M

MLOG

Hrvatski

Sveobuhvatan vodič za proširivanje fermentacije, pokrivajući ključna načela, izazove, tehnologije i strategije za uspješnu optimizaciju bioprocesa u raznim industrijama širom svijeta.

Proširivanje fermentacije: Sveobuhvatan vodič za globalni biotehnološki napredak

Fermentacija, metabolički proces koji pretvara šećere u kiseline, plinove ili alkohol, temelj je raznih industrija, uključujući prehrambenu i prehrambenu industriju, farmaceutsku industriju, biogoriva i industrijske enzime. Proširivanje fermentacijskih procesa, prelazak s laboratorijske na industrijsku proizvodnju, predstavlja značajne izazove i zahtijeva duboko razumijevanje principa procesnog inženjerstva bioprocesa. Ovaj vodič pruža sveobuhvatan pregled proširivanja fermentacije, pokrivajući ključne koncepte, izazove, tehnologije i strategije za uspješnu optimizaciju bioprocesa u raznim industrijama širom svijeta.

Zašto je proširivanje fermentacije važno?

Sposobnost učinkovitog proširivanja fermentacijskih procesa ključna je za komercijalizaciju biotehnoloških inovacija. Iako se obećavajući rezultati mogu postići u laboratorijskim uvjetima, prenošenje tih rezultata na veliku proizvodnju zahtijeva pažljivo razmatranje raznih faktora, uključujući:

Uspješno snalaženje u složenosti proširivanja fermentacije ključno je za tvrtke koje žele komercijalizirati svoje biotehnološke proizvode i steći prednost na globalnom tržištu. Na primjer, farmaceutska tvrtka koja razvija novi antibiotik putem mikrobne fermentacije mora osigurati da se proces fermentacije može proširiti kako bi se proizveo lijek u dovoljnim količinama za potrebe pacijenata diljem svijeta. Slično, tvrtka za biogoriva koja želi proizvesti etanol iz lignocelulozne biomase mora optimizirati proces fermentacije za veliku proizvodnju kako bi biogoriva postala održiva alternativa fosilnim gorivima.

Ključna načela proširivanja fermentacije

Uspješno proširivanje fermentacije oslanja se na nekoliko temeljnih principa procesnog inženjerstva bioprocesa. Razumijevanje i primjena tih principa ključni su za postizanje optimalne učinkovitosti procesa u industrijskim uvjetima.

1. Održavanje konstantnog volumetrijskog koeficijenta prijenosa mase (kLa)

Prijenos kisika često je ograničavajući faktor u aerobnim fermentacijskim procesima. Volumetrijski koeficijent prijenosa mase (kLa) ključni je parametar koji opisuje brzinu prijenosa kisika iz plinske u tekuću fazu u bioreaktoru. Održavanje konstantnog kLa tijekom proširivanja ključno je za osiguravanje da stanice primaju dovoljno kisika za rast i formiranje proizvoda. To se može postići podešavanjem parametara kao što su brzina miješanja, brzina aeracije i geometrija bioreaktora.

Na primjer, u proizvodnji limunske kiseline pomoću Aspergillus niger, ograničenje kisika može značajno smanjiti prinos limunske kiseline. Održavanje dovoljnog kLa tijekom cijelog procesa fermentacije ključno je za maksimiziranje proizvodnje limunske kiseline. Različite strategije, poput korištenja obogaćenog kisika zraka ili optimizacije dizajna impelera, mogu se koristiti za poboljšanje prijenosa kisika.

2. Održavanje konstantnog vremena miješanja

Učinkovito miješanje ključno je za osiguravanje homogenosti u bioreaktoru, sprječavanje ograničenja supstrata ili hranjivih tvari te raspršivanje topline. Održavanje konstantnog vremena miješanja tijekom proširivanja važno je za osiguravanje da stanice doživljavaju jedinstveno okruženje i da su gradijenti hranjivih tvari, pH i temperature minimizirani. Vrijeme miješanja može utjecati faktori kao što su dizajn impelera, brzina impelera i geometrija bioreaktora.

Razmotrite proizvodnju rekombinantnih proteina u kulturi sisavaca. Stanice sisavaca su osjetljive na smicanje, a prekomjerno miješanje može oštetiti stanice i smanjiti prinos proteina. Međutim, nedovoljno miješanje može dovesti do ograničenja hranjivih tvari i aglomeracije stanica. Optimizacija vremena miješanja za balansiranje ovih suprotstavljenih faktora ključna je za uspješno proširivanje.

3. Održavanje konstantne stope smicanja

Brzina smicanja, brzina kojom se susjedni slojevi tekućine kreću jedan u odnosu na drugi, može značajno utjecati na vitalnost stanica i kvalitetu proizvoda, osobito za stanice osjetljive na smicanje poput stanica sisavaca i biljnih stanica. Održavanje konstantne stope smicanja tijekom proširivanja važno je za minimiziranje oštećenja stanica i osiguravanje dosljedne kvalitete proizvoda. Stopa smicanja može se kontrolirati podešavanjem parametara kao što su brzina impelera i dizajn impelera.

Na primjer, u proizvodnji monoklonskih antitijela u CHO stanicama, prekomjerni stres smicanja može dovesti do lize stanica i oslobađanja unutarstaničnih proteaza, koje mogu razgraditi antitijela. Korištenje impelera s niskim smicanjem i optimizacija brzine miješanja mogu pomoći u minimiziranju stresa smicanja i poboljšanju proizvodnje antitijela.

4. Održavanje konstantnog unosa snage po jedinici volumena (P/V)

Unos snage po jedinici volumena (P/V) mjera je unosa energije u bioreaktor za miješanje i aeraciju. Održavanje konstantnog P/V tijekom proširivanja može pomoći osigurati da karakteristike miješanja i prijenosa kisika bioreaktora budu slične pri različitim razinama. Međutim, važno je napomenuti da P/V nije jedini faktor koji utječe na miješanje i prijenos kisika, te treba uzeti u obzir i druge parametre kao što su dizajn impelera i geometrija bioreaktora.

U mnogim bakterijskim fermentacijama, viši P/V može biti prihvatljiv zbog robusnije prirode bakterijskih stanica u usporedbi sa stanicama sisavaca. Međutim, čak i u bakterijskim fermentacijama, prekomjerni P/V može dovesti do povećane potrošnje energije i potencijalno do oštećenja stanica u nekim slučajevima. Stoga je optimizacija P/V u kombinaciji s drugim parametrima ključna.

5. Geometrijska sličnost

Održavanje geometrijske sličnosti tijekom proširivanja znači da omjeri dimenzija bioreaktora (npr. promjer, visina, promjer impelera) ostaju konstantni. Ovo može pomoći osigurati da obrasci protoka i karakteristike miješanja bioreaktora budu slične pri različitim razinama. Međutim, često nije moguće održati savršenu geometrijsku sličnost zbog praktičnih ograničenja kao što su troškovi i prostorna ograničenja. Nadalje, savršena geometrijska sličnost ne jamči identičnu učinkovitost jer fluidna dinamika nije diktirana samo geometrijom.

Na primjer, geometrijski slični bioreaktori mogu imati različite omjere površine i volumena, što može utjecati na prijenos topline i brzinu isparavanja. Računalna dinamika fluida (CFD) modeliranje može se koristiti za procjenu utjecaja odstupanja od geometrijske sličnosti na učinkovitost bioreaktora.

Izazovi u proširivanju fermentacije

Proširivanje fermentacijskih procesa predstavlja brojne izazove, zahtijevajući pažljivo razmatranje raznih faktora koji mogu utjecati na učinkovitost procesa.

1. Ograničenja prijenosa kisika

Kako se povećava razina bioreaktora, postaje teže održavati dovoljan prijenos kisika do stanica. To je zato što se smanjuje omjer površine i volumena, a povećava se difuzijski put za kisik. Ograničenje kisika može dovesti do smanjenog rasta stanica, formiranja proizvoda, pa čak i do smrti stanica.

Rješenja:

2. Uklanjanje topline

Fermentacijski procesi generiraju toplinu zbog metaboličke aktivnosti i miješanja. Kako se povećava razina bioreaktora, postaje teže ukloniti tu toplinu, što može dovesti do povećanja temperature i smanjenog rasta stanica i formiranja proizvoda. Održavanje optimalne temperature ključno je za aktivnost enzima i cjelokupno zdravlje stanica.

Rješenja:

3. Neujednačenosti miješanja

Kako se povećava razina bioreaktora, postaje teže održavati jedinstveno miješanje unutar posude. To može dovesti do gradijenata hranjivih tvari, pH i temperature, što može negativno utjecati na rast stanica i formiranje proizvoda. Mrtve zone ili slabo miješana područja također mogu potaknuti nakupljanje toksičnih nusproizvoda.

Rješenja:

4. Kontrola pH

Održavanje optimalnog pH ključno je za rast stanica i formiranje proizvoda. Kako se povećava razina bioreaktora, postaje teže održavati jedinstveni pH unutar posude. To može dovesti do gradijenata pH, koji mogu negativno utjecati na rast stanica i formiranje proizvoda. Metabolički nusproizvodi mogu značajno promijeniti pH, zahtijevajući strogu kontrolu.

Rješenja:

5. Kontrola pjene

Formiranje pjene čest je problem u fermentacijskim procesima, osobito onima koji uključuju proteine ili surfaktante. Pjena može dovesti do smanjenog radnog volumena, kontaminacije i začepljenja senzora i filtera. Također ometa prijenos kisika.

Rješenja:

6. Promjene u morfologiji ili fiziologiji

Stanice mogu pokazivati izmijenjenu morfologiju ili fiziologiju kako se povećava razina. Stres smicanja ili druge promjene u okruženju bioreaktora mogu uzrokovati da stanice proizvode različite proteine ili imaju različite brzine rasta. Te promjene mogu utjecati na prinos i kvalitetu proizvoda. Ovo je osobito rasprostranjeno kod filamentoznih organizama ili kultura aglomeriranih stanica.

Rješenja:

7. Održavanje sterilnosti

Održavanje sterilnosti ključno je za sprječavanje kontaminacije i osiguravanje kvalitete proizvoda. Kako se povećava razina bioreaktora, postaje teže održavati sterilnost zbog povećane površine i povećanog broja veza i točaka uzorkovanja.

Rješenja:

Tehnologije za proširivanje fermentacije

Nekoliko tehnologija dostupno je za pomoć pri proširivanju i optimizaciji fermentacije. Ove tehnologije mogu pomoći u prevladavanju izazova povezanih s proširivanjem fermentacijskih procesa i poboljšati učinkovitost procesa.

1. Računalna dinamika fluida (CFD)

CFD je moćan alat za simulaciju protoka fluida, prijenosa topline i prijenosa mase u bioreaktorima. CFD se može koristiti za optimizaciju dizajna bioreaktora, predviđanje obrazaca miješanja i identificiranje mrtvih zona. CFD modeliranje može pomoći predvidjeti uvjete pri većim razinama na temelju eksperimenata malih razina, smanjujući broj skupih pilot-razinskih pokretanja.

Primjer: CFD se može koristiti za optimizaciju dizajna i postavljanja impelera u velikom bioreaktoru kako bi se osiguralo jedinstveno miješanje i prijenos kisika. Također može identificirati područja gdje je stres smicanja visok, dopuštajući inženjerima da prilagode dizajn kako bi se minimiziralo oštećenje stanica.

2. Tehnologija procesnog analize (PAT)

PAT je sustav za projektiranje, analizu i kontrolu proizvodnje kroz pravovremena mjerenja (tj. tijekom obrade) kritičnih atributa kvalitete i atributa učinkovitosti sirovina i procesnih materijala i procesa s ciljem osiguravanja kvalitete finalnog proizvoda. PAT alati uključuju senzore za praćenje pH, temperature, otopljenog kisika, gustoće stanica i razine hranjivih tvari. Stjecanje podataka u stvarnom vremenu omogućuje trenutna prilagođavanja procesa fermentacije, što dovodi do povećane učinkovitosti i ponovljivosti.

Primjer: Korištenje online spektrometra bliske infracrvene (NIR) za praćenje razine glukoze u fermentacijskom bujonu omogućuje prilagođavanje brzine dodavanja u stvarnom vremenu, sprječavajući ograničenje glukoze ili prekomjerno dodavanje, što oboje može negativno utjecati na prinos proizvoda.

3. Statistički dizajn eksperimenata (DoE)

DoE je sustavni pristup planiranju i provođenju eksperimenata za identificiranje optimalnih radnih uvjeta za proces. DoE se može koristiti za optimizaciju parametara fermentacije kao što su temperatura, pH, razine hranjivih tvari i brzina aeracije. DoE je mnogo učinkovitiji pristup od tradicionalnog eksperimentiranja "jedan faktor u isto vrijeme".

Primjer: Korištenjem DoE za optimizaciju koncentracija različitih hranjivih tvari u mediju za fermentaciju može značajno poboljšati prinos proizvoda. Statistički pristup omogućuje identificiranje interakcija između hranjivih tvari koje se možda neće pojaviti tradicionalnim eksperimentiranjem.

4. Napredni dizajni bioreaktora

Nekoliko naprednih dizajna bioreaktora razvijeno je za poboljšanje učinkovitosti procesa. To uključuje:

Primjer: Bioreaktori za jednokratnu upotrebu sve se više koriste u biofarmaceutskoj industriji za proizvodnju monoklonskih antitijela. Ovi bioreaktori nude nekoliko prednosti, uključujući smanjena kapitalna ulaganja, kraće vrijeme obrade i manji rizik od kontaminacije.

5. Modeli smanjenja razmjera

Modeli smanjenja razmjera su mali bioreaktori koji su dizajnirani da oponašaju uvjete u velikom bioreaktoru. Modeli smanjenja razmjera mogu se koristiti za proučavanje utjecaja različitih parametara procesa na rast stanica i formiranje proizvoda, bez potrebe za provođenjem eksperimenata u velikom bioreaktoru. Ovo štedi vrijeme i resurse.

Primjer: Model smanjenja razmjera može se koristiti za simulaciju ograničenja prijenosa kisika u velikom bioreaktoru. Proučavanjem utjecaja ograničenja kisika na rast stanica i formiranje proizvoda u modelu smanjenja razmjera, inženjeri mogu razviti strategije za prevladavanje tih ograničenja u velikom bioreaktoru.

Strategije za uspješno proširivanje fermentacije

Uspješno proširivanje fermentacije zahtijeva dobro planiranu i provedenu strategiju koja rješava izazove i koristi dostupne tehnologije.

1. Temeljito razumijevanje procesa

Duboko razumijevanje procesa fermentacije ključno je za uspješno proširivanje. To uključuje razumijevanje uključenih metaboličkih putova, optimalnih uvjeta rasta za stanice i kritičnih parametara procesa koji utječu na prinos i kvalitetu proizvoda. Razumijevanje potencijalnih inhibitornih faktora je također ključno. Čvrsta osnova izgrađena na dobro okarakteriziranim eksperimentima malih razmjera je neophodna.

2. Razvijte robusni sjemenski lanac

Robusni sjemenski lanac ključan je za osiguravanje da su stanice zdrave i aktivno rastu kada se prenesu u veliki bioreaktor. Sjemenski lanac treba biti dizajniran tako da postupno prilagođava stanice okruženju veće razine. Ovo često uključuje početak s malim inokulumom u bočici za miješanje i postupno povećavanje volumena inokuluma kroz niz sve većih bioreaktora.

3. Implementirajte pristup primjeren fazi

Pristup primjeren fazi znači da razina strogosti i dokumentacije treba biti proporcionalna fazi razvoja. Rani razvoj procesa može se usredotočiti na identificiranje optimalnih parametara fermentacije, dok bi kasniji razvoj procesa trebao biti usmjeren na optimizaciju i validaciju procesa kako bi se osigurala dosljedna kvaliteta proizvoda i ponovljivost.

4. Provedite pilot-razinske studije

Pilot-razinske studije su ključni korak u procesu proširivanja. Pilot-razinske studije omogućuju vam testiranje procesa fermentacije u bioreaktoru koji je bliži veličini velikog bioreaktora. Ovo vam omogućuje identificiranje potencijalnih problema i optimizaciju procesa prije prelaska na punu proizvodnju. Pilot-razinske studije mogu otkriti probleme s miješanjem, prijenosom topline ili kontrolom pH koji nisu bili očiti u manjem razmjeru.

5. Pratite kritične parametre procesa

Kontinuirano praćenje kritičnih parametara procesa (CPP) ključno je za osiguravanje dosljedne kvalitete proizvoda i ponovljivosti. CPP uključuju temperaturu, pH, otopljeni kisik, gustoću stanica i razine hranjivih tvari. Praćenje u stvarnom vremenu omogućuje trenutna prilagođavanja procesa fermentacije, sprječavajući odstupanja od optimalnih radnih uvjeta.

6. Implementirajte strategije kontrole procesa

Strategije kontrole procesa ključne su za održavanje procesa fermentacije unutar željenog radnog raspona. Ovo uključuje implementaciju povratnih kontrolnih petlji za automatsko prilagođavanje parametara kao što su temperatura, pH i otopljeni kisik. Napredne strategije upravljanja, poput prediktivne kontrole modelom (MPC), mogu se koristiti za optimizaciju procesa fermentacije u stvarnom vremenu.

7. Razvijte temeljiti protokol čišćenja i sterilizacije

Temeljiti protokol čišćenja i sterilizacije ključan je za sprječavanje kontaminacije i osiguravanje kvalitete proizvoda. Protokol bi trebao uključivati detaljne postupke za čišćenje i sterilizaciju sve opreme i medija. Učinkovitost protokola čišćenja i sterilizacije treba biti validirana kako bi se osiguralo da je sposoban ukloniti sve kontaminante.

8. Dokumentacija i sljedivost

Detaljna dokumentacija ključna je za dokazivanje da je proces fermentacije dobro kontroliran i da proizvod zadovoljava sve zahtjeve kvalitete. Ovo uključuje dokumentiranje svih parametara procesa, sirovina i analitičkih rezultata. Sveobuhvatan zapisnik revizije trebao bi se održavati kako bi se osigurala sljedivost svih podataka.

Globalne studije slučaja u proširivanju fermentacije

Ispitivanje uspješnih priča o proširivanju fermentacije iz cijelog svijeta nudi vrijedne uvide i naučene lekcije.

1. Proizvodnja inzulina u Danskoj

Novo Nordisk, danska farmaceutska tvrtka, globalni je lider u proizvodnji inzulina. Tvrtka je uspješno proširila svoje fermentacijske procese za proizvodnju rekombinantnog inzulina u Saccharomyces cerevisiae. Ključ njihovog uspjeha bio je implementacija naprednih strategija kontrole procesa i korištenje bioreaktora za jednokratnu upotrebu. Također primjenjuju napredne tehnike naknadne obrade za pročišćavanje inzulina kako bi zadovoljili stroge regulatorne zahtjeve diljem svijeta.

2. Proizvodnja biogoriva u Brazilu

Brazil je svjetski lider u proizvodnji etanola iz šećerne trske. Brazilske tvrtke razvile su visoko učinkovite fermentacijske procese za proizvodnju etanola, koji se koristi kao biogorivo. Proširivanje ovih procesa uključivalo je optimizaciju sojeva kvasca korištenih za fermentaciju, poboljšanje učinkovitosti procesa fermentacije i razvoj robusnih tehnika naknadne obrade. Često se primjenjuje kontinuirana fermentacija.

3. Proizvodnja antibiotika u Indiji

Indija je glavni proizvođač antibiotika. Indijske farmaceutske tvrtke uspješno su proširile svoje fermentacijske procese za proizvodnju raznih antibiotika, uključujući penicilin i cefalosporine. To je uključivalo optimizaciju uvjeta fermentacije, poboljšanje učinkovitosti procesa fermentacije i razvoj robusnih tehnika naknadne obrade. Također su se usredotočili na isplative strategije proizvodnje kako bi konkurirali na globalnom tržištu.

4. Proizvodnja industrijskih enzima u Kini

Kina je značajan proizvođač industrijskih enzima. Kineske tvrtke proširile su svoje fermentacijske procese za proizvodnju raznih enzima, uključujući amilaze, proteaze i lipaze. Ti se enzimi koriste u širokom rasponu industrija, uključujući prehrambenu i prehrambenu industriju, tekstilnu industriju i deterdžente. Učinkovita velika fermentacija koja koristi genetski modificirane organizme (GMO) uobičajena je praksa. Izazovi uključuju suočavanje s raznolikošću sirovina i održavanje kontrole kvalitete.

Budućnost proširivanja fermentacije

Područje proširivanja fermentacije neprestano se razvija, s novim tehnologijama i strategijama koje se razvijaju kako bi se poboljšala učinkovitost procesa i smanjili troškovi. Neki od ključnih trendova u proširivanju fermentacije uključuju:

Zaključak

Proširivanje fermentacije složen je i izazovan proces, ali je ključan za komercijalizaciju biotehnoloških inovacija. Razumijevanjem ključnih principa proširivanja fermentacije, rješavanjem izazova, korištenjem dostupnih tehnologija i implementacijom dobro planirane strategije, tvrtke mogu uspješno proširiti svoje fermentacijske procese i steći prednost na globalnom tržištu. Kontinuirane inovacije i fokus na održivost bit će ključni za budućnost tehnologije fermentacije diljem svijeta.