स्केलिंग अप: वाणिज्यिक किण्वन के लिए एक व्यापक गाइड

किण्वन कई उद्योगों, जैसे खाद्य और पेय से लेकर फार्मास्यूटिकल्स और जैव ईंधन तक, की आधारशिला है। जबकि प्रयोगशाला स्तर पर सफल किण्वन एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है, उस सफलता को वाणिज्यिक उत्पादन में बदलने के लिए सावधानीपूर्वक योजना, निष्पादन और अनुकूलन की आवश्यकता होती है। यह गाइड वाणिज्यिक किण्वन प्रक्रियाओं को बढ़ाने के लिए मुख्य विचारों और सर्वोत्तम प्रथाओं का एक व्यापक अवलोकन प्रदान करता है।

किण्वन को बढ़ाना चुनौतीपूर्ण क्यों है?

किण्वन प्रक्रिया को बढ़ाना केवल आयतन बढ़ाने के बारे में नहीं है। कई कारक जो छोटे पैमाने पर आसानी से नियंत्रित किए जा सकते हैं, प्रक्रिया बढ़ने के साथ काफी अधिक जटिल हो जाते हैं। इनमें शामिल हैं:

• हीट ट्रांसफर (ऊष्मा अंतरण): इष्टतम तापमान बनाए रखना माइक्रोबियल वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए महत्वपूर्ण है। बड़े बायोरिएक्टरों का सतह क्षेत्र-से-आयतन अनुपात कम होता है, जिससे गर्मी हटाना अधिक चुनौतीपूर्ण हो जाता है। अपर्याप्त शीतलन से ओवरहीटिंग और कोशिका मृत्यु हो सकती है, जबकि अत्यधिक शीतलन किण्वन प्रक्रिया को धीमा कर सकता है।
• मास ट्रांसफर (द्रव्यमान अंतरण): ऑक्सीजन ट्रांसफर अक्सर एरोबिक (वायवीय) किण्वन में एक सीमित कारक होता है। जैसे-जैसे कल्चर का घनत्व बढ़ता है, ऑक्सीजन की मांग बढ़ जाती है। बड़े पैमाने पर पूरे बायोरिएक्टर में पर्याप्त ऑक्सीजन की आपूर्ति सुनिश्चित करना कठिन हो जाता है। मिश्रण, स्पार्जिंग और रिएक्टर डिज़ाइन ऑक्सीजन ट्रांसफर दक्षता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
• मिश्रण (मिक्सिंग): समरूपता बनाए रखने, पोषक तत्वों को वितरित करने और चयापचय उप-उत्पादों को हटाने के लिए प्रभावी मिश्रण आवश्यक है। खराब मिश्रण से पीएच, तापमान और पोषक तत्वों की सांद्रता में ग्रेडिएंट बन सकते हैं, जो कोशिका वृद्धि और उत्पाद निर्माण पर नकारात्मक प्रभाव डाल सकते हैं। इम्पेलर्स के प्रकार और विन्यास, बैफल डिज़ाइन और मिश्रण की गति पर सावधानीपूर्वक विचार किया जाना चाहिए।
• शियर स्ट्रेस (अपरूपण प्रतिबल): इम्पेलर्स से अत्यधिक शियर स्ट्रेस कोशिकाओं को नुकसान पहुंचा सकता है, खासकर उन कोशिकाओं को जो शियर-संवेदनशील होती हैं। पर्याप्त मिश्रण बनाए रखते हुए शियर स्ट्रेस को कम करने के लिए इम्पेलर डिज़ाइन और मिश्रण की गति को अनुकूलित करना महत्वपूर्ण है। कुछ कोशिकाएं (जैसे, फिलामेंटस फंगी) दूसरों की तुलना में शियर क्षति के प्रति अधिक संवेदनशील होती हैं।
• स्टरिलिटी (रोगाणुहीनता): किण्वन प्रक्रियाओं में स्टरिलिटी बनाए रखना सर्वोपरि है। बायोरिएक्टर के आकार और जटिलता के साथ संदूषण का खतरा बढ़ जाता है। संदूषण को रोकने और उत्पाद की गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए मजबूत नसबंदी प्रक्रियाएं, एसेप्टिक तकनीकें और बंद सिस्टम आवश्यक हैं।
• पीएच नियंत्रण: एंजाइम गतिविधि और कोशिका व्यवहार्यता के लिए इष्टतम पीएच रेंज बनाए रखना महत्वपूर्ण है। जैसे-जैसे किण्वन आगे बढ़ता है, एसिड या बेस का उत्पादन पीएच में महत्वपूर्ण उतार-चढ़ाव का कारण बन सकता है। सटीक पीएच नियंत्रण के लिए परिष्कृत निगरानी और नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होती है।
• प्रक्रिया निगरानी और नियंत्रण: महत्वपूर्ण प्रक्रिया मापदंडों (जैसे, तापमान, पीएच, घुलित ऑक्सीजन, पोषक तत्वों का स्तर) की प्रभावी निगरानी और नियंत्रण सुसंगत प्रदर्शन और उत्पाद की गुणवत्ता के लिए महत्वपूर्ण है। बड़े पैमाने पर किण्वन के लिए वास्तविक समय की निगरानी और स्वचालित नियंत्रण प्रणाली आवश्यक है।
• स्केल-निर्भर चयापचय बदलाव: कोशिकाएं छोटे पैमाने की संस्कृतियों की तुलना में बड़े पैमाने के फर्मेंटर्स में अलग तरह से व्यवहार कर सकती हैं। ऑक्सीजन की उपलब्धता, शियर स्ट्रेस, और पोषक तत्वों के ग्रेडिएंट जैसे कारक चयापचय पथ को बदल सकते हैं और उत्पाद की उपज और गुणवत्ता को प्रभावित कर सकते हैं। इन बदलावों का सावधानीपूर्वक अध्ययन और स्केल-अप के दौरान समाधान करने की आवश्यकता है।

किण्वन स्केल-अप के चरण

स्केल-अप प्रक्रिया में आम तौर पर कई चरण शामिल होते हैं, जिनमें से प्रत्येक के अपने उद्देश्य और चुनौतियां होती हैं:

1. सीड कल्चर का विकास

सीड कल्चर उत्पादन फर्मेंटर के लिए इनोकुलम के रूप में कार्य करता है। एक ऐसा सीड कल्चर विकसित करना महत्वपूर्ण है जो स्वस्थ हो, सक्रिय रूप से बढ़ रहा हो, और संदूषण से मुक्त हो। इसमें आमतौर पर विकास के कई चरण शामिल होते हैं, जो क्रायोप्रिजर्व्ड स्टॉक कल्चर से शुरू होकर शेक फ्लास्क, छोटे बायोरिएक्टर, और अंततः एक सीड फर्मेंटर तक बढ़ते हैं। सीड कल्चर को उत्पादन फर्मेंटर में वांछित कोशिकाओं के शारीरिक रूप से समान होना चाहिए।

उदाहरण: एक दवा कंपनी जो एक नया एंटीबायोटिक विकसित कर रही है, वह उत्पादक सूक्ष्मजीव के जमे हुए स्टॉक से शुरू कर सकती है। इस स्टॉक को एक शेक फ्लास्क में पुनर्जीवित किया जाता है, फिर एक छोटे (जैसे, 2L) बायोरिएक्टर में स्थानांतरित किया जाता है। इस बायोरिएक्टर से बायोमास फिर एक बड़े (जैसे, 50L) सीड फर्मेंटर को इनोकुलेट करता है, जो उत्पादन फर्मेंटर के लिए इनोकुलम प्रदान करता है।

2. पायलट-स्केल किण्वन

पायलट-स्केल किण्वन प्रयोगशाला और औद्योगिक उत्पादन के बीच की खाई को पाटता है। यह आपको उन परिस्थितियों में किण्वन प्रक्रिया का परीक्षण और अनुकूलन करने की अनुमति देता है जो पूर्ण-पैमाने के उत्पादन वातावरण से अधिक निकटता से मिलती-जुलती हैं। पायलट-स्केल अध्ययन संभावित स्केल-अप मुद्दों की पहचान करने और ऑपरेटिंग मापदंडों को परिष्कृत करने में मदद करते हैं। इन प्रयोगों में आमतौर पर 50L से 500L तक के बायोरिएक्टर शामिल होते हैं।

उदाहरण: एक जैव ईंधन कंपनी इथेनॉल उत्पादन के लिए एक नए आनुवंशिक रूप से इंजीनियर किए गए यीस्ट स्ट्रेन के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए 100L बायोरिएक्टर का उपयोग कर सकती है। वे इथेनॉल की उपज और उत्पादकता को अधिकतम करने के लिए तापमान, पीएच और पोषक तत्व फ़ीड दरों जैसे मापदंडों को अनुकूलित करेंगे।

3. उत्पादन-स्केल किण्वन

अंतिम चरण उत्पादन-स्केल किण्वन है, जहां उत्पाद को वाणिज्यिक बिक्री के लिए बड़ी मात्रा में निर्मित किया जाता है। उत्पादन-स्केल बायोरिएक्टर कई हजार लीटर से लेकर सैकड़ों हजार लीटर तक हो सकते हैं। इस पैमाने पर लगातार प्रदर्शन और उत्पाद की गुणवत्ता बनाए रखने के लिए विस्तार और मजबूत प्रक्रिया नियंत्रण प्रणालियों पर सावधानीपूर्वक ध्यान देने की आवश्यकता होती है।

उदाहरण: एक शराब की भठ्ठी वाणिज्यिक पैमाने पर बीयर का उत्पादन करने के लिए 10,000L फर्मेंटर का उपयोग कर सकती है। वे लगातार स्वाद और गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए तापमान, पीएच और घुलित ऑक्सीजन के स्तर की सावधानीपूर्वक निगरानी करेंगे।

किण्वन स्केल-अप के लिए मुख्य विचार

1. बायोरिएक्टर डिज़ाइन

बायोरिएक्टर किण्वन प्रक्रिया का हृदय है। सही बायोरिएक्टर डिज़ाइन चुनना सफल स्केल-अप के लिए महत्वपूर्ण है। मुख्य विचारों में शामिल हैं:

• बायोरिएक्टर का प्रकार: विभिन्न बायोरिएक्टर प्रकार विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं। स्टर्ल्ड-टैंक रिएक्टर सबसे आम प्रकार हैं, लेकिन अन्य विकल्पों में एयर-लिफ्ट रिएक्टर, बबल कॉलम रिएक्टर और पैक्ड-बेड रिएक्टर शामिल हैं। चुनाव किण्वन प्रक्रिया की विशिष्ट आवश्यकताओं पर निर्भर करता है, जैसे कि सूक्ष्मजीव का प्रकार, ऑक्सीजन की मांग और शियर स्ट्रेस के प्रति संवेदनशीलता।
• मिश्रण प्रणाली: मिश्रण प्रणाली को समरूपता, पोषक तत्वों के वितरण और ऑक्सीजन हस्तांतरण के लिए पर्याप्त मिश्रण प्रदान करना चाहिए। आम इम्पेलर प्रकारों में रशटन टर्बाइन, पिच्ड-ब्लेड टर्बाइन और समुद्री प्रोपेलर शामिल हैं। इम्पेलर्स की संख्या और विन्यास, बैफल डिज़ाइन और मिश्रण की गति को विशिष्ट बायोरिएक्टर और किण्वन प्रक्रिया के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए।
• स्पार्जिंग सिस्टम: स्पार्जिंग सिस्टम बायोरिएक्टर में हवा या ऑक्सीजन का परिचय कराता है। स्पार्जर के प्रकार और आकार, गैस प्रवाह दर और गैस संरचना को अत्यधिक झाग या कोशिका क्षति के बिना ऑक्सीजन हस्तांतरण को अनुकूलित करने के लिए सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाना चाहिए।
• हीट ट्रांसफर सिस्टम: हीट ट्रांसफर सिस्टम को बायोरिएक्टर को कोशिका वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए इष्टतम तापमान पर बनाए रखना चाहिए। इसमें आमतौर पर परिसंचारी शीतलन या हीटिंग तरल पदार्थ के साथ एक जैकेटेड बर्तन शामिल होता है। किण्वन प्रक्रिया द्वारा उत्पन्न गर्मी को हटाने के लिए हीट ट्रांसफर क्षमता पर्याप्त होनी चाहिए।
• इंस्ट्रूमेंटेशन और नियंत्रण: बायोरिएक्टर को तापमान, पीएच, घुलित ऑक्सीजन और पोषक तत्वों के स्तर जैसे महत्वपूर्ण प्रक्रिया मापदंडों की निगरानी और विनियमन के लिए सेंसर और नियंत्रण प्रणालियों से लैस होना चाहिए। सुसंगत प्रदर्शन और उत्पाद की गुणवत्ता बनाए रखने के लिए स्वचालित नियंत्रण प्रणाली आवश्यक है।

2. प्रक्रिया अनुकूलन

प्रक्रिया अनुकूलन में उन प्रमुख प्रक्रिया मापदंडों की पहचान और अनुकूलन शामिल है जो कोशिका वृद्धि, उत्पाद निर्माण और उत्पाद की गुणवत्ता को प्रभावित करते हैं। इसमें आमतौर पर प्रयोगात्मक अध्ययन और गणितीय मॉडलिंग का संयोजन शामिल होता है।

• माध्यम अनुकूलन: किण्वन माध्यम को कोशिका वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए आवश्यक सभी पोषक तत्व प्रदान करने चाहिए। माध्यम संरचना को अनुकूलित करने से उत्पाद की उपज और उत्पादकता में काफी सुधार हो सकता है। इसमें कार्बन स्रोतों, नाइट्रोजन स्रोतों, विटामिन और खनिजों की सांद्रता को बदलना शामिल हो सकता है। प्रतिक्रिया सतह पद्धति (RSM) जैसे सांख्यिकीय प्रयोगात्मक डिजाइनों का उपयोग माध्यम संरचना को कुशलतापूर्वक अनुकूलित करने के लिए किया जा सकता है।
• तापमान अनुकूलन: कोशिका वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए इष्टतम तापमान विशिष्ट सूक्ष्मजीव पर निर्भर करता है। तापमान एंजाइम गतिविधि, झिल्ली तरलता और प्रोटीन स्थिरता को प्रभावित कर सकता है। इष्टतम तापमान प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया जाना चाहिए।
• पीएच अनुकूलन: कोशिका वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए इष्टतम पीएच रेंज भी विशिष्ट सूक्ष्मजीव पर निर्भर करती है। पीएच एंजाइम गतिविधि, कोशिका झिल्ली पारगम्यता और प्रोटीन घुलनशीलता को प्रभावित कर सकता है। इष्टतम किण्वन प्रदर्शन के लिए सटीक पीएच नियंत्रण आवश्यक है।
• घुलित ऑक्सीजन अनुकूलन: एरोबिक किण्वन के लिए पर्याप्त घुलित ऑक्सीजन स्तर बनाए रखना महत्वपूर्ण है। इष्टतम घुलित ऑक्सीजन स्तर सूक्ष्मजीव की ऑक्सीजन मांग और बायोरिएक्टर की ऑक्सीजन हस्तांतरण क्षमता पर निर्भर करता है। घुलित ऑक्सीजन के स्तर को आंदोलन की गति, वातन दर और ऑक्सीजन संवर्धन को समायोजित करके नियंत्रित किया जा सकता है।
• फ़ीड रणनीतियाँ: फेड-बैच और निरंतर किण्वन के लिए, फ़ीड दर और संरचना को उत्पाद की उपज और उत्पादकता को अधिकतम करने के लिए सावधानीपूर्वक अनुकूलित किया जाना चाहिए। ग्लूकोज सांद्रता, पीएच, या घुलित ऑक्सीजन के वास्तविक समय के मापन के आधार पर फ़ीड दर को समायोजित करने के लिए फीडबैक नियंत्रण रणनीतियों का उपयोग किया जा सकता है।

3. निगरानी और नियंत्रण

सुसंगत प्रदर्शन और उत्पाद की गुणवत्ता के लिए महत्वपूर्ण प्रक्रिया मापदंडों की प्रभावी निगरानी और नियंत्रण आवश्यक है। इसके लिए उपयुक्त सेंसर, नियंत्रण प्रणाली और डेटा विश्लेषण तकनीकों के उपयोग की आवश्यकता होती है।

• सेंसर: तापमान, पीएच, घुलित ऑक्सीजन, ग्लूकोज सांद्रता, बायोमास सांद्रता और उत्पाद सांद्रता सहित महत्वपूर्ण प्रक्रिया मापदंडों की निगरानी के लिए विभिन्न सेंसर उपलब्ध हैं। सेंसर का चुनाव मापे जा रहे विशिष्ट पैरामीटर और किण्वन प्रक्रिया की आवश्यकताओं पर निर्भर करता है।
• नियंत्रण प्रणाली: स्वचालित नियंत्रण प्रणालियों का उपयोग सेंसर से फीडबैक के आधार पर प्रक्रिया मापदंडों को विनियमित करने के लिए किया जाता है। सामान्य नियंत्रण प्रणालियों में पीआईडी (आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न) नियंत्रक शामिल हैं, जो वांछित सेटपॉइंट बनाए रखने के लिए हेरफेर किए गए चर (जैसे, तापमान, पीएच, आंदोलन की गति) को समायोजित करते हैं।
• डेटा विश्लेषण: सेंसर और नियंत्रण प्रणालियों से एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण रुझानों की पहचान करने, विसंगतियों का पता लगाने और प्रक्रिया प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए किया जा सकता है। सांख्यिकीय प्रक्रिया नियंत्रण (SPC) तकनीकों का उपयोग प्रक्रिया परिवर्तनशीलता की निगरानी करने और उत्पाद की गुणवत्ता को प्रभावित करने से पहले संभावित समस्याओं की पहचान करने के लिए किया जा सकता है।
• प्रोसेस एनालिटिकल टेक्नोलॉजी (PAT): PAT महत्वपूर्ण गुणवत्ता विशेषताओं (CQAs) और महत्वपूर्ण प्रक्रिया मापदंडों (CPPs) के समय पर माप के माध्यम से निर्माण प्रक्रियाओं को डिजाइन, विश्लेषण और नियंत्रित करने के लिए एक ढांचा है। PAT का उद्देश्य प्रक्रिया की समझ में सुधार करना, परिवर्तनशीलता को कम करना और उत्पाद की गुणवत्ता को बढ़ाना है।

4. स्टरिलिटी आश्वासन

किण्वन प्रक्रियाओं में स्टरिलिटी बनाए रखना सर्वोपरि है। संदूषण से उत्पाद खराब हो सकता है, उपज कम हो सकती है, और यहां तक कि प्रक्रिया पूरी तरह से विफल हो सकती है। मजबूत नसबंदी प्रक्रियाओं और एसेप्टिक तकनीकों को लागू करना आवश्यक है।

• उपकरणों की नसबंदी: किण्वन ब्रॉथ के संपर्क में आने वाले सभी उपकरण, जिसमें बायोरिएक्टर, पाइपिंग और सेंसर शामिल हैं, उपयोग से पहले पूरी तरह से निष्फल होने चाहिए। भाप नसबंदी सबसे आम तरीका है, लेकिन अन्य विकल्पों में आटोक्लेविंग, निस्पंदन और रासायनिक नसबंदी शामिल हैं।
• मीडिया की नसबंदी: किसी भी संदूषणकारी सूक्ष्मजीवों को खत्म करने के लिए किण्वन माध्यम को भी निष्फल किया जाना चाहिए। यह आमतौर पर आटोक्लेविंग या फिल्टर नसबंदी द्वारा किया जाता है।
• एसेप्टिक तकनीकें: सभी ऑपरेशन जिनमें बायोरिएक्टर खोलना या किण्वन ब्रॉथ में सामग्री डालना शामिल है, उन्हें एसेप्टिक तकनीकों का उपयोग करके किया जाना चाहिए। इसमें निष्फल उपकरण का उपयोग करना, निष्फल दस्ताने पहनना और स्वच्छ वातावरण में काम करना शामिल है।
• एयर फिल्ट्रेशन: बायोरिएक्टर में प्रवेश करने वाली हवा को किसी भी हवाई सूक्ष्मजीवों को हटाने के लिए निष्फल फिल्टर के माध्यम से फ़िल्टर किया जाना चाहिए।
• बंद सिस्टम: बंद सिस्टम का उपयोग करने से संदूषण का खतरा कम हो जाता है। इसमें सभी उपकरणों और पाइपिंग को एक बंद लूप में जोड़ना और सामग्री के किसी भी खुले हस्तांतरण से बचना शामिल है।

5. फोम नियंत्रण

फोम का बनना किण्वन प्रक्रियाओं में एक आम समस्या है, खासकर उन प्रक्रियाओं में जिनमें प्रोटीन या सर्फेक्टेंट शामिल होते हैं। अत्यधिक फोम से ऑक्सीजन हस्तांतरण में कमी, संदूषण और उत्पाद का नुकसान हो सकता है। फोम को एंटीफोम एजेंटों को जोड़कर या यांत्रिक फोम ब्रेकरों का उपयोग करके नियंत्रित किया जा सकता है।

• एंटीफोम एजेंट: एंटीफोम एजेंट ऐसे रसायन हैं जो किण्वन ब्रॉथ के सतह तनाव को कम करते हैं, जिससे फोम का बनना रुक जाता है। आम एंटीफोम एजेंटों में सिलिकोन, वनस्पति तेल और फैटी एसिड शामिल हैं। एंटीफोम एजेंट का चुनाव विशिष्ट किण्वन प्रक्रिया और सूक्ष्मजीव की संवेदनशीलता पर निर्भर करता है।
• मैकेनिकल फोम ब्रेकर्स: मैकेनिकल फोम ब्रेकर्स फोम को भौतिक रूप से तोड़ने के लिए घूमने वाले ब्लेड या अन्य उपकरणों का उपयोग करते हैं। इनका उपयोग अक्सर एंटीफोम एजेंटों के साथ किया जाता है।

सफल स्केल-अप के लिए रणनीतियाँ

1. QbD (डिज़ाइन द्वारा गुणवत्ता) दृष्टिकोण

QbD विकास के लिए एक व्यवस्थित दृष्टिकोण है जो पूर्वनिर्धारित उद्देश्यों के साथ शुरू होता है और उत्पाद और प्रक्रिया की समझ और प्रक्रिया नियंत्रण पर जोर देता है। किण्वन स्केल-अप में QbD सिद्धांतों को लागू करने से लगातार उत्पाद की गुणवत्ता और प्रदर्शन सुनिश्चित करने में मदद मिलती है।

QbD के प्रमुख तत्वों में शामिल हैं:

• गुणवत्ता लक्ष्य उत्पाद प्रोफ़ाइल (QTPP) को परिभाषित करना: QTPP अंतिम उत्पाद की वांछित विशेषताओं का वर्णन करता है, जैसे शुद्धता, शक्ति और स्थिरता।
• महत्वपूर्ण गुणवत्ता विशेषताओं (CQAs) की पहचान करना: CQAs भौतिक, रासायनिक, जैविक या सूक्ष्मजैविक गुण हैं जिन्हें वांछित उत्पाद गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए नियंत्रित किया जाना चाहिए।
• महत्वपूर्ण प्रक्रिया मापदंडों (CPPs) की पहचान करना: CPPs वे प्रक्रिया पैरामीटर हैं जो CQAs को प्रभावित कर सकते हैं।
• डिज़ाइन स्पेस स्थापित करना: डिज़ाइन स्पेस इनपुट चर (जैसे, CPPs) और प्रक्रिया मापदंडों का बहुआयामी संयोजन और इंटरैक्शन है जिसे गुणवत्ता का आश्वासन प्रदान करने के लिए प्रदर्शित किया गया है। डिज़ाइन स्पेस के भीतर काम करना यह सुनिश्चित करता है कि उत्पाद वांछित गुणवत्ता विशेषताओं को पूरा करता है।
• एक नियंत्रण रणनीति लागू करना: नियंत्रण रणनीति यह बताती है कि CPPs की निगरानी और नियंत्रण कैसे किया जाएगा ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि प्रक्रिया डिज़ाइन स्पेस के भीतर बनी रहे और उत्पाद वांछित गुणवत्ता विशेषताओं को पूरा करे।

2. कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स (CFD)

CFD बायोरिएक्टर में द्रव प्रवाह, ऊष्मा अंतरण और द्रव्यमान अंतरण का अनुकरण करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। CFD सिमुलेशन का उपयोग बायोरिएक्टर डिज़ाइन, मिश्रण प्रणाली और स्पार्जिंग प्रणाली को अनुकूलित करने के लिए किया जा सकता है। वे डेड जोन और शियर स्ट्रेस हॉटस्पॉट जैसी संभावित समस्याओं की पहचान करने में भी मदद कर सकते हैं। CFD स्केल-अप के लिए आवश्यक महंगे और समय लेने वाले पायलट-स्केल प्रयोगों की संख्या को कम कर सकता है।

3. स्केल-डाउन मॉडल

स्केल-डाउन मॉडल छोटे पैमाने के बायोरिएक्टर होते हैं जिन्हें बड़े पैमाने के उत्पादन बायोरिएक्टर में स्थितियों की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। स्केल-डाउन मॉडल का उपयोग कोशिका वृद्धि, उत्पाद निर्माण और उत्पाद की गुणवत्ता पर विभिन्न प्रक्रिया मापदंडों के प्रभावों का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है। उनका उपयोग स्केल-अप के दौरान उत्पन्न होने वाली समस्याओं के निवारण के लिए भी किया जा सकता है। अच्छी तरह से caractérised स्केल-डाउन मॉडल मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकते हैं और विकास प्रक्रिया को तेज कर सकते हैं।

4. प्रक्रिया मॉडलिंग और सिमुलेशन

प्रक्रिया मॉडलिंग और सिमुलेशन का उपयोग विभिन्न पैमानों और विभिन्न परिचालन स्थितियों के तहत किण्वन प्रक्रिया के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए किया जा सकता है। द्रव्यमान अंतरण, ऊष्मा अंतरण और प्रतिक्रिया गतिकी के मूलभूत सिद्धांतों के आधार पर गणितीय मॉडल विकसित किए जा सकते हैं। इन मॉडलों का उपयोग प्रक्रिया मापदंडों को अनुकूलित करने, नियंत्रण रणनीतियों को डिजाइन करने और समस्याओं का निवारण करने के लिए किया जा सकता है। MATLAB, gPROMS, और Aspen Plus जैसे उपकरणों का उपयोग प्रक्रिया मॉडलिंग और सिमुलेशन के लिए किया जा सकता है।

डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग संबंधी विचार

स्केल-अप विचार केवल किण्वन प्रक्रिया तक ही सीमित नहीं हैं। डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग, जिसमें किण्वन ब्रॉथ से उत्पाद को अलग करना और शुद्ध करना शामिल है, को भी बढ़ाने की आवश्यकता है। डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग तकनीकों का चुनाव उत्पाद की प्रकृति, उसकी सांद्रता और वांछित शुद्धता पर निर्भर करता है। सामान्य डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग तकनीकों में शामिल हैं:

• कोशिका पृथक्करण: किण्वन ब्रॉथ से कोशिकाओं को हटाना अक्सर डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग में पहला कदम होता है। यह सेंट्रीफ्यूगेशन, फिल्ट्रेशन या माइक्रोफिल्ट्रेशन द्वारा किया जा सकता है।
• कोशिका विघटन: यदि उत्पाद इंट्रासेल्युलर है, तो उत्पाद को छोड़ने के लिए कोशिकाओं को विघटित किया जाना चाहिए। यह यांत्रिक तरीकों (जैसे, होमोजेनाइजेशन, बीड मिलिंग) या रासायनिक तरीकों (जैसे, एंजाइमी लाइसिस) द्वारा किया जा सकता है।
• उत्पाद अलगाव: उत्पाद को किण्वन ब्रॉथ से विभिन्न तकनीकों द्वारा अलग किया जा सकता है, जिसमें वर्षा, निष्कर्षण और सोखना शामिल है।
• उत्पाद शुद्धिकरण: उत्पाद को आमतौर पर क्रोमैटोग्राफिक तकनीकों, जैसे एफिनिटी क्रोमैटोग्राफी, आयन एक्सचेंज क्रोमैटोग्राफी और साइज एक्सक्लूजन क्रोमैटोग्राफी द्वारा शुद्ध किया जाता है।
• उत्पाद सूत्रीकरण: डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग में अंतिम चरण उत्पाद को एक स्थिर और प्रयोग करने योग्य रूप में तैयार करना है। इसमें सहायक पदार्थों, स्टेबलाइजर्स और परिरक्षकों को जोड़ना शामिल हो सकता है।

सफल किण्वन स्केल-अप के वैश्विक उदाहरण

दुनिया भर में कई उद्योग सफल किण्वन स्केल-अप पर बहुत अधिक निर्भर हैं। यहाँ कुछ उदाहरण दिए गए हैं:

• फार्मास्युटिकल उद्योग (वैश्विक): एंटीबायोटिक्स, टीके, और अन्य बायोफार्मास्यूटिकल्स का उत्पादन सूक्ष्मजीवों या सेल कल्चर के बड़े पैमाने पर किण्वन पर निर्भर करता है। फाइजर, रोश और नोवार्टिस जैसी कंपनियां दुनिया भर में विशाल किण्वन सुविधाओं का संचालन करती हैं।
• खाद्य और पेय उद्योग (यूरोप, उत्तरी अमेरिका, एशिया): बीयर, वाइन, दही, पनीर, और अन्य किण्वित खाद्य पदार्थों और पेय पदार्थों का उत्पादन नियंत्रित किण्वन प्रक्रियाओं पर निर्भर करता है। Anheuser-Busch InBev (बेल्जियम), Danone (फ्रांस), और Kirin Brewery (जापान) जैसी कंपनियों ने कई वर्षों से किण्वन स्केल-अप में महारत हासिल की है।
• जैव ईंधन उद्योग (ब्राजील, यूएसए): गन्ने (ब्राजील) और मकई (यूएसए) से इथेनॉल उत्पादन में यीस्ट द्वारा शर्करा का बड़े पैमाने पर किण्वन शामिल है। Raizen (ब्राजील) और Archer Daniels Midland (USA) जैसी कंपनियां बड़े पैमाने पर जैव ईंधन उत्पादन सुविधाओं का संचालन करती हैं।
• औद्योगिक जैव प्रौद्योगिकी (डेनमार्क, जर्मनी, चीन): एंजाइम, बायोप्लास्टिक्स, और अन्य जैव-आधारित उत्पादों का उत्पादन आनुवंशिक रूप से इंजीनियर किए गए सूक्ष्मजीवों के किण्वन पर निर्भर करता है। Novozymes (डेनमार्क), BASF (जर्मनी), और Amyris (USA) जैसी कंपनियां इस क्षेत्र में अग्रणी हैं।

सामान्य स्केल-अप समस्याओं का निवारण

सावधानीपूर्वक योजना और निष्पादन के बावजूद, किण्वन स्केल-अप के दौरान समस्याएं अभी भी उत्पन्न हो सकती हैं। यहां कुछ सामान्य समस्याएं और संभावित समाधान दिए गए हैं:

• कम उत्पाद उपज: यह चयापचय पथ में परिवर्तन, पोषक तत्वों की सीमाओं, या निरोधात्मक उप-उत्पाद संचय के कारण हो सकता है। माध्यम संरचना की समीक्षा करें, फ़ीड रणनीतियों को अनुकूलित करें, और पर्याप्त ऑक्सीजन हस्तांतरण सुनिश्चित करें।
• बढ़ा हुआ संदूषण जोखिम: यह अपर्याप्त नसबंदी प्रक्रियाओं या एसेप्टिक तकनीक में उल्लंघनों के कारण हो सकता है। नसबंदी प्रोटोकॉल की समीक्षा करें, एयर फिल्ट्रेशन में सुधार करें, और सख्त एसेप्टिक प्रक्रियाओं को लागू करें।
• फोम का अत्यधिक उत्पादन: यह माध्यम संरचना या कोशिका शरीर क्रिया विज्ञान में परिवर्तन के कारण हो सकता है। एंटीफोम एजेंट के जोड़ को अनुकूलित करें या एक यांत्रिक फोम ब्रेकर स्थापित करें।
• कोशिका आकारिकी में परिवर्तन: यह शियर स्ट्रेस या पोषक तत्व ग्रेडिएंट में परिवर्तन के कारण हो सकता है। इम्पेलर डिज़ाइन, मिश्रण गति और फ़ीड रणनीतियों को अनुकूलित करें।
• उत्पाद की अस्थिरता: यह पीएच, तापमान में परिवर्तन, या क्षरणकारी एंजाइमों की उपस्थिति के कारण हो सकता है। प्रक्रिया मापदंडों को अनुकूलित करें और माध्यम में स्टेबलाइजर्स जोड़ें।

किण्वन स्केल-अप में भविष्य के रुझान

किण्वन का क्षेत्र लगातार विकसित हो रहा है। किण्वन स्केल-अप के भविष्य को आकार देने वाले कुछ प्रमुख रुझानों में शामिल हैं:

• निरंतर किण्वन: निरंतर किण्वन बैच किण्वन पर कई फायदे प्रदान करता है, जिसमें उच्च उत्पादकता, कम परिचालन लागत और अधिक सुसंगत उत्पाद गुणवत्ता शामिल है।
• एकल-उपयोग बायोरिएक्टर: एकल-उपयोग बायोरिएक्टर सफाई और नसबंदी की आवश्यकता को समाप्त करते हैं, जिससे संदूषण का खतरा कम होता है और संचालन सरल होता है।
• उन्नत प्रक्रिया नियंत्रण: उन्नत प्रक्रिया नियंत्रण तकनीकें, जैसे मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल (एमपीसी) और मशीन लर्निंग, का उपयोग वास्तविक समय में किण्वन प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने के लिए किया जा रहा है।
• सिंथेटिक बायोलॉजी: सिंथेटिक बायोलॉजी का उपयोग बेहतर चयापचय क्षमताओं और उत्पादकता वाले सूक्ष्मजीवों को इंजीनियर करने के लिए किया जा रहा है।
• माइक्रोबियल समुदाय: माइक्रोबियल समुदायों और कंसोर्टिया का उपयोग नए चयापचय पथों को अनलॉक कर सकता है और जैव प्रक्रियाओं की दक्षता में सुधार कर सकता है।

निष्कर्ष

वाणिज्यिक किण्वन प्रक्रियाओं को बढ़ाना जैव-उत्पादों को बाजार में लाने के लिए एक जटिल लेकिन आवश्यक कदम है। इस गाइड में चर्चा किए गए प्रमुख कारकों पर सावधानीपूर्वक विचार करके, जिसमें बायोरिएक्टर डिज़ाइन, प्रक्रिया अनुकूलन, निगरानी और नियंत्रण, स्टरिलिटी आश्वासन और फोम नियंत्रण शामिल हैं, कंपनियां अपनी किण्वन प्रक्रियाओं को सफलतापूर्वक बढ़ा सकती हैं और लगातार उत्पाद की गुणवत्ता और प्रदर्शन प्राप्त कर सकती हैं। QbD, CFD, स्केल-डाउन मॉडल और उन्नत प्रक्रिया नियंत्रण जैसी नई तकनीकों और पद्धतियों को अपनाने से दुनिया भर में वाणिज्यिक किण्वन संचालन की दक्षता और मजबूती में और वृद्धि होगी।