Български

Разгледайте основните принципи и най-добри практики за мащабиране на търговски ферментационни процеси, от лабораторията до промишленото производство.

Разширяване на мащаба: Цялостно ръководство за търговска ферментация

Ферментацията е крайъгълен камък на множество индустрии, от хранително-вкусовата промишленост до фармацевтиката и биогоривата. Въпреки че успешната ферментация в лабораторен мащаб е значително постижение, пренасянето на този успех в търговско производство изисква внимателно планиране, изпълнение и оптимизация. Това ръководство предоставя цялостен преглед на ключовите съображения и най-добрите практики за мащабиране на търговски ферментационни процеси.

Защо мащабирането на ферментацията е предизвикателство?

Мащабирането на ферментационен процес не е просто увеличаване на обема. Няколко фактора, които лесно се контролират в малък мащаб, стават значително по-сложни с нарастването на процеса. Те включват:

Етапи на мащабиране на ферментацията

Процесът на мащабиране обикновено включва няколко етапа, всеки със своите собствени цели и предизвикателства:

1. Развитие на посевната култура

Посевната култура служи като инокулум за производствения ферментатор. От решаващо значение е да се развие посевна култура, която е здрава, активно растяща и без замърсяване. Това обикновено включва множество етапи на растеж, като се започне от криоконсервирана стокова култура и се премине през колби за разклащане, малки биореактори и накрая до посевен ферментатор. Посевната култура трябва да бъде физиологично сходна с клетките, желани в производствения ферментатор.

Пример: Фармацевтична компания, разработваща нов антибиотик, може да започне със замразен запас от произвеждащия микроорганизъм. Този запас се съживява в колба за разклащане, след което се прехвърля в малък (напр. 2L) биореактор. Биомасата от този биореактор след това инокулира по-голям (напр. 50L) посевен ферментатор, който осигурява инокулума за производствения ферментатор.

2. Ферментация в пилотен мащаб

Ферментацията в пилотен мащаб преодолява пропастта между лабораторията и промишленото производство. Тя ви позволява да тествате и оптимизирате ферментационния процес при условия, които по-точно наподобяват пълномащабната производствена среда. Проучванията в пилотен мащаб помагат за идентифициране на потенциални проблеми при мащабиране и за усъвършенстване на работните параметри. Тези експерименти обикновено включват биореактори с обем от 50 до 500 литра.

Пример: Компания за биогорива може да използва 100-литров биореактор, за да оцени производителността на нов генетично модифициран щам дрожди за производство на етанол. Те ще оптимизират параметри като температура, pH и скорост на подаване на хранителни вещества, за да увеличат максимално добива и производителността на етанол.

3. Ферментация в производствен мащаб

Последният етап е ферментацията в производствен мащаб, където продуктът се произвежда в големи количества за търговска продажба. Биореакторите в производствен мащаб могат да варират от няколко хиляди литра до стотици хиляди литри. Поддържането на постоянна производителност и качество на продукта в този мащаб изисква голямо внимание към детайлите и стабилни системи за контрол на процесите.

Пример: Пивоварна може да използва 10 000-литров ферментатор за производство на бира в търговски мащаб. Те ще следят внимателно нивата на температура, pH и разтворен кислород, за да осигурят постоянен вкус и качество.

Ключови съображения при мащабиране на ферментацията

1. Дизайн на биореактора

Биореакторът е сърцето на ферментационния процес. Изборът на правилния дизайн на биореактора е от решаващо значение за успешното мащабиране. Ключовите съображения включват:

2. Оптимизация на процеса

Оптимизацията на процеса включва идентифициране и оптимизиране на ключовите параметри на процеса, които влияят на клетъчния растеж, формирането на продукта и качеството на продукта. Това обикновено включва комбинация от експериментални проучвания и математическо моделиране.

3. Мониторинг и контрол

Ефективното наблюдение и контрол на критичните параметри на процеса е от съществено значение за постоянната производителност и качеството на продукта. Това изисква използването на подходящи сензори, контролни системи и техники за анализ на данни.

4. Осигуряване на стерилност

Поддържането на стерилност е от първостепенно значение при ферментационните процеси. Замърсяването може да доведе до разваляне на продукта, намален добив и дори до пълен провал на процеса. Внедряването на стабилни процедури за стерилизация и асептични техники е от съществено значение.

5. Контрол на пяната

Образуването на пяна е често срещан проблем при ферментационните процеси, особено тези, включващи протеини или повърхностноактивни вещества. Прекомерната пяна може да доведе до намален пренос на кислород, замърсяване и загуба на продукт. Пяната може да се контролира чрез добавяне на противопенни агенти или използване на механични пеногасители.

Стратегии за успешно мащабиране

1. Подход QbD (Качество чрез дизайн)

QbD е систематичен подход към разработката, който започва с предварително определени цели и набляга на разбирането на продукта и процеса, както и на контрола на процеса. Прилагането на принципите на QbD при мащабиране на ферментацията помага да се гарантира постоянно качество и производителност на продукта.

Ключовите елементи на QbD включват:

2. Изчислителна флуидна динамика (CFD)

CFD е мощен инструмент за симулиране на потока на флуиди, топлообмена и масообмена в биореактори. CFD симулациите могат да се използват за оптимизиране на дизайна на биореактора, системите за разбъркване и системите за барботиране. Те могат също така да помогнат за идентифициране на потенциални проблеми като мъртви зони и горещи точки на напрежение на срязване. CFD може да намали броя на скъпите и отнемащи време експерименти в пилотен мащаб, необходими за мащабиране.

3. Модели с намален мащаб

Моделите с намален мащаб са малки биореактори, които са проектирани да имитират условията в голям производствен биореактор. Моделите с намален мащаб могат да се използват за изучаване на ефектите на различни параметри на процеса върху клетъчния растеж, формирането на продукта и качеството на продукта. Те могат също да се използват за отстраняване на проблеми, възникващи по време на мащабиране. Добре характеризираните модели с намален мащаб могат да предоставят ценни прозрения и да ускорят процеса на разработка.

4. Моделиране и симулация на процеси

Моделирането и симулацията на процеси могат да се използват за прогнозиране на поведението на ферментационния процес при различни мащаби и при различни работни условия. Математически модели могат да бъдат разработени въз основа на фундаментални принципи на масообмен, топлообмен и реакционна кинетика. Тези модели могат да се използват за оптимизиране на параметрите на процеса, проектиране на стратегии за контрол и отстраняване на проблеми. Инструменти като MATLAB, gPROMS и Aspen Plus могат да се използват за моделиране и симулация на процеси.

Съображения за последваща обработка

Съображенията за мащабиране се простират отвъд самия ферментационен процес. Последващата обработка, която включва разделяне и пречистване на продукта от ферментационния бульон, също трябва да бъде мащабирана. Изборът на техники за последваща обработка зависи от естеството на продукта, неговата концентрация и желаната чистота. Често срещаните техники за последваща обработка включват:

Глобални примери за успешно мащабиране на ферментация

Няколко индустрии по света разчитат в голяма степен на успешното мащабиране на ферментацията. Ето няколко примера:

Отстраняване на често срещани проблеми при мащабиране

Въпреки внимателното планиране и изпълнение, по време на мащабирането на ферментацията все още могат да възникнат проблеми. Ето някои често срещани проблеми и потенциални решения:

Бъдещи тенденции в мащабирането на ферментацията

Областта на ферментацията непрекъснато се развива. Някои от ключовите тенденции, които оформят бъдещето на мащабирането на ферментацията, включват:

Заключение

Мащабирането на търговски ферментационни процеси е сложна, но съществена стъпка за пускането на биопродукти на пазара. Чрез внимателно обмисляне на ключовите фактори, обсъдени в това ръководство, включително дизайн на биореактора, оптимизация на процеса, мониторинг и контрол, осигуряване на стерилност и контрол на пяната, компаниите могат успешно да мащабират своите ферментационни процеси и да постигнат постоянно качество и производителност на продукта. Възприемането на нови технологии и методологии, като QbD, CFD, модели с намален мащаб и усъвършенстван контрол на процесите, ще подобри допълнително ефективността и стабилността на търговските ферментационни операции в световен мащаб.