Modellazione di un bioreattore per la crescita cellulare

Biotechnological processes represent an important tool for the production of quality proteins with biochemical characteristics very similar to those produced naturally by humans or other living beings. Production occurs thanks to engineered organisms, like Chinese Hamster Ovary cells (CHOs), which synthesize the protein of interest under appropriate operating conditions. Despite the great importance of these processes, there is a lack in the modeling field of all the involved phenomena. Therefore, this project aims to provide an example of a model that is able to consider all the biological, kinetic, physical and thermodynamic aspects that characterized an industrial-scale bioprocess, so that the behavior of the bioreactor can be predicted. The analyzed system is an aerated batch reactor operated at 37 °C and 1 bar for a time interval of 200h. Monod's law was used to describe the kinetics, while the mass transport phenomena were described with the help of Higbie and boundary layer theories. For the thermodynamic part, Raoult's and Henry's laws were used to simulate a fictitious flash. All equations were implemented in a Matlab® code. The results obtained show in particular that the functional relationships proposed to link together the growth of the cells and the consumption of substrate and oxygen transported in the liquid, allow to obtain an excellent agreement with the experimental data.

I processi biotecnologici rappresentano un importante strumento per la produzione di proteine di qualità con caratteristiche biochimiche molto simili a quelle prodotte naturalmente dall’uomo o altri essere viventi. La produzione avviene grazie a organismi ingegnerizzati, ad esempio cellule ovariche di criceto cinese (CHO), che in opportune condizioni operative sintetizzano la proteina di interesse. Nonostante la grande importanza di questi processi, mancano dei modelli che siano in grado di descrivere tutti i fenomeni che coinvolgono. Questo progetto si propone dunque di fornire un esempio di un modello che sia in grado di considerare tutti gli aspetti biologici, cinetici, fisici e termodinamici coinvolti in un processo su scala industriale, affinché si possa prevedere il comportamento del bioreattore. Il sistema analizzato è un reattore batch aerato a 37°C e 1bar per un intervallo di tempo di 200h. La cinetica è stata descritta mediante la legge di Monod, mentre i fenomeni di trasporto di materia sono stati basati sull’utilizzo delle teorie di Higbie e dello strato limite. Per la parte di termodinamica si sono utilizzate le leggi di Raoult e di Henry simulando un flash fittizio. Tutte le equazioni sono state implementate in un codice Matlab®. I risultati ottenuti mostrano in particolare che le relazioni funzionali proposte per legare insieme la crescita delle celle e il consumo di substrato e ossigeno trasportato nel liquido, consentono di ottenere un ottimo accordo con i dati sperimentali.