M

MLOG

Latviešu

Visaptverošs ceļvedis fermentācijas procesa mērogošanai, aptverot galvenos principus, izaicinājumus, tehnoloģijas un stratēģijas veiksmīgai bioprocesa optimizācijai dažādās nozarēs visā pasaulē.

Fermentācijas procesa mērogošana: Visaptverošs ceļvedis globālai biotehnoloģijas attīstībai

Fermentācija, vielmaiņas process, kurā cukuri tiek pārvērsti skābēs, gāzēs vai alkoholā, ir stūrakmens dažādās nozarēs, tostarp pārtikas un dzērienu ražošanā, farmācijā, biodegvielu un rūpniecisko fermentu ražošanā. Fermentācijas procesu mērogošana, pārejot no laboratorijas mēroga uz rūpniecisko ražošanu, rada būtiskus izaicinājumus un prasa dziļu izpratni par bioprocesu inženierijas principiem. Šis ceļvedis sniedz visaptverošu pārskatu par fermentācijas procesa mērogošanu, aptverot galvenos jēdzienus, izaicinājumus, tehnoloģijas un stratēģijas veiksmīgai bioprocesa optimizācijai dažādās nozarēs visā pasaulē.

Kāpēc fermentācijas procesa mērogošana ir svarīga?

Spēja efektīvi mērogot fermentācijas procesus ir izšķiroša biotehnoloģisko inovāciju komercializācijai. Lai gan laboratorijas mērogā var sasniegt daudzsološus rezultātus, šo rezultātu pārnešana uz liela mēroga ražošanu prasa rūpīgu dažādu faktoru apsvēršanu, tostarp:

Veiksmīga navigācija fermentācijas mērogošanas sarežģītībā ir būtiska uzņēmumiem, kas vēlas komercializēt savus biotehnoloģiskos produktus un iegūt konkurences priekšrocības pasaules tirgū. Piemēram, farmācijas uzņēmumam, kas izstrādā jaunu antibiotiku, izmantojot mikrobu fermentāciju, ir jānodrošina, ka fermentācijas procesu var mērogot, lai ražotu zāles pietiekamā daudzumā, lai apmierinātu pacientu vajadzības visā pasaulē. Līdzīgi, biodegvielas uzņēmumam, kura mērķis ir ražot etanolu no lignocelulozes biomasas, ir jāoptimizē fermentācijas process liela mēroga ražošanai, lai padarītu biodegvielu par dzīvotspējīgu alternatīvu fosilajam kurināmajam.

Fermentācijas procesa mērogošanas galvenie principi

Veiksmīga fermentācijas mērogošana balstās uz vairākiem bioprocesu inženierijas pamatprincipiem. Šo principu izpratne un piemērošana ir kritiski svarīga, lai sasniegtu optimālu procesa veiktspēju rūpnieciskā mērogā.

1. Nemainīga tilpuma masas pārneses koeficienta (kLa) uzturēšana

Skābekļa pārnese bieži ir ierobežojošs faktors aerobos fermentācijas procesos. Tilpuma masas pārneses koeficients (kLa) ir būtisks parametrs, kas raksturo ātrumu, ar kādu skābeklis tiek pārnests no gāzes fāzes uz šķidro fāzi bioreaktorā. Nemainīga kLa uzturēšana mērogošanas laikā ir būtiska, lai nodrošinātu, ka šūnas saņem pietiekami daudz skābekļa augšanai un produkta veidošanai. To var panākt, pielāgojot tādus parametrus kā maisīšanas ātrums, aerācijas ātrums un bioreaktora ģeometrija.

Piemēram, citronskābes ražošanā, ko veic Aspergillus niger, skābekļa ierobežojums var ievērojami samazināt citronskābes iznākumu. Pietiekama kLa uzturēšana visā fermentācijas procesā ir kritiski svarīga, lai maksimizētu citronskābes ražošanu. Lai uzlabotu skābekļa pārnesi, var izmantot dažādas stratēģijas, piemēram, ar skābekli bagātinātu gaisu vai maisītāja lāpstiņriteņa dizaina optimizāciju.

2. Nemainīga sajaukšanas laika uzturēšana

Efektīva sajaukšana ir izšķiroša, lai nodrošinātu homogenitāti bioreaktorā, novērstu substrāta vai barības vielu ierobežojumus un izkliedētu siltumu. Nemainīga sajaukšanas laika uzturēšana mērogošanas laikā ir svarīga, lai nodrošinātu, ka šūnas piedzīvo vienmērīgu vidi un ka tiek samazināti barības vielu, pH un temperatūras gradienti. Sajaukšanas laiku var ietekmēt tādi faktori kā maisītāja lāpstiņriteņa dizains, maisītāja ātrums un bioreaktora ģeometrija.

Apsveriet rekombinanto proteīnu ražošanu zīdītāju šūnu kultūrā. Zīdītāju šūnas ir jutīgas pret bīdi, un pārmērīga maisīšana var sabojāt šūnas un samazināt proteīna iznākumu. Tomēr nepietiekama sajaukšana var izraisīt barības vielu ierobežojumus un šūnu salipšanu. Sajaukšanas laika optimizēšana, lai līdzsvarotu šos konkurējošos faktorus, ir izšķiroša veiksmīgai mērogošanai.

3. Nemainīga bīdes ātruma uzturēšana

Bīdes ātrums, ātrums, ar kādu blakus esošie šķidruma slāņi pārvietojas viens attiecībā pret otru, var būtiski ietekmēt šūnu dzīvotspēju un produkta kvalitāti, īpaši attiecībā uz bīdes jutīgām šūnām, piemēram, zīdītāju šūnām un augu šūnām. Nemainīga bīdes ātruma uzturēšana mērogošanas laikā ir svarīga, lai samazinātu šūnu bojājumus un nodrošinātu konsekventu produkta kvalitāti. Bīdes ātrumu var kontrolēt, pielāgojot tādus parametrus kā maisītāja ātrums un maisītāja lāpstiņriteņa dizains.

Piemēram, monoklonālo antivielu ražošanā CHO šūnās pārmērīgs bīdes spriegums var izraisīt šūnu lizi un intracelulāro proteāžu izdalīšanos, kas var noārdīt antivielas. Zema bīdes sprieguma maisītāju lāpstiņriteņu izmantošana un maisīšanas ātruma optimizēšana var palīdzēt samazināt bīdes spriegumu un uzlabot antivielu ražošanu.

4. Nemainīgas jaudas ievades uz tilpuma vienību (P/V) uzturēšana

Jaudas ievade uz tilpuma vienību (P/V) ir enerģijas ievades mērs bioreaktorā sajaukšanai un aerācijai. Nemainīga P/V uzturēšana mērogošanas laikā var palīdzēt nodrošināt, ka bioreaktora sajaukšanas un skābekļa pārneses īpašības ir līdzīgas dažādos mērogos. Tomēr ir svarīgi atzīmēt, ka P/V nav vienīgais faktors, kas ietekmē sajaukšanu un skābekļa pārnesi, un jāņem vērā arī citi parametri, piemēram, maisītāja lāpstiņriteņa dizains un bioreaktora ģeometrija.

Daudzās baktēriju fermentācijās augstāks P/V varētu būt pieņemams baktēriju šūnu robustākās dabas dēļ, salīdzinot ar zīdītāju šūnām. Tomēr pat baktēriju fermentācijās pārmērīgs P/V dažos gadījumos var novest pie palielināta enerģijas patēriņa un potenciāliem šūnu bojājumiem. Tāpēc P/V optimizēšana kopā ar citiem parametriem ir izšķiroša.

5. Ģeometriskā līdzība

Ģeometriskās līdzības uzturēšana mērogošanas laikā nozīmē, ka bioreaktora izmēru (piemēram, diametra, augstuma, maisītāja lāpstiņriteņa diametra) attiecības paliek nemainīgas. Tas var palīdzēt nodrošināt, ka plūsmas modeļi un sajaukšanas īpašības bioreaktorā ir līdzīgas dažādos mērogos. Tomēr bieži vien nav iespējams uzturēt perfektu ģeometrisko līdzību praktisku ierobežojumu dēļ, piemēram, izmaksu un telpas ierobežojumu dēļ. Turklāt perfekta ģeometriskā līdzība negarantē identisku veiktspēju, jo šķidruma dinamiku nenosaka tikai ģeometrija.

Piemēram, ģeometriski līdzīgiem bioreaktoriem var būt atšķirīgas virsmas laukuma un tilpuma attiecības, kas var ietekmēt siltuma pārnesi un iztvaikošanas ātrumu. Lai novērtētu noviržu no ģeometriskās līdzības ietekmi uz bioreaktora veiktspēju, var izmantot skaitļošanas šķidrumu dinamikas (CFD) modelēšanu.

Izaicinājumi fermentācijas procesa mērogošanā

Fermentācijas procesu mērogošana rada daudzus izaicinājumus, kas prasa rūpīgu dažādu faktoru apsvēršanu, kuri var ietekmēt procesa veiktspēju.

1. Skābekļa pārneses ierobežojumi

Palielinoties bioreaktora mērogam, kļūst grūtāk uzturēt pietiekamu skābekļa pārnesi uz šūnām. Tas ir tāpēc, ka virsmas laukuma un tilpuma attiecība samazinās, un skābekļa difūzijas ceļš palielinās. Skābekļa ierobežojums var izraisīt samazinātu šūnu augšanu, produkta veidošanos un pat šūnu nāvi.

Risinājumi:

2. Siltuma novadīšana

Fermentācijas procesi rada siltumu vielmaiņas aktivitātes un maisīšanas dēļ. Palielinoties bioreaktora mērogam, kļūst grūtāk novadīt šo siltumu, kas var izraisīt paaugstinātu temperatūru un samazinātu šūnu augšanu un produkta veidošanos. Optimālas temperatūras uzturēšana ir izšķiroša fermentu aktivitātei un vispārējai šūnu veselībai.

Risinājumi:

3. Sajaukšanas nehomogenitātes

Palielinoties bioreaktora mērogam, kļūst grūtāk uzturēt vienmērīgu sajaukšanu visā tvertnē. Tas var izraisīt barības vielu, pH un temperatūras gradientus, kas var negatīvi ietekmēt šūnu augšanu un produkta veidošanos. Mirušās zonas vai slikti sajaukti reģioni var arī veicināt toksisku blakusproduktu uzkrāšanos.

Risinājumi:

4. pH kontrole

Optimāla pH uzturēšana ir izšķiroša šūnu augšanai un produkta veidošanai. Palielinoties bioreaktora mērogam, kļūst grūtāk uzturēt vienmērīgu pH visā tvertnē. Tas var izraisīt pH gradientus, kas var negatīvi ietekmēt šūnu augšanu un produkta veidošanos. Vielmaiņas blakusprodukti var ievērojami mainīt pH, prasot stingru kontroli.

Risinājumi:

5. Putu kontrole

Putu veidošanās ir izplatīta problēma fermentācijas procesos, īpaši tajos, kas saistīti ar proteīniem vai virsmaktīvām vielām. Putas var izraisīt samazinātu darba tilpumu, piesārņojumu un sensoru un filtru aizsērēšanu. Tās arī traucē skābekļa pārnesi.

Risinājumi:

6. Morfoloģijas vai fizioloģijas izmaiņas

Šūnas var uzrādīt mainītu morfoloģiju vai fizioloģiju, palielinoties mērogam. Bīdes spriegums vai citas izmaiņas bioreaktora vidē var izraisīt šūnām atšķirīgu proteīnu ražošanu vai atšķirīgu augšanas ātrumu. Šīs izmaiņas var ietekmēt produkta iznākumu un kvalitāti. Tas ir īpaši izplatīts pavedienveida organismos vai agregētās šūnu kultūrās.

Risinājumi:

7. Sterilitātes uzturēšana

Sterilitātes uzturēšana ir izšķiroša, lai novērstu piesārņojumu un nodrošinātu produkta kvalitāti. Palielinoties bioreaktora mērogam, kļūst grūtāk uzturēt sterilitāti, jo palielinās virsmas laukums un savienojumu un paraugu ņemšanas punktu skaits.

Risinājumi:

Tehnoloģijas fermentācijas procesa mērogošanai

Ir pieejamas vairākas tehnoloģijas, kas palīdz fermentācijas mērogošanā un optimizācijā. Šīs tehnoloģijas var palīdzēt pārvarēt izaicinājumus, kas saistīti ar fermentācijas procesu mērogošanu, un uzlabot procesa veiktspēju.

1. Skaitļošanas šķidrumu dinamika (CFD)

CFD ir spēcīgs instruments šķidruma plūsmas, siltuma pārneses un masas pārneses simulēšanai bioreaktoros. CFD var izmantot, lai optimizētu bioreaktora dizainu, prognozētu sajaukšanas modeļus un identificētu mirušās zonas. CFD modelēšana var palīdzēt prognozēt apstākļus lielākos mērogos, pamatojoties uz maza mēroga eksperimentiem, samazinot nepieciešamo dārgo izmēģinājuma mēroga darbu skaitu.

Piemērs: CFD var izmantot, lai optimizētu maisītāja lāpstiņriteņa dizainu un izvietojumu liela mēroga bioreaktorā, lai nodrošinātu vienmērīgu sajaukšanu un skābekļa pārnesi. Tas var arī identificēt vietas, kur bīdes spriegums ir augsts, ļaujot inženieriem pielāgot dizainu, lai samazinātu šūnu bojājumus.

2. Procesa analītiskā tehnoloģija (PAT)

PAT ir sistēma ražošanas projektēšanai, analīzei un kontrolei, veicot savlaicīgus (t.i., apstrādes laikā) kritisko kvalitātes un veiktspējas atribūtu mērījumus izejvielām, starpproduktiem un procesiem ar mērķi nodrošināt gala produkta kvalitāti. PAT rīki ietver sensorus pH, temperatūras, izšķīdušā skābekļa, šūnu blīvuma un barības vielu līmeņa uzraudzībai. Reāllaika datu iegūšana ļauj nekavējoties veikt pielāgojumus fermentācijas procesā, tādējādi palielinot efektivitāti un reproducējamību.

Piemērs: Izmantojot tiešsaistes tuvā infrasarkanā (NIR) spektrometru, lai uzraudzītu glikozes līmeni fermentācijas buljonā, var reāllaikā pielāgot barošanas ātrumu, novēršot glikozes ierobežojumu vai pārmērīgu barošanu, kas abas var negatīvi ietekmēt produkta iznākumu.

3. Eksperimentu statistiskais plānojums (DoE)

DoE ir sistemātiska pieeja eksperimentu plānošanai un veikšanai, lai noteiktu optimālos darbības apstākļus procesam. DoE var izmantot, lai optimizētu fermentācijas parametrus, piemēram, temperatūru, pH, barības vielu līmeni un aerācijas ātrumu. DoE ir daudz efektīvāka pieeja nekā tradicionālā "viens faktors vienlaikus" eksperimentēšana.

Piemērs: Izmantojot DoE, lai optimizētu dažādu barības vielu koncentrāciju fermentācijas barotnē, var ievērojami uzlabot produkta iznākumu. Statistiskā pieeja ļauj identificēt mijiedarbību starp barības vielām, kas var nebūt acīmredzama tradicionālajā eksperimentēšanā.

4. Progresīvi bioreaktoru dizaini

Lai uzlabotu procesa veiktspēju, ir izstrādāti vairāki progresīvi bioreaktoru dizaini. Tie ietver:

Piemērs: Vienreizlietojami bioreaktori arvien biežāk tiek izmantoti biofarmaceitiskajā rūpniecībā monoklonālo antivielu ražošanai. Šie bioreaktori piedāvā vairākas priekšrocības, tostarp samazinātas kapitālieguldījumus, ātrāku aprites laiku un zemāku piesārņojuma risku.

5. Samazināta mēroga modeļi

Samazināta mēroga modeļi ir maza mēroga bioreaktori, kas ir izstrādāti, lai atdarinātu apstākļus liela mēroga bioreaktorā. Samazināta mēroga modeļus var izmantot, lai pētītu dažādu procesa parametru ietekmi uz šūnu augšanu un produkta veidošanos, neveicot eksperimentus liela mēroga bioreaktorā. Tas ietaupa laiku un resursus.

Piemērs: Samazināta mēroga modeli var izmantot, lai simulētu skābekļa pārneses ierobežojumus liela mēroga bioreaktorā. Pētot skābekļa ierobežojuma ietekmi uz šūnu augšanu un produkta veidošanos samazināta mēroga modelī, inženieri var izstrādāt stratēģijas, lai pārvarētu šos ierobežojumus liela mēroga bioreaktorā.

Veiksmīgas fermentācijas procesa mērogošanas stratēģijas

Veiksmīga fermentācijas mērogošana prasa labi plānotu un īstenotu stratēģiju, kas risina izaicinājumus un izmanto pieejamās tehnoloģijas.

1. Rūpīga procesa izpratne

Dziļa fermentācijas procesa izpratne ir būtiska veiksmīgai mērogošanai. Tas ietver iesaistīto vielmaiņas ceļu izpratni, optimālos augšanas apstākļus šūnām un kritiskos procesa parametrus, kas ietekmē produkta iznākumu un kvalitāti. Būtiski ir arī izprast potenciālos inhibējošos faktorus. Būtisks ir stabils pamats, kas balstīts uz labi raksturotiem maza mēroga eksperimentiem.

2. Izturīgas sējas kultūras izveide

Izturīga sējas kultūra ir izšķiroša, lai nodrošinātu, ka šūnas ir veselīgas un aktīvi aug, kad tās tiek pārnestas uz liela mēroga bioreaktoru. Sējas kultūras ķēdei jābūt izstrādātai, lai pakāpeniski pielāgotu šūnas lielāka mēroga videi. Tas bieži ietver sākšanu ar nelielu inokulātu kratīšanas kolbā un pakāpenisku inokulāta tilpuma palielināšanu, izmantojot virkni arvien lielāku bioreaktoru.

3. Fāzei atbilstošas pieejas īstenošana

Fāzei atbilstoša pieeja nozīmē, ka stingrības un dokumentācijas līmenim jābūt samērīgam ar attīstības stadiju. Agrīnās stadijas procesa izstrāde var koncentrēties uz optimālo fermentācijas parametru noteikšanu, savukārt vēlīnās stadijas procesa izstrādei jākoncentrējas uz procesa optimizēšanu un validēšanu, lai nodrošinātu konsekventu produkta kvalitāti un reproducējamību.

4. Izmēģinājuma mēroga pētījumu veikšana

Izmēģinājuma mēroga pētījumi ir būtisks solis mērogošanas procesā. Izmēģinājuma mēroga pētījumi ļauj pārbaudīt fermentācijas procesu bioreaktorā, kas ir tuvāks izmēram liela mēroga bioreaktoram. Tas ļauj identificēt potenciālās problēmas un optimizēt procesu pirms pārejas uz pilna mēroga ražošanu. Izmēģinājuma mēroga pētījumi var atklāt problēmas ar sajaukšanu, siltuma pārnesi vai pH kontroli, kas nebija acīmredzamas mazākā mērogā.

5. Kritisko procesa parametru uzraudzība

Nepārtraukta kritisko procesa parametru (CPP) uzraudzība ir būtiska, lai nodrošinātu konsekventu produkta kvalitāti un reproducējamību. CPP ietver temperatūru, pH, izšķīdušo skābekli, šūnu blīvumu un barības vielu līmeni. Reāllaika uzraudzība ļauj nekavējoties veikt pielāgojumus fermentācijas procesā, novēršot novirzes no optimālajiem darbības apstākļiem.

6. Procesa kontroles stratēģiju īstenošana

Procesa kontroles stratēģijas ir būtiskas, lai uzturētu fermentācijas procesu vēlamajā darbības diapazonā. Tas ietver atgriezeniskās saites kontroles cilpu ieviešanu, lai automātiski pielāgotu tādus parametrus kā temperatūra, pH un izšķīdušais skābeklis. Lai optimizētu fermentācijas procesu reāllaikā, var izmantot progresīvas kontroles stratēģijas, piemēram, modeļa prognozējošo kontroli (MPC).

7. Rūpīga tīrīšanas un sterilizācijas protokola izstrāde

Rūpīgs tīrīšanas un sterilizācijas protokols ir būtisks, lai novērstu piesārņojumu un nodrošinātu produkta kvalitāti. Protokolā jāiekļauj detalizētas procedūras visu iekārtu un barotņu tīrīšanai un sterilizācijai. Tīrīšanas un sterilizācijas protokola efektivitāte ir jāvalidē, lai nodrošinātu, ka tas spēj noņemt visus piesārņotājus.

8. Dokumentācija un izsekojamība

Detalizēta dokumentācija ir izšķiroša, lai pierādītu, ka fermentācijas process ir labi kontrolēts un produkts atbilst visām kvalitātes prasībām. Tas ietver visu procesa parametru, izejvielu un analītisko rezultātu dokumentēšanu. Lai nodrošinātu visu datu izsekojamību, ir jāsaglabā visaptverošs audita pieraksts.

Pasaules gadījumu izpēte fermentācijas procesa mērogošanā

Veiksmīgu fermentācijas mērogošanas stāstu izpēte no visas pasaules sniedz vērtīgas atziņas un gūtās mācības.

1. Insulīna ražošana Dānijā

Novo Nordisk, Dānijas farmācijas uzņēmums, ir pasaules līderis insulīna ražošanā. Uzņēmums ir veiksmīgi mērogojis savus fermentācijas procesus rekombinantā insulīna ražošanai Saccharomyces cerevisiae. Viņu panākumu atslēga ir bijusi progresīvu procesa kontroles stratēģiju ieviešana un vienreizlietojamu bioreaktoru izmantošana. Viņi arī izmanto progresīvas pēcapstrādes metodes, lai attīrītu insulīnu un atbilstu stingrām normatīvajām prasībām visā pasaulē.

2. Biodegvielas ražošana Brazīlijā

Brazīlija ir pasaules līdere etanola ražošanā no cukurniedrēm. Brazīlijas uzņēmumi ir izstrādājuši ļoti efektīvus fermentācijas procesus etanola ražošanai, ko izmanto kā biodegvielu. Šo procesu mērogošana ir ietvērusi fermentācijai izmantoto rauga celmu optimizēšanu, fermentācijas procesa efektivitātes uzlabošanu un robustu pēcapstrādes metožu izstrādi. Parasti tiek izmantota nepārtrauktā fermentācija.

3. Antibiotiku ražošana Indijā

Indija ir liels antibiotiku ražotājs. Indijas farmācijas uzņēmumi ir veiksmīgi mērogojuši savus fermentācijas procesus dažādu antibiotiku, tostarp penicilīna un cefalosporīnu, ražošanai. Tas ir ietvēris fermentācijas apstākļu optimizēšanu, fermentācijas procesa efektivitātes uzlabošanu un robustu pēcapstrādes metožu izstrādi. Viņi ir arī koncentrējušies uz rentablām ražošanas stratēģijām, lai konkurētu pasaules tirgū.

4. Rūpniecisko fermentu ražošana Ķīnā

Ķīna ir nozīmīgs rūpniecisko fermentu ražotājs. Ķīnas uzņēmumi ir mērogojuši savus fermentācijas procesus dažādu fermentu, tostarp amilāžu, proteāžu un lipāžu, ražošanai. Šie fermenti tiek izmantoti plašā nozaru klāstā, tostarp pārtikas un dzērienu, tekstilrūpniecības un mazgāšanas līdzekļu ražošanā. Efektīva liela mēroga fermentācija, izmantojot ģenētiski modificētus organismus (ĢMO), ir izplatīta prakse. Izaicinājumi ietver darbu ar izejvielu daudzveidību un kvalitātes kontroles uzturēšanu.

Fermentācijas procesa mērogošanas nākotne

Fermentācijas mērogošanas joma nepārtraukti attīstās, tiek izstrādātas jaunas tehnoloģijas un stratēģijas, lai uzlabotu procesa veiktspēju un samazinātu izmaksas. Dažas no galvenajām tendencēm fermentācijas mērogošanā ietver:

Noslēgums

Fermentācijas procesa mērogošana ir sarežģīts un izaicinošs process, bet tas ir būtisks biotehnoloģisko inovāciju komercializācijai. Izprotot galvenos fermentācijas mērogošanas principus, risinot izaicinājumus, izmantojot pieejamās tehnoloģijas un īstenojot labi plānotu stratēģiju, uzņēmumi var veiksmīgi mērogot savus fermentācijas procesus un iegūt konkurences priekšrocības pasaules tirgū. Nepārtrauktas inovācijas un koncentrēšanās uz ilgtspējību būs izšķirošas fermentācijas tehnoloģijas nākotnei visā pasaulē.