फर्मेन्टेशन स्केल-अप: जागतिक जैवतंत्रज्ञान प्रगतीसाठी एक सर्वसमावेशक मार्गदर्शक

फर्मेन्टेशन, एक चयापचय प्रक्रिया जी शर्करेचे रूपांतर आम्ल, वायू किंवा अल्कोहोलमध्ये करते, ही अन्न आणि पेय, औषधनिर्माण, जैवइंधन आणि औद्योगिक एन्झाइम्स यांसारख्या विविध उद्योगांचा आधारस्तंभ आहे. फर्मेन्टेशन प्रक्रियांचे स्केल-अप करणे, म्हणजेच प्रयोगशाळा-स्तरावरून औद्योगिक-स्तरावरील उत्पादनाकडे जाणे, यात महत्त्वपूर्ण आव्हाने आहेत आणि यासाठी बायोप्रोसेस अभियांत्रिकी तत्त्वांची सखोल माहिती आवश्यक आहे. हे मार्गदर्शक फर्मेन्टेशन स्केल-अपचे सर्वसमावेशक अवलोकन प्रदान करते, ज्यात जगभरातील विविध उद्योगांमध्ये यशस्वी बायोप्रोसेस ऑप्टिमायझेशनसाठी प्रमुख संकल्पना, आव्हाने, तंत्रज्ञान आणि धोरणे समाविष्ट आहेत.

फर्मेन्टेशन स्केल-अप महत्त्वाचे का आहे?

फर्मेन्टेशन प्रक्रिया प्रभावीपणे स्केल-अप करण्याची क्षमता जैवतंत्रज्ञानातील नवनवीन शोधांच्या व्यापारीकरणासाठी महत्त्वपूर्ण आहे. प्रयोगशाळेच्या स्तरावर आशादायक परिणाम मिळू शकतात, परंतु हे परिणाम मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादनात रूपांतरित करण्यासाठी विविध घटकांचा काळजीपूर्वक विचार करणे आवश्यक आहे, ज्यात खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• प्रक्रियेची कामगिरी टिकवून ठेवणे: स्केल वाढवताना इच्छित उत्पादन, गुणवत्ता आणि उत्पादकता टिकवून ठेवली जाईल याची खात्री करणे.
• खर्च-प्रभावीता: उत्पादन खर्च कमी करण्यासाठी आणि नफा वाढवण्यासाठी प्रक्रियेचे ऑप्टिमायझेशन करणे.
• नियामक अनुपालन: विविध जागतिक बाजारपेठांमध्ये उत्पादनाच्या सुरक्षिततेसाठी आणि प्रभावीतेसाठी कठोर नियामक आवश्यकता पूर्ण करणे.
• बाजाराची मागणी पूर्ण करणे: बाजाराची मागणी पूर्ण करण्यासाठी उत्पादनाचे पुरेसे प्रमाण तयार करणे.

आपल्या जैवतंत्रज्ञान उत्पादनांचे व्यापारीकरण करू पाहणाऱ्या आणि जागतिक बाजारपेठेत स्पर्धात्मक फायदा मिळवू इच्छिणाऱ्या कंपन्यांसाठी फर्मेन्टेशन स्केल-अपच्या गुंतागुंतीतून यशस्वीपणे मार्ग काढणे आवश्यक आहे. उदाहरणार्थ, एक औषध कंपनी जी सूक्ष्मजैविक फर्मेन्टेशनद्वारे नवीन प्रतिजैविक (antibiotic) विकसित करत आहे, तिला हे सुनिश्चित करणे आवश्यक आहे की, जगभरातील रुग्णांच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी पुरेशा प्रमाणात औषध तयार करण्यासाठी फर्मेन्टेशन प्रक्रिया स्केल-अप केली जाऊ शकते. त्याचप्रमाणे, लिग्नोसेल्युलोसिक बायोमासपासून इथेनॉल तयार करण्याचे उद्दिष्ट असलेल्या जैवइंधन कंपनीला जैवइंधनाला जीवाश्म इंधनाचा एक व्यवहार्य पर्याय बनवण्यासाठी मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादनासाठी फर्मेन्टेशन प्रक्रिया ऑप्टिमाइझ करणे आवश्यक आहे.

फर्मेन्टेशन स्केल-अपची प्रमुख तत्त्वे

यशस्वी फर्मेन्टेशन स्केल-अप बायोप्रोसेस अभियांत्रिकीच्या अनेक मूलभूत तत्त्वांवर अवलंबून असते. औद्योगिक स्तरावर इष्टतम प्रक्रिया कामगिरी साधण्यासाठी ही तत्त्वे समजून घेणे आणि लागू करणे महत्त्वपूर्ण आहे.

१. स्थिर व्हॉल्युमेट्रिक मास ट्रान्सफर कोइफिशियंट (kLa) राखणे

ऑक्सिजन हस्तांतरण हे अनेकदा एरोबिक (हवेच्या उपस्थितीत होणाऱ्या) फर्मेन्टेशन प्रक्रियांमध्ये एक मर्यादित घटक असतो. व्हॉल्युमेट्रिक मास ट्रान्सफर कोइफिशियंट (kLa) हे एक महत्त्वाचे पॅरामीटर आहे जे बायोरिॲक्टरमध्ये वायू अवस्थेतून द्रव अवस्थेत ऑक्सिजन हस्तांतरित होण्याच्या दराचे वर्णन करते. स्केल-अप दरम्यान स्थिर kLa राखणे आवश्यक आहे जेणेकरून पेशींना वाढ आणि उत्पादन निर्मितीसाठी पुरेसा ऑक्सिजन मिळेल. हे ढवळण्याचा वेग (agitation speed), वायू पुरवठ्याचा दर (aeration rate) आणि बायोरिॲक्टरची भूमिती यांसारख्या पॅरामीटर्समध्ये बदल करून साध्य केले जाऊ शकते.

उदाहरणार्थ, Aspergillus niger द्वारे सायट्रिक ॲसिडच्या उत्पादनात, ऑक्सिजनच्या कमतरतेमुळे सायट्रिक ॲसिडचे उत्पादन लक्षणीयरीत्या कमी होऊ शकते. सायट्रिक ॲसिडचे उत्पादन जास्तीत जास्त करण्यासाठी फर्मेन्टेशन प्रक्रियेदरम्यान पुरेसा kLa राखणे महत्त्वाचे आहे. ऑक्सिजन-समृद्ध हवेचा वापर करणे किंवा इंपेलर डिझाइन ऑप्टिमाइझ करणे यांसारख्या विविध धोरणांचा वापर ऑक्सिजन हस्तांतरण वाढवण्यासाठी केला जाऊ शकतो.

२. स्थिर मिश्रण वेळ (Mixing Time) राखणे

बायोरिॲक्टरमध्ये एकजिनसीपणा सुनिश्चित करण्यासाठी, सब्सट्रेट किंवा पोषक तत्वांची मर्यादा टाळण्यासाठी आणि उष्णता नष्ट करण्यासाठी कार्यक्षम मिश्रण महत्त्वपूर्ण आहे. स्केल-अप दरम्यान स्थिर मिश्रण वेळ राखणे महत्त्वाचे आहे जेणेकरून पेशींना एकसमान वातावरण मिळेल आणि पोषक तत्वे, pH आणि तापमानातील ग्रेडियंट कमी होतील. मिश्रण वेळ इंपेलर डिझाइन, इंपेलरचा वेग आणि बायोरिॲक्टरची भूमिती यांसारख्या घटकांवर परिणाम करू शकते.

स्तनपायी पेशी संवर्धनामध्ये (mammalian cell culture) रिकॉम्बिनंट प्रोटीनच्या उत्पादनाचा विचार करा. स्तनपायी पेशी कातरणे-संवेदनशील (shear-sensitive) असतात, आणि जास्त ढवळण्यामुळे पेशींना नुकसान होऊ शकते आणि प्रोटीनचे उत्पादन कमी होऊ शकते. तथापि, अपुऱ्या मिश्रणामुळे पोषक तत्वांची कमतरता आणि पेशींचे गुठळ्या होऊ शकतात. या प्रतिस्पर्धी घटकांमध्ये संतुलन साधण्यासाठी मिश्रण वेळ ऑप्टिमाइझ करणे स्केल-अपसाठी महत्त्वाचे आहे.

३. स्थिर शिअर रेट (Shear Rate) राखणे

शिअर रेट, म्हणजे द्रवाचे शेजारील थर एकमेकांच्या सापेक्ष ज्या दराने सरकतात, तो दर पेशींच्या व्यवहार्यतेवर आणि उत्पादनाच्या गुणवत्तेवर लक्षणीय परिणाम करू शकतो, विशेषतः स्तनपायी पेशी आणि वनस्पती पेशींसारख्या कातरणे-संवेदनशील पेशींसाठी. स्केल-अप दरम्यान स्थिर शिअर रेट राखणे पेशींचे नुकसान कमी करण्यासाठी आणि सातत्यपूर्ण उत्पादनाची गुणवत्ता सुनिश्चित करण्यासाठी महत्त्वाचे आहे. शिअर रेट इंपेलरचा वेग आणि इंपेलर डिझाइन यांसारख्या पॅरामीटर्स समायोजित करून नियंत्रित केला जाऊ शकतो.

उदाहरणार्थ, CHO पेशींमध्ये मोनोक्लोनल अँटीबॉडीजच्या उत्पादनात, जास्त शिअर स्ट्रेसमुळे पेशी फुटू शकतात आणि इंट्रासेल्युलर प्रोटीएज बाहेर पडू शकतात, ज्यामुळे अँटीबॉडीजचे विघटन होऊ शकते. कमी-शिअर इंपेलर वापरणे आणि ढवळण्याचा वेग ऑप्टिमाइझ करणे शिअर स्ट्रेस कमी करण्यास आणि अँटीबॉडी उत्पादन सुधारण्यास मदत करू शकते.

४. प्रति युनिट व्हॉल्यूम स्थिर पॉवर इनपुट (P/V) राखणे

प्रति युनिट व्हॉल्यूम पॉवर इनपुट (P/V) हे मिश्रण आणि वायूकरणासाठी बायोरिॲक्टरमध्ये दिलेल्या ऊर्जेचे मोजमाप आहे. स्केल-अप दरम्यान स्थिर P/V राखल्याने बायोरिॲक्टरचे मिश्रण आणि ऑक्सिजन हस्तांतरण वैशिष्ट्ये वेगवेगळ्या स्तरांवर सारखीच राहतील याची खात्री करण्यात मदत होते. तथापि, हे लक्षात घेणे महत्त्वाचे आहे की P/V हा एकमेव घटक नाही जो मिश्रण आणि ऑक्सिजन हस्तांतरणावर परिणाम करतो, आणि इंपेलर डिझाइन आणि बायोरिॲक्टरची भूमिती यांसारख्या इतर पॅरामीटर्सचा देखील विचार केला पाहिजे.

अनेक जीवाणूंच्या फर्मेन्टेशनमध्ये, स्तनपायी पेशींच्या तुलनेत जीवाणू पेशींच्या अधिक मजबूत स्वरूपामुळे जास्त P/V स्वीकार्य असू शकते. तथापि, जीवाणूंच्या फर्मेन्टेशनमध्येही, जास्त P/V मुळे ऊर्जेचा वापर वाढू शकतो आणि काही प्रकरणांमध्ये पेशींना संभाव्य नुकसान होऊ शकते. त्यामुळे इतर पॅरामीटर्सच्या संयोगाने P/V ऑप्टिमाइझ करणे महत्त्वाचे आहे.

५. भौमितिक समानता

स्केल-अप दरम्यान भौमितिक समानता राखणे म्हणजे बायोरिॲक्टरच्या परिमाणांचे (उदा. व्यास, उंची, इंपेलर व्यास) गुणोत्तर स्थिर राहते. यामुळे बायोरिॲक्टरमधील प्रवाहाचे नमुने आणि मिश्रण वैशिष्ट्ये वेगवेगळ्या स्तरांवर सारखीच राहतील याची खात्री करण्यात मदत होते. तथापि, खर्च आणि जागेच्या मर्यादा यांसारख्या व्यावहारिक अडचणींमुळे परिपूर्ण भौमितिक समानता राखणे नेहमीच शक्य नसते. शिवाय, परिपूर्ण भौमितिक समानता समान कामगिरीची हमी देत नाही कारण द्रवाची गतिशीलता केवळ भूमितीवर अवलंबून नसते.

उदाहरणार्थ, भौमितिकदृष्ट्या समान बायोरिॲक्टरमध्ये पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ आणि व्हॉल्यूम यांचे गुणोत्तर भिन्न असू शकते, जे उष्णता हस्तांतरण आणि बाष्पीभवन दरांवर परिणाम करू शकते. संगणकीय द्रव गतिशीलता (CFD) मॉडेलिंगचा वापर बायोरिॲक्टरच्या कामगिरीवर भौमितिक समानतेतील विचलनाचा परिणाम तपासण्यासाठी केला जाऊ शकतो.

फर्मेन्टेशन स्केल-अपमधील आव्हाने

फर्मेन्टेशन प्रक्रियांचे स्केल-अप करताना अनेक आव्हाने येतात, ज्यासाठी प्रक्रियेच्या कामगिरीवर परिणाम करू शकणाऱ्या विविध घटकांचा काळजीपूर्वक विचार करणे आवश्यक आहे.

१. ऑक्सिजन हस्तांतरण मर्यादा

बायोरिॲक्टरचा आकार वाढल्याने पेशींना पुरेसा ऑक्सिजन हस्तांतरित करणे अधिक कठीण होते. याचे कारण म्हणजे पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ आणि व्हॉल्यूमचे गुणोत्तर कमी होते आणि ऑक्सिजनसाठी प्रसाराचा मार्ग वाढतो. ऑक्सिजनच्या कमतरतेमुळे पेशींची वाढ, उत्पादन निर्मिती कमी होऊ शकते आणि पेशींचा मृत्यूही होऊ शकतो.

उपाय:

• वायू पुरवठ्याचा दर वाढवणे.
• ढवळण्याचा वेग वाढवणे.
• ऑक्सिजन-समृद्ध हवा किंवा शुद्ध ऑक्सिजन वापरणे.
• इंपेलर डिझाइन ऑप्टिमाइझ करणे.
• पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ आणि व्हॉल्यूमचे गुणोत्तर जास्त असलेला बायोरिॲक्टर वापरणे.
• मायक्रोबबल्स किंवा मेम्ब्रेन एअरेशन वापरण्यासारख्या धोरणांची अंमलबजावणी करणे.

२. उष्णता निष्कासन

फर्मेन्टेशन प्रक्रियेत चयापचय क्रिया आणि ढवळण्यामुळे उष्णता निर्माण होते. बायोरिॲक्टरचा आकार वाढल्याने ही उष्णता काढून टाकणे अधिक कठीण होते, ज्यामुळे तापमान वाढू शकते आणि पेशींची वाढ आणि उत्पादन निर्मिती कमी होऊ शकते. एन्झाइम क्रियाकलाप आणि एकूण पेशींच्या आरोग्यासाठी इष्टतम तापमान राखणे महत्त्वाचे आहे.

उपाय:

• कूलिंग जॅकेट किंवा अंतर्गत कूलिंग कॉइल्स असलेला बायोरिॲक्टर वापरणे.
• कूलंटचा प्रवाह दर वाढवणे.
• अधिक कार्यक्षम कूलिंग सिस्टम वापरणे.
• उष्णता निर्मिती कमी करण्यासाठी फर्मेन्टेशन प्रक्रिया ऑप्टिमाइझ करणे.
• योग्य असल्यास बाष्पीभवन कूलिंगचा विचार करणे (आणि जर बाष्पशील उत्पादनांचे नुकसान ही चिंता नसेल तर).

३. मिश्रणातील विषमता

बायोरिॲक्टरचा आकार वाढल्याने संपूर्ण पात्रात एकसमान मिश्रण राखणे अधिक कठीण होते. यामुळे पोषक तत्वे, pH आणि तापमानात ग्रेडियंट निर्माण होऊ शकतात, जे पेशींची वाढ आणि उत्पादन निर्मितीवर नकारात्मक परिणाम करू शकतात. मृत क्षेत्रे (Dead zones) किंवा कमी मिश्रित प्रदेश देखील विषारी उप-उत्पादनांच्या संचयाला प्रोत्साहन देऊ शकतात.

उपाय:

• इंपेलर डिझाइन ऑप्टिमाइझ करणे.
• ढवळण्याचा वेग वाढवणे.
• एकाधिक इंपेलर वापरणे.
• बायोरिॲक्टरची भूमिती ऑप्टिमाइझ करणे.
• मिश्रण नमुने समजून घेण्यासाठी आणि ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी CFD मॉडेलिंगचा वापर करणे.

४. pH नियंत्रण

पेशींच्या वाढीसाठी आणि उत्पादन निर्मितीसाठी इष्टतम pH राखणे महत्त्वाचे आहे. बायोरिॲक्टरचा आकार वाढल्याने संपूर्ण पात्रात एकसमान pH राखणे अधिक कठीण होते. यामुळे pH ग्रेडियंट निर्माण होऊ शकतात, जे पेशींची वाढ आणि उत्पादन निर्मितीवर नकारात्मक परिणाम करू शकतात. चयापचय उप-उत्पादने pH मध्ये लक्षणीय बदल करू शकतात, ज्यासाठी कठोर नियंत्रण आवश्यक आहे.

उपाय:

• ॲसिड आणि बेस टाकण्यासाठी pH नियंत्रण प्रणाली वापरणे.
• pH प्रोब आणि ॲसिड/बेस टाकण्याच्या ठिकाणांचे स्थान ऑप्टिमाइझ करणे.
• स्थिर pH राखण्यास मदत करण्यासाठी बफर वापरणे.
• ऑनलाइन pH देखरेख आणि नियंत्रण प्रणाली वापरण्याचा विचार करणे.

५. फेस नियंत्रण

फर्मेन्टेशन प्रक्रियेत फेस तयार होणे ही एक सामान्य समस्या आहे, विशेषतः प्रथिने किंवा सर्फॅक्टंट्स असलेल्या प्रक्रियांमध्ये. फेसामुळे कार्यरत व्हॉल्यूम कमी होऊ शकते, दूषितता येऊ शकते, आणि सेन्सर व फिल्टर अडकू शकतात. हे ऑक्सिजन हस्तांतरणात देखील अडथळा आणते.

उपाय:

• अँटीफोम एजंट्स टाकणे.
• ढवळण्याचा आणि वायू पुरवठ्याचा दर ऑप्टिमाइझ करणे.
• यांत्रिक फोम ब्रेकर वापरणे.
• स्वयंचलितपणे अँटीफोम एजंट्स टाकण्यासाठी फोम सेन्सर वापरण्याचा विचार करणे.

६. आकारविज्ञान किंवा शरीरशास्त्रातील बदल

स्केल वाढल्याने पेशी बदललेले आकारविज्ञान किंवा शरीरशास्त्र दर्शवू शकतात. शिअर स्ट्रेस किंवा बायोरिॲक्टर वातावरणातील इतर बदलांमुळे पेशी भिन्न प्रथिने तयार करू शकतात किंवा त्यांचे वाढीचे दर भिन्न असू शकतात. या बदलांमुळे उत्पादनाचे प्रमाण आणि गुणवत्तेवर परिणाम होऊ शकतो. हे विशेषतः तंतुमय जीवाणूंमध्ये किंवा एकत्रित पेशी संवर्धनामध्ये प्रचलित आहे.

उपाय:

• स्केल-अप दरम्यान पेशींच्या आकारविज्ञान आणि शरीरशास्त्रावर काळजीपूर्वक लक्ष ठेवणे.
• पेशींची इष्टतम वाढ आणि उत्पादन निर्मिती राखण्यासाठी फर्मेन्टेशन पॅरामीटर्स (उदा. तापमान, pH, पोषक तत्वांची पातळी) समायोजित करणे.
• पेशींना हळूहळू मोठ्या स्तरावरील वातावरणाशी जुळवून घेण्यासाठी सीड ट्रेन वापरण्याचा विचार करणे.
• महत्वपूर्ण प्रक्रिया पॅरामीटर्सवर रिअल-टाइममध्ये लक्ष ठेवण्यासाठी प्रोसेस ॲनालिटिकल टेक्नॉलॉजी (PAT) वापरणे.

७. निर्जंतुकीकरण राखणे

दूषितता टाळण्यासाठी आणि उत्पादनाची गुणवत्ता सुनिश्चित करण्यासाठी निर्जंतुकीकरण राखणे महत्त्वाचे आहे. बायोरिॲक्टरचा आकार वाढल्याने वाढलेले पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ आणि वाढलेल्या कनेक्शन आणि सॅम्पलिंग पॉइंट्समुळे निर्जंतुकीकरण राखणे अधिक कठीण होते.

उपाय:

• सर्व उपकरणे आणि माध्यमांसाठी प्रमाणित निर्जंतुकीकरण प्रक्रिया वापरणे.
• ऑपरेशन दरम्यान कठोर निर्जंतुक तंत्रांची अंमलबजावणी करणे.
• हवा आणि वायू प्रवाहासाठी निर्जंतुक फिल्टर वापरणे.
• नियमितपणे दूषिततेसाठी बायोरिॲक्टरचे निरीक्षण करणे.
• सर्व कनेक्शन आणि पोर्ट्सचे योग्य सीलिंग सुनिश्चित करणे.

फर्मेन्टेशन स्केल-अपसाठी तंत्रज्ञान

फर्मेन्टेशन स्केल-अप आणि ऑप्टिमायझेशनमध्ये मदत करण्यासाठी अनेक तंत्रज्ञान उपलब्ध आहेत. ही तंत्रज्ञान फर्मेन्टेशन प्रक्रियांच्या स्केल-अपशी संबंधित आव्हानांवर मात करण्यास आणि प्रक्रियेची कामगिरी सुधारण्यास मदत करू शकतात.

१. संगणकीय द्रव गतिशीलता (CFD)

CFD हे बायोरिॲक्टरमधील द्रव प्रवाह, उष्णता हस्तांतरण आणि वस्तुमान हस्तांतरणाचे अनुकरण करण्यासाठी एक शक्तिशाली साधन आहे. CFD चा वापर बायोरिॲक्टर डिझाइन ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी, मिश्रण नमुन्यांचा अंदाज लावण्यासाठी आणि मृत क्षेत्रे ओळखण्यासाठी केला जाऊ शकतो. CFD मॉडेलिंग लहान-स्तरावरील प्रयोगांवर आधारित मोठ्या स्तरावरील परिस्थितींचा अंदाज लावण्यास मदत करते, ज्यामुळे महागड्या पायलट-स्केल प्रयोगांची संख्या कमी होते.

उदाहरण: CFD चा वापर मोठ्या प्रमाणातील बायोरिॲक्टरमध्ये एकसमान मिश्रण आणि ऑक्सिजन हस्तांतरण सुनिश्चित करण्यासाठी इंपेलर डिझाइन आणि स्थान ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी केला जाऊ शकतो. ते त्या भागांना देखील ओळखू शकते जिथे शिअर स्ट्रेस जास्त आहे, ज्यामुळे अभियंत्यांना पेशींचे नुकसान कमी करण्यासाठी डिझाइन समायोजित करता येते.

२. प्रोसेस ॲनालिटिकल टेक्नॉलॉजी (PAT)

PAT ही अंतिम उत्पादनाची गुणवत्ता सुनिश्चित करण्याच्या उद्देशाने, कच्च्या आणि प्रक्रियेतील सामग्री आणि प्रक्रियांच्या महत्त्वपूर्ण गुणवत्ता आणि कामगिरी गुणधर्मांच्या वेळेवर मोजमापांद्वारे (म्हणजेच, प्रक्रियेदरम्यान) उत्पादनाची रचना, विश्लेषण आणि नियंत्रण करण्याची एक प्रणाली आहे. PAT साधनांमध्ये pH, तापमान, विरघळलेला ऑक्सिजन, पेशींची घनता आणि पोषक तत्वांच्या पातळीचे निरीक्षण करण्यासाठी सेन्सर समाविष्ट आहेत. रिअल-टाइम डेटा संपादन फर्मेन्टेशन प्रक्रियेत त्वरित समायोजन करण्यास अनुमती देते, ज्यामुळे कार्यक्षमता आणि पुनरुत्पादकता वाढते.

उदाहरण: फर्मेन्टेशन ब्रॉथमधील ग्लुकोजच्या पातळीचे निरीक्षण करण्यासाठी ऑनलाइन निअर-इन्फ्रारेड (NIR) स्पेक्ट्रोमीटर वापरल्याने फीडिंग रेटमध्ये रिअल-टाइम समायोजन करता येते, ज्यामुळे ग्लुकोजची कमतरता किंवा जास्त पुरवठा टाळता येतो, जे दोन्ही उत्पादनाच्या प्रमाणावर नकारात्मक परिणाम करू शकतात.

३. प्रयोगांचे सांख्यिकीय डिझाइन (DoE)

DoE ही एका प्रक्रियेसाठी इष्टतम कार्य परिस्थिती ओळखण्यासाठी प्रयोग नियोजन आणि आयोजित करण्याचा एक पद्धतशीर दृष्टीकोन आहे. DoE चा वापर तापमान, pH, पोषक तत्वांची पातळी आणि वायू पुरवठ्याचा दर यांसारख्या फर्मेन्टेशन पॅरामीटर्सना ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी केला जाऊ शकतो. DoE हा पारंपरिक "एक-घटक-एका-वेळी" प्रयोगापेक्षा खूप अधिक कार्यक्षम दृष्टीकोन आहे.

उदाहरण: फर्मेन्टेशन माध्यमातील विविध पोषक तत्वांच्या सांद्रता ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी DoE वापरल्याने उत्पादनाचे प्रमाण लक्षणीयरीत्या सुधारू शकते. सांख्यिकीय दृष्टीकोन पोषक तत्वांच्या दरम्यानच्या परस्परक्रिया ओळखण्यास अनुमती देतो जे पारंपरिक प्रयोगातून स्पष्ट होणार नाहीत.

४. प्रगत बायोरिॲक्टर डिझाइन्स

प्रक्रियेची कामगिरी सुधारण्यासाठी अनेक प्रगत बायोरिॲक्टर डिझाइन्स विकसित केल्या गेल्या आहेत. यामध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• एअरलिफ्ट बायोरिॲक्टर: हे बायोरिॲक्टर मिश्रण आणि ऑक्सिजन हस्तांतरणासाठी हवेचा वापर करतात. ते विशेषतः शिअर-संवेदनशील पेशींसाठी उपयुक्त आहेत.
• मेम्ब्रेन बायोरिॲक्टर: हे बायोरिॲक्टर पेशींना फर्मेन्टेशन ब्रॉथपासून वेगळे करण्यासाठी मेम्ब्रेन वापरतात, ज्यामुळे उच्च पेशी घनता आणि सतत उत्पादन काढणे शक्य होते.
• वेव्ह बायोरिॲक्टर: हे बायोरिॲक्टर मिश्रण आणि वायूकरणासाठी एका आंदोलनात्मक गतीचा वापर करतात. ते विशेषतः सेल कल्चर ॲप्लिकेशन्ससाठी उपयुक्त आहेत.
• एकल-वापर बायोरिॲक्टर: हे बायोरिॲक्टर पूर्व-निर्जंतुक आणि डिस्पोजेबल असतात, ज्यामुळे साफसफाई आणि निर्जंतुकीकरणाची गरज नाहीशी होते, आणि दूषिततेचा धोका कमी होतो.

उदाहरण: बायोफार्मास्युटिकल उद्योगात मोनोक्लोनल अँटीबॉडीजच्या उत्पादनासाठी एकल-वापर बायोरिॲक्टरचा वापर वाढत आहे. हे बायोरिॲक्टर कमी भांडवली गुंतवणूक, जलद टर्नअराउंड वेळा आणि कमी दूषिततेचा धोका यासह अनेक फायदे देतात.

५. स्केल-डाउन मॉडेल्स

स्केल-डाउन मॉडेल्स हे लहान-स्तरावरील बायोरिॲक्टर आहेत जे मोठ्या-स्तरावरील बायोरिॲक्टरमधील परिस्थितीची नक्कल करण्यासाठी डिझाइन केलेले आहेत. स्केल-डाउन मॉडेल्सचा वापर मोठ्या-स्तरावरील बायोरिॲक्टरमध्ये प्रयोग न करता, पेशींची वाढ आणि उत्पादन निर्मितीवर विविध प्रक्रिया पॅरामीटर्सच्या परिणामाचा अभ्यास करण्यासाठी केला जाऊ शकतो. यामुळे वेळ आणि संसाधनांची बचत होते.

उदाहरण: मोठ्या-स्तरावरील बायोरिॲक्टरमधील ऑक्सिजन हस्तांतरण मर्यादांचे अनुकरण करण्यासाठी स्केल-डाउन मॉडेल वापरले जाऊ शकते. स्केल-डाउन मॉडेलमध्ये पेशींची वाढ आणि उत्पादन निर्मितीवर ऑक्सिजन मर्यादेच्या परिणामाचा अभ्यास करून, अभियंते मोठ्या-स्तरावरील बायोरिॲक्टरमध्ये या मर्यादांवर मात करण्यासाठी धोरणे विकसित करू शकतात.

यशस्वी फर्मेन्टेशन स्केल-अपसाठी धोरणे

यशस्वी फर्मेन्टेशन स्केल-अपसाठी एक सुनियोजित आणि अंमलात आणलेली धोरणा आवश्यक आहे जी आव्हानांना तोंड देते आणि उपलब्ध तंत्रज्ञानाचा फायदा घेते.

१. सखोल प्रक्रिया समज

यशस्वी स्केल-अपसाठी फर्मेन्टेशन प्रक्रियेची सखोल माहिती असणे आवश्यक आहे. यामध्ये गुंतलेल्या चयापचय मार्गांची माहिती, पेशींसाठी इष्टतम वाढीच्या परिस्थिती, आणि उत्पादनाचे प्रमाण आणि गुणवत्तेवर परिणाम करणारे महत्त्वपूर्ण प्रक्रिया पॅरामीटर्स समजून घेणे समाविष्ट आहे. संभाव्य प्रतिबंधक घटकांना समजून घेणे देखील महत्त्वाचे आहे. चांगल्या-वर्णित लहान-स्तरावरील प्रयोगांवर आधारित एक मजबूत पाया आवश्यक आहे.

२. एक मजबूत सीड ट्रेन विकसित करणे

पेशी मोठ्या-स्तरावरील बायोरिॲक्टरमध्ये हस्तांतरित केल्यावर त्या निरोगी आणि सक्रियपणे वाढत आहेत याची खात्री करण्यासाठी एक मजबूत सीड ट्रेन महत्त्वपूर्ण आहे. सीड ट्रेन पेशींना हळूहळू मोठ्या स्तरावरील वातावरणाशी जुळवून घेण्यासाठी डिझाइन केलेली असावी. यात अनेकदा एका शेक फ्लास्कमध्ये लहान इनोक्युलमनिशी सुरुवात करणे आणि क्रमशः मोठ्या बायोरिॲक्टरच्या मालिकेद्वारे इनोक्युलमचे प्रमाण हळूहळू वाढवणे समाविष्ट असते.

३. टप्प्या-योग्य दृष्टीकोन अंमलात आणणे

टप्प्या-योग्य दृष्टीकोन म्हणजे विकासाच्या टप्प्यानुसार कठोरता आणि दस्तऐवजीकरणाची पातळी सुसंगत असावी. सुरुवातीच्या टप्प्यातील प्रक्रिया विकासात इष्टतम फर्मेन्टेशन पॅरामीटर्स ओळखण्यावर लक्ष केंद्रित केले जाऊ शकते, तर नंतरच्या टप्प्यातील प्रक्रिया विकासात सातत्यपूर्ण उत्पादनाची गुणवत्ता आणि पुनरुत्पादकता सुनिश्चित करण्यासाठी प्रक्रिया ऑप्टिमाइझ आणि प्रमाणित करण्यावर लक्ष केंद्रित केले पाहिजे.

४. पायलट-स्केल अभ्यास करणे

पायलट-स्केल अभ्यास स्केल-अप प्रक्रियेतील एक आवश्यक पाऊल आहे. पायलट-स्केल अभ्यास तुम्हाला मोठ्या-स्तरावरील बायोरिॲक्टरच्या आकाराच्या जवळच्या बायोरिॲक्टरमध्ये फर्मेन्टेशन प्रक्रियेची चाचणी घेण्यास अनुमती देतात. यामुळे तुम्हाला संभाव्य समस्या ओळखता येतात आणि पूर्ण-प्रमाणात उत्पादनाकडे जाण्यापूर्वी प्रक्रिया ऑप्टिमाइझ करता येते. पायलट-स्केल अभ्यासातून मिश्रण, उष्णता हस्तांतरण किंवा pH नियंत्रणाशी संबंधित समस्या उघड होऊ शकतात ज्या लहान स्तरावर स्पष्ट नव्हत्या.

५. महत्त्वपूर्ण प्रक्रिया पॅरामीटर्सचे निरीक्षण करणे

सातत्यपूर्ण उत्पादनाची गुणवत्ता आणि पुनरुत्पादकता सुनिश्चित करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण प्रक्रिया पॅरामीटर्स (CPPs) चे सतत निरीक्षण करणे आवश्यक आहे. CPPs मध्ये तापमान, pH, विरघळलेला ऑक्सिजन, पेशींची घनता आणि पोषक तत्वांची पातळी समाविष्ट आहे. रिअल-टाइम निरीक्षणामुळे फर्मेन्टेशन प्रक्रियेत त्वरित समायोजन करता येते, ज्यामुळे इष्टतम कार्य परिस्थितीपासून विचलन टाळता येते.

६. प्रक्रिया नियंत्रण धोरणे अंमलात आणणे

फर्मेन्टेशन प्रक्रिया इच्छित कार्यक्षेत्रात राखण्यासाठी प्रक्रिया नियंत्रण धोरणे आवश्यक आहेत. यामध्ये तापमान, pH आणि विरघळलेला ऑक्सिजन यांसारख्या पॅरामीटर्सना स्वयंचलितपणे समायोजित करण्यासाठी फीडबॅक कंट्रोल लूप्सची अंमलबजावणी करणे समाविष्ट आहे. मॉडेल प्रेडिक्टिव्ह कंट्रोल (MPC) सारख्या प्रगत नियंत्रण धोरणांचा वापर फर्मेन्टेशन प्रक्रियेला रिअल-टाइममध्ये ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी केला जाऊ शकतो.

७. एक सखोल स्वच्छता आणि निर्जंतुकीकरण प्रोटोकॉल विकसित करणे

दूषितता टाळण्यासाठी आणि उत्पादनाची गुणवत्ता सुनिश्चित करण्यासाठी एक सखोल स्वच्छता आणि निर्जंतुकीकरण प्रोटोकॉल आवश्यक आहे. प्रोटोकॉलमध्ये सर्व उपकरणे आणि माध्यमांची स्वच्छता आणि निर्जंतुकीकरण करण्यासाठी तपशीलवार प्रक्रिया समाविष्ट असाव्यात. स्वच्छता आणि निर्जंतुकीकरण प्रोटोकॉलची प्रभावीता सत्यापित केली पाहिजे जेणेकरून ते सर्व दूषित घटक काढून टाकण्यास सक्षम आहे याची खात्री होईल.

८. दस्तऐवजीकरण आणि ट्रेसेबिलिटी

फर्मेन्टेशन प्रक्रिया चांगल्या प्रकारे नियंत्रित आहे आणि उत्पादन सर्व गुणवत्ता आवश्यकता पूर्ण करते हे दाखवण्यासाठी तपशीलवार दस्तऐवजीकरण महत्त्वाचे आहे. यामध्ये सर्व प्रक्रिया पॅरामीटर्स, कच्चा माल आणि विश्लेषणात्मक परिणामांचे दस्तऐवजीकरण करणे समाविष्ट आहे. सर्व डेटाची ट्रेसेबिलिटी सुनिश्चित करण्यासाठी एक सर्वसमावेशक ऑडिट ट्रेल राखला पाहिजे.

फर्मेन्टेशन स्केल-अपमधील जागतिक केस स्टडीज

जगभरातील यशस्वी फर्मेन्टेशन स्केल-अप कथांचे परीक्षण केल्याने मौल्यवान अंतर्दृष्टी आणि शिकलेले धडे मिळतात.

१. डेन्मार्कमधील इन्सुलिनचे उत्पादन

नोव्हो नॉर्डिस्क, एक डॅनिश औषध कंपनी, इन्सुलिनच्या उत्पादनात जागतिक आघाडीवर आहे. कंपनीने Saccharomyces cerevisiae मध्ये रिकॉम्बिनंट इन्सुलिनच्या उत्पादनासाठी आपल्या फर्मेन्टेशन प्रक्रिया यशस्वीरित्या स्केल-अप केल्या आहेत. त्यांच्या यशाचे मुख्य कारण प्रगत प्रक्रिया नियंत्रण धोरणांची अंमलबजावणी आणि एकल-वापर बायोरिॲक्टरचा वापर आहे. ते जगभरातील कठोर नियामक आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी इन्सुलिन शुद्ध करण्यासाठी प्रगत डाउनस्ट्रीम प्रक्रिया तंत्रांचा देखील वापर करतात.

२. ब्राझीलमधील जैवइंधनाचे उत्पादन

ब्राझील उसापासून इथेनॉलच्या उत्पादनात जगात आघाडीवर आहे. ब्राझिलियन कंपन्यांनी इथेनॉलच्या उत्पादनासाठी अत्यंत कार्यक्षम फर्मेन्टेशन प्रक्रिया विकसित केल्या आहेत, ज्याचा उपयोग जैवइंधन म्हणून केला जातो. या प्रक्रियांच्या स्केल-अपमध्ये फर्मेन्टेशनसाठी वापरल्या जाणाऱ्या यीस्ट स्ट्रेन्सचे ऑप्टिमायझेशन करणे, फर्मेन्टेशन प्रक्रियेची कार्यक्षमता सुधारणे, आणि मजबूत डाउनस्ट्रीम प्रक्रिया तंत्र विकसित करणे समाविष्ट आहे. सतत फर्मेन्टेशन सामान्यतः वापरले जाते.

३. भारतातील प्रतिजैविकांचे उत्पादन

भारत प्रतिजैविकांचा एक प्रमुख उत्पादक आहे. भारतीय औषध कंपन्यांनी पेनिसिलिन आणि सेफॅलोस्पोरिन्ससह विविध प्रतिजैविकांच्या उत्पादनासाठी त्यांच्या फर्मेन्टेशन प्रक्रिया यशस्वीरित्या स्केल-अप केल्या आहेत. यामध्ये फर्मेन्टेशन परिस्थिती ऑप्टिमाइझ करणे, फर्मेन्टेशन प्रक्रियेची कार्यक्षमता सुधारणे आणि मजबूत डाउनस्ट्रीम प्रक्रिया तंत्र विकसित करणे समाविष्ट आहे. त्यांनी जागतिक बाजारपेठेत स्पर्धा करण्यासाठी खर्च-प्रभावी उत्पादन धोरणांवर देखील लक्ष केंद्रित केले आहे.

४. चीनमधील औद्योगिक एन्झाइम्सचे उत्पादन

चीन औद्योगिक एन्झाइम्सचा एक महत्त्वपूर्ण उत्पादक आहे. चीनी कंपन्यांनी अमायलेस, प्रोटीएज आणि लायपेजसह विविध एन्झाइम्सच्या उत्पादनासाठी त्यांच्या फर्मेन्टेशन प्रक्रिया स्केल-अप केल्या आहेत. हे एन्झाइम्स अन्न आणि पेय, कापड आणि डिटर्जंट्ससह विविध उद्योगांमध्ये वापरले जातात. अनुवांशिकरित्या सुधारित जीवांचा (GMOs) वापर करून कार्यक्षम मोठ्या प्रमाणातील फर्मेन्टेशन सामान्य प्रथा आहे. कच्च्या मालाच्या विविधते हाताळणे आणि गुणवत्ता नियंत्रण राखणे ही आव्हाने आहेत.

फर्मेन्टेशन स्केल-अपचे भविष्य

फर्मेन्टेशन स्केल-अपचे क्षेत्र सतत विकसित होत आहे, ज्यात प्रक्रियेची कामगिरी सुधारण्यासाठी आणि खर्च कमी करण्यासाठी नवीन तंत्रज्ञान आणि धोरणे विकसित केली जात आहेत. फर्मेन्टेशन स्केल-अपमधील काही प्रमुख ट्रेंड खालीलप्रमाणे आहेत:

• ऑटोमेशन आणि रोबोटिक्सचा वाढता वापर: ऑटोमेशन आणि रोबोटिक्स फर्मेन्टेशन प्रक्रियांची कार्यक्षमता आणि पुनरुत्पादकता सुधारण्यास मदत करू शकतात.
• अधिक कार्यक्षम बायोरिॲक्टर डिझाइन्सचा विकास: मिश्रण, ऑक्सिजन हस्तांतरण आणि उष्णता हस्तांतरण सुधारण्यासाठी नवीन बायोरिॲक्टर डिझाइन्स विकसित केले जात आहेत.
• प्रोसेस ॲनालिटिकल टेक्नॉलॉजी (PAT) चा वाढता वापर: PAT महत्त्वपूर्ण प्रक्रिया पॅरामीटर्सवर रिअल-टाइममध्ये लक्ष ठेवण्यास मदत करू शकते, ज्यामुळे फर्मेन्टेशन प्रक्रियेत त्वरित समायोजन करता येते.
• डेटा ॲनालिटिक्स आणि आर्टिफिशियल इंटेलिजन्स (AI) चे एकत्रीकरण: डेटा ॲनालिटिक्स आणि AI चा वापर फर्मेन्टेशन प्रक्रिया ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी आणि प्रक्रियेच्या कामगिरीचा अंदाज लावण्यासाठी केला जाऊ शकतो.
• शाश्वततेवर भर: कंपन्या कचरा आणि ऊर्जेचा वापर कमी करणाऱ्या शाश्वत फर्मेन्टेशन प्रक्रिया विकसित करण्यावर अधिकाधिक लक्ष केंद्रित करत आहेत.

निष्कर्ष

फर्मेन्टेशन स्केल-अप ही एक गुंतागुंतीची आणि आव्हानात्मक प्रक्रिया आहे, परंतु जैवतंत्रज्ञानातील नवनवीन शोधांच्या व्यापारीकरणासाठी ती आवश्यक आहे. फर्मेन्टेशन स्केल-अपची प्रमुख तत्त्वे समजून घेऊन, आव्हानांना तोंड देऊन, उपलब्ध तंत्रज्ञानाचा फायदा घेऊन, आणि एक सुनियोजित धोरण अंमलात आणून, कंपन्या त्यांच्या फर्मेन्टेशन प्रक्रिया यशस्वीरित्या स्केल-अप करू शकतात आणि जागतिक बाजारपेठेत स्पर्धात्मक फायदा मिळवू शकतात. सतत नवनवीन शोध आणि शाश्वततेवर लक्ष केंद्रित करणे जगभरातील फर्मेन्टेशन तंत्रज्ञानाच्या भविष्यासाठी महत्त्वपूर्ण असेल.