Изкуството на проектирането на биореактори: Цялостно ръководство

Биореакторите, известни също като ферментатори, са сърцето на много биопроцеси, като осигуряват контролирана среда за протичане на биологични реакции. Тяхното проектиране е мултидисциплинарно изкуство, съчетаващо принципите на химическото инженерство, микробиологията, биохимията и машиностроенето. Това ръководство има за цел да предостави цялостен преглед на съображенията при проектирането на биореактори, отговаряйки на нуждите на глобална аудитория, ангажирана с биопроцесното инженерство, от студенти до опитни професионалисти.

Основи на проектирането на биореактори

В основата си проектирането на биореактори включва създаването на среда, която оптимално поддържа растежа и метаболитната активност на микроорганизми или клетки. Това изисква внимателно разглеждане на няколко ключови фактора:

• Разбъркване: Осигуряване на хомогенност на хранителните вещества, температурата и pH в целия реактор.
• Аериране: Доставяне на достатъчно кислород за аеробните организми, като същевременно се отстранява въглеродният диоксид.
• Контрол на температурата: Поддържане на оптимална температура за биологичната реакция.
• Контрол на pH: Регулиране на pH, за да се предотврати инхибиране или увреждане на клетките.
• Стерилност: Предотвратяване на замърсяване от нежелани микроорганизми.

Основни компоненти на биореактора

Типичният биореактор се състои от следните компоненти:

• Съд: Контейнерът, в който се съхранява културата. Често използваните материали включват неръждаема стомана, стъкло и пластмаси за еднократна употреба.
• Система за разбъркване: Импелер или бъркалка за смесване на съдържанието на реактора.
• Система за аериране: Барботьор за въвеждане на въздух или кислород в културата.
• Система за контрол на температурата: Мантия или вътрешни серпентини за поддържане на желаната температура.
• Система за контрол на pH: Сензори и помпи за добавяне на киселина или основа за поддържане на желаното pH.
• Сензори и система за управление: Мониторинг и контрол на ключови параметри като температура, pH, разтворен кислород (DO) и концентрация на биомаса.
• Система за вземане на проби: Средство за изтегляне на проби за анализ.

Видове биореактори

Биореакторите се предлагат в различни дизайни, всеки от които е подходящ за различни приложения и организми. Ето някои от най-често срещаните видове:

Биореактори с разбъркване (STRs)

Биореакторите с разбъркване са най-широко използваният тип. Те се състоят от цилиндричен съд с импелер, който осигурява смесването. STRs са универсални и могат да се използват за широк спектър от приложения, от микробна ферментация до култивиране на клетки от бозайници.

Предимства:

• Добре смесена среда
• Добър контрол на температурата
• Сравнително лесни за мащабиране

Недостатъци:

• Високото напрежение на срязване може да увреди чувствителни клетки
• Могат да бъдат трудни за почистване и стерилизиране

Ерлифтни биореактори

Ерлифтните биореактори използват въздух за смесване и аериране на културата. Те са особено подходящи за чувствителни на срязване клетки, тъй като нямат механични импелери.

Предимства:

• Ниско напрежение на срязване
• Прост дизайн
• Добри за чувствителни на срязване клетки

Недостатъци:

• По-малко ефективно смесване от STRs
• Трудни за мащабиране

Биореактори с барботажна колона

Биореакторите с барботажна колона са подобни на ерлифтните биореактори, но нямат вътрешна смукателна тръба. Въздухът се барботира директно в долната част на колоната, осигурявайки смесване и аериране.

Предимства:

• Прост дизайн
• Ниска цена

Недостатъци:

• Лошо смесване
• Трудни за контролиране

Биореактори с напълнен слой

Биореакторите с напълнен слой съдържат твърда матрица, като перли или влакна, която осигурява повърхност за прикрепване на клетките. Хранителните вещества циркулират през слоя, осигурявайки на клетките ресурсите, от които се нуждаят, за да растат.

Предимства:

• Висока клетъчна плътност
• Добри за имобилизирани клетки

Недостатъци:

• Трудни за мащабиране
• Могат да бъдат предразположени към запушване

Биореактори с кипящ слой

Биореакторите с кипящ слой са подобни на биореакторите с напълнен слой, но твърдата матрица е суспендирана в поток от флуид. Това позволява по-добро смесване и масопренасяне.

Предимства:

• Добро смесване и масопренасяне
• Висока клетъчна плътност

Недостатъци:

• Сложен дизайн
• Могат да бъдат трудни за контролиране

Фотобиореактори

Фотобиореакторите са предназначени за култивиране на фотосинтезиращи организми, като водорасли и цианобактерии. Те обикновено са прозрачни, за да позволят на светлината да проникне в културата.

Предимства:

• Ефективно използване на светлината
• Контролирана среда

Недостатъци:

• Висока цена
• Трудни за мащабиране

Биореактори за еднократна употреба (SUBs)

Биореакторите за еднократна употреба са предварително стерилизирани, еднократни биореактори, които елиминират необходимостта от почистване и стерилизация. Те стават все по-популярни в биофармацевтичното производство.

Предимства:

• Намалени разходи за почистване и стерилизация
• Намален риск от замърсяване
• По-бързо време за изпълнение

Недостатъци:

• По-висока цена на партида
• Екологични притеснения, свързани с пластмасовите отпадъци

Ключови съображения при проектирането

При проектирането на биореактор трябва да се вземат предвид няколко фактора. Те включват:

Тип на клетката

Типът на култивираните клетки ще има значително влияние върху дизайна на биореактора. Например, чувствителните на срязване клетки от бозайници изискват различни дизайни на биореактори от устойчивите бактерии.

• Микробна ферментация: Обикновено изисква висока аерация и смесване, за да се поддържа бърз растеж. STRs често са подходящи.
• Култивиране на клетки от бозайници: Изисква по-нежно смесване и аериране, за да се избегне увреждане на клетките. Предпочитат се ерлифтни биореактори или модифицирани STRs с импелери с ниско срязване.
• Култивиране на растителни клетки: Изисква специфични хранителни формули и може да се възползва от специализирани дизайни на биореактори като биореактори с мъгла.
• Култивиране на водорасли: Изисква проникване на светлина и ефективно доставяне на CO2. Фотобиореакторите са специално проектирани за тази цел.

Мащаб на операцията

Мащабът на операцията също ще повлияе на дизайна на биореактора. Малкомащабните биореактори могат да бъде прости и евтини, докато голямомащабните биореактори изискват по-сложно инженерство.

Смесване и аериране

Ефективното смесване и аериране са от решаващо значение за производителността на биореактора. Смесването гарантира, че хранителните вещества са равномерно разпределени в цялата култура, докато аерирането осигурява кислорода, необходим за растежа на клетките.

Стратегии за смесване:

• Дизайн на импелера: Често се използват турбини на Ръштън, турбини с наклонени лопатки и корабни витла. Изборът зависи от вискозитета на културата и желаната интензивност на смесване.
• Дизайн на преградите: Преградите се използват за предотвратяване на образуването на вихри и подобряване на ефективността на смесване.
• Скорост на смесване: Скоростта на смесване трябва да бъде оптимизирана, за да осигури адекватно смесване, без да причинява прекомерно напрежение на срязване.

Стратегии за аериране:

• Дизайн на барботьора: Барботьорите въвеждат въздух или кислород в културата. Различни дизайни на барботьори, като порести барботьори или дюзови барботьори, могат да се използват за създаване на различни размери на мехурчетата.
• Дебит на газа: Дебитът на газа трябва да бъде оптимизиран, за да осигури достатъчно кислород, без да се отстраняват летливи съединения.
• Обогатяване с кислород: В някои случаи може да е необходимо въздухът да се обогати с кислород, за да се отговори на кислородната потребност на клетките.

Контрол на температурата и pH

Поддържането на оптимална температура и pH е от съществено значение за растежа на клетките и образуването на продукт. Температурата обикновено се контролира с помощта на мантия или вътрешни серпентини, докато pH се контролира чрез добавяне на киселина или основа.

Системи за контрол на температурата:

• Нагревателни и охлаждащи мантии: Циркулират нагрята или охладена вода около съда на биореактора.
• Вътрешни серпентини: Осигуряват по-ефективен топлообмен от мантиите.
• PID контролери: Използват се за автоматично регулиране на температурата въз основа на обратна връзка от температурен сензор.

Системи за контрол на pH:

• pH сензори: Измерват pH на културата.
• Помпи за киселина и основа: Добавят киселина или основа за регулиране на pH.
• PID контролери: Използват се за автоматично регулиране на добавянето на киселина и основа въз основа на обратна връзка от pH сензор.

Стерилизация

Стерилизацията е от решаващо значение за предотвратяване на замърсяване. Биореакторите обикновено се стерилизират чрез автоклавиране или чрез използване на химически стерилизанти.

Методи за стерилизация:

• Автоклавиране: Използване на пара под високо налягане за унищожаване на микроорганизми.
• Химическа стерилизация: Използване на химически стерилизанти, като водороден пероксид или перацетинова киселина.
• Филтрация: Използване на филтри за отстраняване на микроорганизми от течности и газове.

Мониторинг и контрол на процеса

Усъвършенстваните стратегии за мониторинг и контрол на процеса са жизненоважни за оптимизиране на производителността на биореактора и гарантиране на качеството на продукта. Тези стратегии включват използването на сензори, софтуер и алгоритми за управление за наблюдение и регулиране на ключови параметри на процеса в реално време.

Ключови параметри за мониторинг:

• Температура
• pH
• Разтворен кислород (DO)
• Концентрация на биомаса
• Концентрации на хранителни вещества
• Концентрация на продукта
• Анализ на отпадъчните газове (CO2, O2)

Стратегии за контрол:

• Управление с обратна връзка: Регулиране на параметрите на процеса въз основа на обратна връзка от сензори.
• Управление с права връзка: Регулиране на параметрите на процеса въз основа на прогнозирани промени в системата.
• Моделно предиктивно управление (MPC): Използване на математически модели за прогнозиране на бъдещото поведение на системата и оптимизиране на управляващите действия.

Съображения при мащабиране

Мащабирането на биопроцес от лабораторен до промишлен мащаб може да бъде предизвикателство. Важно е да се поддържат подобни условия в голямомащабния биореактор, както и в маломащабния.

Стратегии за мащабиране:

• Геометрично подобие: Поддържане на същите пропорции в голямомащабния биореактор, както и в маломащабния.
• Постоянна вложена мощност на обем: Поддържане на същата вложена мощност на обем в голямомащабния биореактор, както и в маломащабния.
• Постоянна периферна скорост: Поддържане на същата периферна скорост на импелера в голямомащабния биореактор, както и в маломащабния.
• Изчислителна динамика на флуидите (CFD): Използване на CFD за моделиране на поточните модели в биореактора и оптимизиране на дизайна.

Нововъзникващи тенденции в проектирането на биореактори

Областта на проектирането на биореактори непрекъснато се развива, като се разработват нови технологии и подходи за подобряване на производителността на биопроцесите. Някои от нововъзникващите тенденции включват:

Непрекъсната биообработка

Непрекъснатата биообработка включва непрекъснато подаване на хранителни вещества и отстраняване на продукт от биореактора. Това може да доведе до по-висока производителност и по-ниски разходи в сравнение с периодичната обработка.

Интензификация на процесите

Интензификацията на процесите включва разработването на по-компактни и ефективни биопроцеси. Това може да се постигне чрез използването на нови дизайни на биореактори, като микрореактори и мембранни биореактори.

Автоматизация на биореактори

Автоматизацията на биореактори включва използването на роботи и други автоматизирани системи за управление и наблюдение на биореактора. Това може да подобри възпроизводимостта и да намали разходите за труд.

Анализ на данни и машинно обучение

Анализът на данни и машинното обучение се използват за анализиране на данни от биореактори и оптимизиране на производителността на процеса. Това може да доведе до подобрено качество на продукта и по-високи добиви.

Проектиране на биореактори за специфични приложения: Глобални примери

Проектирането на биореактори не е универсален подход. Специфичните приложения изискват индивидуални дизайни. Ето няколко примера, показващи глобални иновации:

• Производство на биоподобни продукти (Индия): Индийските биофармацевтични компании инвестират сериозно в мащабни STRs от неръждаема стомана с усъвършенствани системи за управление, за да произвеждат достъпни биоподобни продукти за световния пазар. Дизайнът набляга на рентабилността и спазването на строгите регулаторни изисквания.
• Биогориво на базата на водорасли (Австралия): Австралийски изследователски институции са пионери в използването на отворени басейни и затворени фотобиореактори за култивиране на водорасли за производство на биогорива. Проектите се фокусират върху максималното улавяне на слънчева светлина, усвояването на CO2 и производството на липиди.
• Месо на клетъчна основа (Нидерландия): Нидерландски компании са в челните редици на разработването на биореактори за производство на култивирано месо. Тези биореактори, често перфузионни системи, трябва ефективно да поддържат клетъчни култури от бозайници с висока плътност, като същевременно минимизират разходите и гарантират безопасността на продукта.
• Производство на антибиотици (Китай): Китай е основен производител на антибиотици. Много производители използват мащабни ферментационни процеси в STRs за производството на тези жизненоважни лекарства. Оптимизацията на тези биореактори се фокусира върху максимизирането на титъра на антибиотика и минимизирането на образуването на странични продукти.
• Производство на моноклонални антитела (Швейцария): Швейцарските фармацевтични гиганти са лидери в производството на моноклонални антитела чрез използване на клетъчни култури от бозайници. Техните биореактори обикновено са усъвършенствани системи за еднократна употреба със сложни системи за управление и високи нива на автоматизация, за да се гарантира последователност и качество на продукта.

Заключение

Проектирането на биореактори е сложна и предизвикателна област, но също така е от съществено значение за много важни индустрии, включително биофармацевтиката, хранително-вкусовата промишленост и биогоривата. Като разбират основните принципи на проектирането на биореактори и са в крак с най-новите тенденции, инженерите и учените могат да разработват биореактори, които са по-ефективни, надеждни и рентабилни.

Това ръководство предостави широк преглед на изкуството на проектирането на биореактори. За тези, които търсят по-задълбочено разбиране на тази критична област, се препоръчва по-нататъшно проучване на специфични видове биореактори, стратегии за контрол и методологии за мащабиране.