Fluid dynamics analysis and optimization of a bioreactor for recombinant protein production

This work examines the possibility to produce recombinant proteins through animal cells, in particular a type of antibody fusion protein named B1 protein, exploiting possible optimization paths for the bioreactor design and operation. This type of protein possesses interesting therapeutic characteristics, and they are used mainly in research against various diseases, ranging from cancer to autoimmune diseases. Being a relatively new area of research, the problem has been addressed from scratch with the support of the available literature data. Four distinct bioreactor design configurations have been simulated to find the one giving the highest results. The modelling had been done through a two-dimensional fluid dynamic analysis, evaluating the outcomes in terms of protein production. The CFD approach chosen is the Projection Method where the Navier-Stokes equations are decoupled, thus being able to split the velocities and the pressure terms. After the best configuration has been assessed, deep research has been conducted to obtain the optimal geometry and optimal inlet conditions. The resulting bioreactor configuration has been then analyzed through an economic analysis to obtain a first estimate of the CAPEX and OPEX for protein production. The outcome of the entire work represents a first step towards the detailed knowledge of recombinant protein production from animal cells. Further studies and optimizations are needed to properly assess the problem, supporting the development of this increasingly growing field of research.

In questo studio si è esplorata la possibilità di produrre proteine ricombinanti, in particolare un tipo di proteina di fusione chiama B1, utilizzando cellule animali, sfruttando diverse strategie di ottimizzazione del bioreattore. Queste proteine possiedono interessanti proprietà terapeutiche e sono ampiamente impiegate nella ricerca contro diverse patologie, tra cui il cancro e le malattie autoimmuni. Poiché si tratta di un ambito di ricerca relativamente nuovo, l'approccio adottato è stato quello di partire dalle basi e di basarsi sulla letteratura scientifica disponibile. Sono state simulate quattro configurazioni diverse, al fine di individuare quella con i migliori risultati produttivi. Le simulazioni sono state condotte mediante analisi fluidodinamica bidimensionale, al fine di valutare le prestazioni del bioreattore in termini di produzione di proteine. L'approccio CFD utilizzato si basa sul cosiddetto Projection Method, il quale consente di risolvere le equazioni di Navier-Stokes separando i termini relativi alla velocità e alla pressione. Una volta individuata la configurazione ottimale, sono state eseguite ulteriori ottimizzazioni della geometria del bioreattore e delle condizioni di ingresso. Infine, è stata condotta un'analisi economica al fine di stimare i costi di investimento e di gestione del bioreattore per la produzione di proteine. I risultati di questo lavoro rappresentano un primo passo verso una maggiore comprensione della produzione di proteine ricombinanti utilizzando cellule animali. Nonostante ciò, sono sicuramente necessarie ulteriori ricerche e ottimizzazioni per lo sviluppo e la crescita di questo promettente campo di ricerca.