir los costes de producción y mejorar la sostenibilidad de la fabricación. Con la innovación y el desarrollo continuos de la tecnología industrial, las empresas que aprovechen plenamente las ventajas de la ingeniería de bioprocesos y se mantengan al día de las tendencias de la industria ocuparán sin duda una posición favorable en el entorno de mercado ferozmente competitivo, contribuyendo al desarrollo sostenible a largo plazo.