Floculación

Las partículas, los cristales y las gotas pueden suponer un problema para los científicos en cualquier etapa de los procesos que van de la investigación a la fabricación. Los análisis fuera de línea son fundamentales para controlar la calidad, pero solo se puede asumir el control de las partículas cuando se conoce la forma en la que influyen los parámetros del proceso en el tamaño, la forma y el recuento de estas. 

En este artículo técnico, Análisis del tamaño de las partículas para la optimización de procesos, se presentan las limitaciones del análisis fuera de línea para optimizar procesos y se proporcionan técnicas prácticas para:

• Mejorar la comprensión de los procesos fundamentales.
• Abordar problemas de diseño con datos completos.
• Mejorar la seguridad y la productividad con funcionamiento sin supervisión.

Las herramientas de distribución del tamaño de las partículas in situ permiten a los científicos realizar un seguimiento de las tendencias en clases de tamaño individuales y observar el comportamiento de las partículas agitadas en un estado estable en tiempo real.Cuando se añade el floculante, el número de partículas finas disminuye drásticamente y la cantidad de flóculos grandes aumenta de forma considerable. Finalmente, la cizalladura del agitador comenzará a destruir los flóculos. Los recuentos de partículas grandes disminuirán y los recuentos pequeños aumentarán de nuevo.  

Comprender los mecanismos de floculación de las partículas ayuda a identificar las causas raíz de un rendimiento deficiente del proceso, los desafíos de producción posteriores y los productos que no cumplen las especificaciones. La obtención de datos detallados in situ sobre las partículas constituye el primer paso para la optimización eficaz del proceso, la calidad por diseño (QbD) y una fabricación eficiente.

Para la floculación, se requiere una agitación suave. Dado que los tipos de flóculos individuales tienen diferentes resistencias, es importante entender qué rango de rpm es suave para un sistema específico de flóculos. Las herramientas de distribución del tamaño de las partículas in situ proporcionan información sobre cómo cambia la clase de tamaño de las partículas pequeñas cuando se crean flóculos y se agitan a diferentes velocidades. Una agitación rápida rompe muchos flóculos, y el número de partículas finas casi alcanza el mismo nivel que antes de la floculación. La agitación lenta deja la mayoría de los flóculos intactos. Las imágenes in situ de analizadores de tamaño de partículas respaldan estos hallazgos y muestran flóculos más grandes a bajas rpm.

La optimización de la cizalladura y la intensidad de mezclado es una estrategia útil para prevenir la rotura de los flóculos. La rotura de flóculos frustra el propósito de la floculación, aumenta los tiempos de filtración y debe evitarse. Las tasas de filtración y el secado de las tortas son más rápidas en el punto de floculación óptima.Cualquier desviación de este punto afecta a las operaciones, la calidad del producto y los costes de fabricación.

En diversas industrias, los procesos de floculación se llevan a cabo en modo continuado o por lotes con mezcladores dinámicos o estáticos. Uno de los parámetros clave del proceso en ambos modos es el tiempo de estancia en la zona de mezclado (MZRT). El punto de floculación óptima se encuentra en el minuto 1:38 tras la inyección del floculante en este caso. 

Mediante el uso de un analizador de tamaño de partículas in situ, esta herramienta muestra que los flóculos se han desarrollado completamente y que la rotura de estos está a punto de convertirse en el proceso predominante. Asimismo, podemos ver las tendencias en clases de tamaño individuales permiten visualizar el punto de floculación óptima y definen el periodo de MZRT en el que el número de partículas pequeñas alcanza un mínimo aceptable.

Trabajar fuera del periodo de MZRT significa que los flóculos aún no se han formado totalmente o que la rotura de estos ya está poniendo en peligro su tamaño y el rendimiento óptimo del proceso. Ninguno de estos casos es óptimo debido al elevado número de pequeñas partículas libres. Únicamente el periodo de MZRT asegura el rendimiento deseado del producto y del proceso. El periodo de MZRT es diferente para cada sistema de partículas/floculante y debe ajustarse en función de la composición de las partículas en suspensión, la intensidad de mezclado y el tipo de floculante.

Las empresas químicas desarrollan continuamente floculantes nuevos e innovadores que mejoran el rendimiento de la floculación. Sin embargo, no todos los floculantes resultan adecuados para todos los sistemas de partículas. La comprobación y confirmación del rendimiento dentro de un sistema específico asegurará el uso del mejor floculante. Los analizadores de tamaño de partículas revelan que:

• El floculante A muestra un rendimiento de floculación deficiente y apenas es capaz de reducir el número de partículas pequeñas en el sistema.
• El floculante B captura una cantidad considerable de pequeñas partículas. Sin embargo, la cinética de floculación es lenta y la tasa de rotura de los flóculos es mayor que el punto de floculación óptima.
• El floculante C muestra un buen rendimiento general con una cinética de floculación rápida, una captura casi total de las partículas finas y una increíble estabilidad de los flóculos más allá del punto de floculación óptima.

Los analizadores de tamaño de partículas in situ pueden controlar el rendimiento de floculación de distintos floculantes in situ y en tiempo real. Esto permite a los científicos e ingenieros tomar decisiones basadas en hechos durante la selección del floculante y la optimización del proceso de floculación.

Si tiene preguntas o necesita ayuda con su aplicación técnica, nuestro equipo de asesores de aplicaciones técnicas está listo para orientarlo por el buen camino.

• Analizador de tamaño de partículas PVM®: estudie la formación, el crecimiento y la estabilidad de los flóculos
• Analizador de tamaño de partículas FBRM®: estudie el efecto de diferentes floculantes y condiciones de proceso en el tamaño, la forma y la estructura de los flóculos
• Reactor de síntesis química automatizado: controle con precisión varios parámetros del proceso, como la temperatura, el pH, la intensidad de mezcla y la velocidad de adición de floculantes
• Software de desarrollo de procesos, Modelado y simulación: prediga el tamaño, la forma y la velocidad de estabilización de los flóculos en diferentes condiciones de proceso

Los métodos eficaces, flexibles y rentables para la extracción celular continua tienen que desarrollarse antes de que se realice una formación de un producto totalmente continua e integrada. Los autores explican el desarrollo y las pruebas de dicha configuración integrada continua y desechable para la separación de las células mediante la combinación de la floculación y la filtración en profundidad.

Las mediciones de ParticleTrack se llevaron a cabo en línea, después de la adición de un 0,0375 % de pDADMAC y se colocaron en la salida del reactor tubular (mezcla estática). ParticleTrack (FBRM) controla el tamaño de los floculantes y, cuando se superpone con la presión de resolución temporal, indica la aproximación a la saturación del filtro y las tendencias de la presión. Los distintos métodos y tipos de floculantes que se han evaluado han dado resultados diferentes en el rendimiento total de las sustancias farmacéuticas, la pureza y el índice alto de peso molecular (HMWI, por sus siglas en inglés). Estos resultados también han mostrado una correlación con las distribuciones diferenciadas del tamaño de las partículas según el tipo de floculante elegido.

Estos datos se basan en publicaciones anteriores que muestran la correlación con otros parámetros de floculación, como la concentración de floculante reactivo, la fuerza o cizalladura de la mezcla, el tiempo de resonancia de la mezcla, la temperatura, y el estado y la composición de inicio del conjunto celular completo. Al usar la floculación, se redujeron las zonas que necesitaban una filtración en profundidad a una cuarta parte comparado con una formación de filtración convencional para la que ParticleTrack (FBRM) era adecuada para permitir la obtención de anticuerpos continua.

Burgstaller, D., Krepper, W., Haas, J., Maszelin, M., Mohoric, J., Pajnic, K., Jungbauer, A. y Satzer, P. (2018b). Continuous cell flocculation for recombinant antibody harvesting. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 93(7), 1881–1890. https://doi.org/10.1002/jctb.5500