बायोरिएक्टर डिजाइन की कला: एक व्यापक गाइड

बायोरिएक्टर, जिन्हें फर्मेंटर भी कहा जाता है, कई जैव-प्रक्रियाओं का हृदय होते हैं, जो जैविक प्रतिक्रियाओं के होने के लिए एक नियंत्रित वातावरण प्रदान करते हैं। इनका डिजाइन एक बहु-विषयक कला है, जिसमें केमिकल इंजीनियरिंग, माइक्रोबायोलॉजी, बायोकैमिस्ट्री और मैकेनिकल इंजीनियरिंग के सिद्धांतों का मिश्रण होता है। इस गाइड का उद्देश्य बायोरिएक्टर डिजाइन से संबंधित विचारों का एक व्यापक अवलोकन प्रदान करना है, जो जैव-प्रक्रिया इंजीनियरिंग में शामिल वैश्विक दर्शकों की जरूरतों को पूरा करता है, छात्रों से लेकर अनुभवी पेशेवरों तक।

बायोरिएक्टर डिजाइन के मूल सिद्धांत

मूल रूप से, बायोरिएक्टर डिजाइन में एक ऐसा वातावरण बनाना शामिल है जो सूक्ष्मजीवों या कोशिकाओं के विकास और चयापचय गतिविधि का बेहतर ढंग से समर्थन करता है। इसके लिए कई प्रमुख कारकों पर सावधानीपूर्वक विचार करने की आवश्यकता है:

• मिश्रण: पूरे रिएक्टर में पोषक तत्वों, तापमान और पीएच की एकरूपता सुनिश्चित करना।
• वातन: एरोबिक जीवों के लिए पर्याप्त ऑक्सीजन की आपूर्ति करना और कार्बन डाइऑक्साइड को हटाना।
• तापमान नियंत्रण: जैविक प्रतिक्रिया के लिए इष्टतम तापमान बनाए रखना।
• पीएच नियंत्रण: अवरोध या कोशिका क्षति को रोकने के लिए पीएच को नियंत्रित करना।
• बंध्यता: अवांछित सूक्ष्मजीवों से संदूषण को रोकना।

बुनियादी बायोरिएक्टर घटक

एक विशिष्ट बायोरिएक्टर में निम्नलिखित घटक होते हैं:

• पात्र: वह कंटेनर जिसमें कल्चर रखा जाता है। आमतौर पर उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में स्टेनलेस स्टील, ग्लास और एकल-उपयोग प्लास्टिक शामिल हैं।
• आंदोलन प्रणाली: रिएक्टर की सामग्री को मिलाने के लिए एक इम्पेलर या स्टिरर।
• वातन प्रणाली: कल्चर में हवा या ऑक्सीजन डालने के लिए एक स्पार्जर।
• तापमान नियंत्रण प्रणाली: वांछित तापमान बनाए रखने के लिए एक जैकेट या आंतरिक कॉइल्स।
• पीएच नियंत्रण प्रणाली: वांछित पीएच बनाए रखने के लिए एसिड या बेस जोड़ने के लिए सेंसर और पंप।
• सेंसर और नियंत्रण प्रणाली: तापमान, पीएच, घुलित ऑक्सीजन (डीओ), और बायोमास सांद्रता जैसे प्रमुख मापदंडों की निगरानी और नियंत्रण।
• नमूनाकरण प्रणाली: विश्लेषण के लिए नमूने निकालने का एक साधन।

बायोरिएक्टर के प्रकार

बायोरिएक्टर विभिन्न डिजाइनों में आते हैं, प्रत्येक विभिन्न अनुप्रयोगों और जीवों के लिए उपयुक्त हैं। यहाँ कुछ सबसे सामान्य प्रकार दिए गए हैं:

स्टर्स्ड टैंक बायोरिएक्टर (STRs)

स्टर्स्ड टैंक बायोरिएक्टर सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले प्रकार हैं। इनमें एक बेलनाकार पात्र होता है जिसमें एक इम्पेलर होता है जो मिश्रण प्रदान करता है। STRs बहुमुखी हैं और माइक्रोबियल किण्वन से लेकर स्तनधारी कोशिका संवर्धन तक कई अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।

लाभ:

• अच्छी तरह से मिश्रित वातावरण
• अच्छा तापमान नियंत्रण
• स्केल-अप करना अपेक्षाकृत आसान

नुकसान:

• उच्च अपरूपण तनाव संवेदनशील कोशिकाओं को नुकसान पहुंचा सकता है
• साफ और स्टरलाइज़ करना मुश्किल हो सकता है

एयरलिफ्ट बायोरिएक्टर

एयरलिफ्ट बायोरिएक्टर कल्चर को मिलाने और वातन करने के लिए हवा का उपयोग करते हैं। वे विशेष रूप से अपरूपण-संवेदनशील कोशिकाओं के लिए उपयुक्त हैं, क्योंकि उनमें मैकेनिकल इम्पेलर नहीं होते हैं।

लाभ:

• कम अपरूपण तनाव
• सरल डिजाइन
• अपरूपण-संवेदनशील कोशिकाओं के लिए अच्छा

नुकसान:

• STRs की तुलना में कम कुशल मिश्रण
• स्केल-अप करना मुश्किल

बबल कॉलम बायोरिएक्टर

बबल कॉलम बायोरिएक्टर एयरलिफ्ट बायोरिएक्टर के समान होते हैं, लेकिन उनमें आंतरिक ड्राफ्ट ट्यूब नहीं होती है। हवा को सीधे कॉलम के नीचे से स्पार्ज किया जाता है, जो मिश्रण और वातन प्रदान करता है।

लाभ:

• सरल डिजाइन
• कम लागत

नुकसान:

• खराब मिश्रण
• नियंत्रित करना मुश्किल

पैक्ड बेड बायोरिएक्टर

पैक्ड बेड बायोरिएक्टर में एक ठोस मैट्रिक्स होता है, जैसे कि बीड्स या फाइबर, जो कोशिकाओं को जुड़ने के लिए एक सतह प्रदान करता है। पोषक तत्वों को बेड के माध्यम से परिचालित किया जाता है, जिससे कोशिकाओं को बढ़ने के लिए आवश्यक संसाधन मिलते हैं।

लाभ:

• उच्च कोशिका घनत्व
• स्थिर कोशिकाओं के लिए अच्छा

नुकसान:

• स्केल-अप करना मुश्किल
• जाम होने का खतरा हो सकता है

फ्लुइडाइज्ड बेड बायोरिएक्टर

फ्लुइडाइज्ड बेड बायोरिएक्टर पैक्ड बेड बायोरिएक्टर के समान होते हैं, लेकिन ठोस मैट्रिक्स एक द्रव धारा में निलंबित होता है। यह बेहतर मिश्रण और द्रव्यमान हस्तांतरण की अनुमति देता है।

लाभ:

• अच्छा मिश्रण और द्रव्यमान हस्तांतरण
• उच्च कोशिका घनत्व

नुकसान:

• जटिल डिजाइन
• नियंत्रित करना मुश्किल हो सकता है

फोटोबायोरिएक्टर

फोटोबायोरिएक्टर प्रकाश संश्लेषक जीवों, जैसे शैवाल और साइनोबैक्टीरिया, की खेती के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। वे आमतौर पर पारदर्शी होते हैं ताकि प्रकाश कल्चर में प्रवेश कर सके।

लाभ:

• कुशल प्रकाश उपयोग
• नियंत्रित वातावरण

नुकसान:

• उच्च लागत
• स्केल-अप करना मुश्किल

एकल-उपयोग बायोरिएक्टर (SUBs)

एकल-उपयोग बायोरिएक्टर पहले से स्टरलाइज़ किए गए, डिस्पोजेबल बायोरिएक्टर होते हैं जो सफाई और स्टरलाइजेशन की आवश्यकता को समाप्त करते हैं। वे बायोफार्मास्युटिकल निर्माण में तेजी से लोकप्रिय हो रहे हैं।

लाभ:

• सफाई और स्टरलाइजेशन लागत में कमी
• संदूषण के जोखिम में कमी
• तेज टर्नअराउंड समय

नुकसान:

• प्रति बैच उच्च लागत
• प्लास्टिक कचरे से संबंधित पर्यावरणीय चिंताएं

प्रमुख डिजाइन विचार

बायोरिएक्टर डिजाइन करते समय कई कारकों पर विचार किया जाना चाहिए। इनमें शामिल हैं:

कोशिका का प्रकार

कल्चर की जा रही कोशिका का प्रकार बायोरिएक्टर डिजाइन पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालेगा। उदाहरण के लिए, अपरूपण-संवेदनशील स्तनधारी कोशिकाओं को मजबूत बैक्टीरिया की तुलना में अलग बायोरिएक्टर डिजाइन की आवश्यकता होती है।

• माइक्रोबियल किण्वन: आमतौर पर तेजी से विकास का समर्थन करने के लिए उच्च वातन और मिश्रण की आवश्यकता होती है। STRs अक्सर उपयुक्त होते हैं।
• स्तनधारी कोशिका संवर्धन: कोशिका क्षति से बचने के लिए नरम मिश्रण और वातन की आवश्यकता होती है। एयरलिफ्ट बायोरिएक्टर या कम अपरूपण वाले इम्पेलर के साथ संशोधित STRs को प्राथमिकता दी जाती है।
• पादप कोशिका संवर्धन: विशिष्ट पोषक तत्व योगों की आवश्यकता होती है और मिस्ट बायोरिएक्टर जैसे विशेष बायोरिएक्टर डिजाइनों से लाभ हो सकता है।
• शैवाल संवर्धन: प्रकाश प्रवेश और कुशल CO2 वितरण की आवश्यकता होती है। फोटोबायोरिएक्टर विशेष रूप से इस उद्देश्य के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।

संचालन का पैमाना

संचालन का पैमाना भी बायोरिएक्टर डिजाइन को प्रभावित करेगा। छोटे पैमाने के बायोरिएक्टर सरल और सस्ते हो सकते हैं, जबकि बड़े पैमाने के बायोरिएक्टर को अधिक परिष्कृत इंजीनियरिंग की आवश्यकता होती है।

मिश्रण और वातन

कुशल मिश्रण और वातन बायोरिएक्टर के प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण हैं। मिश्रण यह सुनिश्चित करता है कि पोषक तत्व पूरे कल्चर में समान रूप से वितरित हों, जबकि वातन कोशिका वृद्धि के लिए आवश्यक ऑक्सीजन प्रदान करता है।

मिश्रण रणनीतियाँ:

• इम्पेलर डिजाइन: रशटन टर्बाइन, पिच्ड ब्लेड टर्बाइन और समुद्री प्रोपेलर का आमतौर पर उपयोग किया जाता है। चुनाव कल्चर की चिपचिपाहट और वांछित मिश्रण तीव्रता पर निर्भर करता है।
• बैफल डिजाइन: बैफल्स का उपयोग भंवर बनने से रोकने और मिश्रण दक्षता में सुधार करने के लिए किया जाता है।
• मिश्रण गति: मिश्रण गति को अत्यधिक अपरूपण तनाव पैदा किए बिना पर्याप्त मिश्रण प्रदान करने के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए।

वातन रणनीतियाँ:

• स्पार्जर डिजाइन: स्पार्जर कल्चर में हवा या ऑक्सीजन डालते हैं। विभिन्न स्पार्जर डिजाइन, जैसे झरझरा स्पार्जर या नोजल स्पार्जर, का उपयोग विभिन्न बुलबुले आकार बनाने के लिए किया जा सकता है।
• गैस प्रवाह दर: गैस प्रवाह दर को वाष्पशील यौगिकों को बाहर निकाले बिना पर्याप्त ऑक्सीजन प्रदान करने के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए।
• ऑक्सीजन संवर्धन: कुछ मामलों में, कोशिकाओं की ऑक्सीजन मांग को पूरा करने के लिए हवा को ऑक्सीजन से समृद्ध करना आवश्यक हो सकता है।

तापमान और पीएच नियंत्रण

कोशिका वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए इष्टतम तापमान और पीएच बनाए रखना आवश्यक है। तापमान को आमतौर पर एक जैकेट या आंतरिक कॉइल्स का उपयोग करके नियंत्रित किया जाता है, जबकि पीएच को एसिड या बेस जोड़कर नियंत्रित किया जाता है।

तापमान नियंत्रण प्रणाली:

• हीटिंग और कूलिंग जैकेट: बायोरिएक्टर पात्र के चारों ओर गर्म या ठंडा पानी परिचालित करें।
• आंतरिक कॉइल्स: जैकेट की तुलना में अधिक कुशल गर्मी हस्तांतरण प्रदान करते हैं।
• पीआईडी नियंत्रक: तापमान सेंसर से प्रतिक्रिया के आधार पर तापमान को स्वचालित रूप से समायोजित करने के लिए उपयोग किया जाता है।

पीएच नियंत्रण प्रणाली:

• पीएच सेंसर: कल्चर का पीएच मापें।
• एसिड और बेस पंप: पीएच को समायोजित करने के लिए एसिड या बेस जोड़ें।
• पीआईडी नियंत्रक: पीएच सेंसर से प्रतिक्रिया के आधार पर एसिड और बेस जोड़ को स्वचालित रूप से समायोजित करने के लिए उपयोग किया जाता है।

बंध्याकरण (स्टरलाइजेशन)

संदूषण को रोकने के लिए बंध्याकरण महत्वपूर्ण है। बायोरिएक्टर को आमतौर पर आटोक्लेविंग द्वारा या रासायनिक स्टरिलेंट का उपयोग करके स्टरलाइज़ किया जाता है।

बंध्याकरण के तरीके:

• आटोक्लेविंग: सूक्ष्मजीवों को मारने के लिए उच्च दबाव वाली भाप का उपयोग करना।
• रासायनिक बंध्याकरण: रासायनिक स्टरिलेंट का उपयोग करना, जैसे हाइड्रोजन पेरोक्साइड या परएसेटिक एसिड।
• निस्पंदन: तरल पदार्थ और गैसों से सूक्ष्मजीवों को हटाने के लिए फिल्टर का उपयोग करना।

प्रक्रिया की निगरानी और नियंत्रण

उन्नत प्रक्रिया निगरानी और नियंत्रण रणनीतियाँ बायोरिएक्टर के प्रदर्शन को अनुकूलित करने और उत्पाद की गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण हैं। इन रणनीतियों में वास्तविक समय में प्रमुख प्रक्रिया मापदंडों की निगरानी और समायोजन के लिए सेंसर, सॉफ्टवेयर और नियंत्रण एल्गोरिदम का उपयोग शामिल है।

निगरानी के लिए प्रमुख पैरामीटर:

• तापमान
• पीएच
• घुलित ऑक्सीजन (डीओ)
• बायोमास सांद्रता
• पोषक तत्व सांद्रता
• उत्पाद सांद्रता
• ऑफ-गैस विश्लेषण (CO2, O2)

नियंत्रण रणनीतियाँ:

• फीडबैक नियंत्रण: सेंसर से प्रतिक्रिया के आधार पर प्रक्रिया मापदंडों को समायोजित करना।
• फीडफॉरवर्ड नियंत्रण: सिस्टम में अनुमानित परिवर्तनों के आधार पर प्रक्रिया मापदंडों को समायोजित करना।
• मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल (MPC): सिस्टम के भविष्य के व्यवहार की भविष्यवाणी करने और नियंत्रण कार्यों को अनुकूलित करने के लिए गणितीय मॉडल का उपयोग करना।

स्केल-अप के लिए विचार

एक जैव-प्रक्रिया को प्रयोगशाला पैमाने से औद्योगिक पैमाने तक बढ़ाना चुनौतीपूर्ण हो सकता है। बड़े पैमाने के बायोरिएक्टर में छोटे पैमाने के बायोरिएक्टर जैसी ही स्थितियों को बनाए रखना महत्वपूर्ण है।

स्केल-अप रणनीतियाँ:

• ज्यामितीय समानता: बड़े पैमाने के बायोरिएक्टर में छोटे पैमाने के बायोरिएक्टर के समान अनुपात बनाए रखना।
• प्रति आयतन निरंतर बिजली इनपुट: बड़े पैमाने के बायोरिएक्टर में छोटे पैमाने के बायोरिएक्टर के समान प्रति आयतन बिजली इनपुट बनाए रखना।
• निरंतर टिप गति: बड़े पैमाने के बायोरिएक्टर में इम्पेलर की टिप गति को छोटे पैमाने के बायोरिएक्टर के समान बनाए रखना।
• कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स (CFD): बायोरिएक्टर में प्रवाह पैटर्न को मॉडल करने और डिजाइन को अनुकूलित करने के लिए CFD का उपयोग करना।

बायोरिएक्टर डिजाइन में उभरते रुझान

बायोरिएक्टर डिजाइन का क्षेत्र लगातार विकसित हो रहा है, जिसमें जैव-प्रक्रिया प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए नई प्रौद्योगिकियों और दृष्टिकोणों का विकास किया जा रहा है। कुछ उभरते रुझानों में शामिल हैं:

सतत जैव-प्रसंस्करण

सतत जैव-प्रसंस्करण में बायोरिएक्टर में लगातार पोषक तत्व डालना और उत्पाद को हटाना शामिल है। यह बैच प्रोसेसिंग की तुलना में उच्च उत्पादकता और कम लागत का कारण बन सकता है।

प्रक्रिया गहनता

प्रक्रिया गहनता में अधिक कॉम्पैक्ट और कुशल जैव-प्रक्रियाओं का विकास शामिल है। यह उपन्यास बायोरिएक्टर डिजाइन, जैसे कि माइक्रो रिएक्टर और मेम्ब्रेन बायोरिएक्टर, के उपयोग के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है।

बायोरिएटर स्वचालन

बायोरिएक्टर स्वचालन में बायोरिएक्टर को नियंत्रित और मॉनिटर करने के लिए रोबोट और अन्य स्वचालित प्रणालियों का उपयोग शामिल है। यह पुनरुत्पादन क्षमता में सुधार कर सकता है और श्रम लागत को कम कर सकता है।

डेटा एनालिटिक्स और मशीन लर्निंग

डेटा एनालिटिक्स और मशीन लर्निंग का उपयोग बायोरिएक्टर डेटा का विश्लेषण करने और प्रक्रिया प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए किया जा रहा है। इससे उत्पाद की गुणवत्ता में सुधार और उच्च पैदावार हो सकती है।

विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए बायोरिएक्टर डिजाइन: वैश्विक उदाहरण

बायोरिएक्टर डिजाइन एक-आकार-सभी-के-लिए-उपयुक्त दृष्टिकोण नहीं है। विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए अनुरूप डिजाइन की मांग होती है। यहाँ वैश्विक नवाचार को दर्शाने वाले कुछ उदाहरण दिए गए हैं:

• बायोसिमिलर उत्पादन (भारत): भारतीय बायोफार्मास्युटिकल कंपनियां वैश्विक बाजार के लिए सस्ते बायोसिमिलर का उत्पादन करने के लिए उन्नत नियंत्रण प्रणालियों के साथ बड़े पैमाने पर, स्टेनलेस स्टील STRs में भारी निवेश कर रही हैं। डिजाइन लागत-प्रभावशीलता और कड़े नियामक आवश्यकताओं के पालन पर जोर देता है।
• शैवाल-आधारित जैव ईंधन (ऑस्ट्रेलिया): ऑस्ट्रेलियाई अनुसंधान संस्थान जैव ईंधन के उत्पादन के लिए शैवाल की खेती के लिए खुले तालाब और बंद फोटोबायोरिएक्टर के उपयोग में अग्रणी हैं। डिजाइन सूरज की रोशनी को अधिकतम करने, CO2 उपयोग और लिपिड उत्पादन पर ध्यान केंद्रित करते हैं।
• कोशिका-आधारित मांस (नीदरलैंड): डच कंपनियां संवर्धित मांस उत्पादन के लिए बायोरिएक्टर विकसित करने में सबसे आगे हैं। इन बायोरिएक्टर, जो अक्सर परफ्यूजन-आधारित सिस्टम होते हैं, को लागत को कम करते हुए और उत्पाद सुरक्षा सुनिश्चित करते हुए उच्च-घनत्व वाले स्तनधारी कोशिका संवर्धन का कुशलतापूर्वक समर्थन करना चाहिए।
• एंटीबायोटिक उत्पादन (चीन): चीन एंटीबायोटिक दवाओं का एक प्रमुख उत्पादक है। कई निर्माता इन महत्वपूर्ण दवाओं का उत्पादन करने के लिए STRs में बड़े पैमाने पर किण्वन प्रक्रियाओं का उपयोग करते हैं। इन बायोरिएक्टर का अनुकूलन एंटीबायोटिक टाइटर को अधिकतम करने और उप-उत्पाद निर्माण को कम करने पर केंद्रित है।
• मोनोक्लोनल एंटीबॉडी उत्पादन (स्विट्जरलैंड): स्विस फार्मास्युटिकल दिग्गज स्तनधारी कोशिका संवर्धन का उपयोग करके मोनोक्लोनल एंटीबॉडी के उत्पादन में अग्रणी हैं। उनके बायोरिएक्टर आमतौर पर उन्नत, एकल-उपयोग प्रणाली होते हैं जिनमें परिष्कृत नियंत्रण प्रणाली और उत्पाद की स्थिरता और गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए उच्च स्तर का स्वचालन होता है।

निष्कर्ष

बायोरिएक्टर डिजाइन एक जटिल और चुनौतीपूर्ण क्षेत्र है, लेकिन यह बायोफार्मास्युटिकल्स, खाद्य और पेय, और जैव ईंधन सहित कई महत्वपूर्ण उद्योगों के लिए भी आवश्यक है। बायोरिएक्टर डिजाइन के मूलभूत सिद्धांतों को समझकर और नवीनतम रुझानों के साथ तालमेल बिठाकर, इंजीनियर और वैज्ञानिक ऐसे बायोरिएक्टर विकसित कर सकते हैं जो अधिक कुशल, विश्वसनीय और लागत प्रभावी हों।

इस गाइड ने बायोरिएक्टर डिजाइन की कला का एक व्यापक अवलोकन प्रदान किया है। इस महत्वपूर्ण क्षेत्र की गहरी समझ चाहने वालों के लिए विशिष्ट बायोरिएक्टर प्रकारों, नियंत्रण रणनीतियों और स्केल-अप पद्धतियों का और अधिक अन्वेषण करने की सिफारिश की जाती है।