स्केलिंग अप: व्यावसायिक किण्वनासाठी एक सर्वसमावेशक मार्गदर्शक

किण्वन (Fermentation) हे अन्न आणि पेय पदार्थांपासून ते औषधनिर्माण आणि जैवइंधनापर्यंत अनेक उद्योगांचा आधारस्तंभ आहे. प्रयोगशाळेच्या स्तरावर यशस्वी किण्वन हे एक महत्त्वाचे यश असले तरी, ते यश व्यावसायिक उत्पादनात रूपांतरित करण्यासाठी काळजीपूर्वक नियोजन, अंमलबजावणी आणि ऑप्टिमायझेशन आवश्यक आहे. हे मार्गदर्शक व्यावसायिक किण्वन प्रक्रिया मोठ्या प्रमाणावर वाढवण्यासाठीच्या मुख्य विचारांचे आणि सर्वोत्तम पद्धतींचे सर्वसमावेशक अवलोकन प्रदान करते.

किण्वन प्रक्रिया मोठ्या प्रमाणावर वाढवणे आव्हानात्मक का आहे?

किण्वन प्रक्रिया मोठ्या प्रमाणावर वाढवणे म्हणजे फक्त आकारमान वाढवणे नव्हे. लहान स्तरावर सहजपणे नियंत्रित करता येणारे अनेक घटक प्रक्रिया जसजशी मोठी होत जाते, तसतसे अधिक गुंतागुंतीचे बनतात. यामध्ये खालील घटकांचा समावेश आहे:

• उष्णता हस्तांतरण (Heat Transfer): सूक्ष्मजीवांच्या वाढीसाठी आणि उत्पादन निर्मितीसाठी इष्टतम तापमान राखणे महत्त्वाचे आहे. मोठ्या बायोरिॲक्टरमध्ये पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ आणि आकारमानाचे गुणोत्तर कमी असते, ज्यामुळे उष्णता बाहेर काढणे अधिक आव्हानात्मक होते. अपुऱ्या शीतकरणामुळे तापमान वाढून पेशी मृत होऊ शकतात, तर जास्त शीतकरणामुळे किण्वन प्रक्रिया मंदावते.
• वस्तुमान हस्तांतरण (Mass Transfer): ऑक्सिजन हस्तांतरण हे अनेकदा एरोबिक (हवेच्या उपस्थितीत होणाऱ्या) किण्वन प्रक्रियेत एक मर्यादित घटक असतो. जसजशी कल्चरची घनता वाढते, तसतशी ऑक्सिजनची मागणी वाढते. मोठ्या प्रमाणावर बायोरिॲक्टरमध्ये पुरेसा ऑक्सिजन पुरवठा सुनिश्चित करणे अधिकाधिक कठीण होते. मिश्रण, स्पार्जिंग आणि रिॲक्टरची रचना महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतात.
• मिश्रण (Mixing): एकजिनसीपणा राखण्यासाठी, पोषक तत्वांचे वितरण करण्यासाठी आणि चयापचयातील उप-उत्पादने काढून टाकण्यासाठी प्रभावी मिश्रण आवश्यक आहे. अयोग्य मिश्रणामुळे pH, तापमान आणि पोषक तत्वांच्या एकाग्रतेत फरक निर्माण होऊ शकतो, ज्यामुळे पेशींच्या वाढीवर आणि उत्पादन निर्मितीवर नकारात्मक परिणाम होतो. इंपेलरचा (Impellers) प्रकार आणि रचना, बॅफल डिझाइन आणि मिश्रणाचा वेग यांचा काळजीपूर्वक विचार करणे आवश्यक आहे.
• शिअर स्ट्रेस (Shear Stress): इंपेलरमुळे निर्माण होणारा जास्त ताण पेशींना नुकसान पोहोचवू शकतो, विशेषतः ज्या पेशी या ताणाला संवेदनशील असतात. पुरेसे मिश्रण राखून शिअर स्ट्रेस कमी करण्यासाठी इंपेलर डिझाइन आणि मिश्रणाचा वेग ऑप्टिमाइझ करणे महत्त्वाचे आहे. काही पेशी (उदा. तंतुमय बुरशी) इतरांपेक्षा शिअरच्या नुकसानीस अधिक बळी पडतात.
• निर्जंतुकीकरण (Sterility): किण्वन प्रक्रियेत निर्जंतुकीकरण राखणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे. बायोरिॲक्टरचा आकार आणि गुंतागुंत वाढल्याने प्रदूषणाचा धोका वाढतो. प्रदूषण टाळण्यासाठी आणि उत्पादनाची गुणवत्ता सुनिश्चित करण्यासाठी मजबूत निर्जंतुकीकरण प्रक्रिया, निर्जंतुक तंत्रज्ञान आणि बंद प्रणाली आवश्यक आहेत.
• pH नियंत्रण: एन्झाइमच्या कार्यासाठी आणि पेशींच्या जीवक्षमतेसाठी इष्टतम pH पातळी राखणे महत्त्वाचे आहे. किण्वन प्रक्रिया जसजशी पुढे जाते, तसतसे ॲसिड किंवा बेसच्या निर्मितीमुळे pH मध्ये लक्षणीय चढ-उतार होऊ शकतात. अचूक pH नियंत्रणासाठी अत्याधुनिक देखरेख आणि नियंत्रण प्रणाली आवश्यक आहेत.
• प्रक्रिया देखरेख आणि नियंत्रण: सातत्यपूर्ण कामगिरी आणि उत्पादनाच्या गुणवत्तेसाठी महत्त्वाच्या प्रक्रिया पॅरामीटर्सची (उदा. तापमान, pH, विरघळलेला ऑक्सिजन, पोषक तत्वांची पातळी) प्रभावी देखरेख आणि नियंत्रण करणे महत्त्वाचे आहे. मोठ्या प्रमाणातील किण्वनासाठी रिअल-टाइम मॉनिटरिंग आणि स्वयंचलित नियंत्रण प्रणाली आवश्यक आहेत.
• प्रमाण-अवलंबित चयापचय बदल: लहान-प्रमाणातील कल्चरच्या तुलनेत मोठ्या-प्रमाणातील फर्मेंटर्समध्ये पेशी वेगळ्या प्रकारे वागू शकतात. ऑक्सिजनची उपलब्धता, शिअर स्ट्रेस आणि पोषक तत्वांची असमानता यासारखे घटक चयापचयाचे मार्ग बदलू शकतात आणि उत्पादनाचे प्रमाण व गुणवत्ता प्रभावित करू शकतात. स्केल-अप दरम्यान या बदलांचा काळजीपूर्वक अभ्यास करणे आणि त्यावर उपाययोजना करणे आवश्यक आहे.

किण्वन स्केल-अपचे टप्पे

स्केल-अप प्रक्रियेमध्ये सामान्यतः अनेक टप्पे असतात, प्रत्येकाची स्वतःची उद्दिष्ट्ये आणि आव्हाने असतात:

१. सीड कल्चर डेव्हलपमेंट (Seed Culture Development)

सीड कल्चर हे उत्पादन फर्मेंटरसाठी इनोकुलम (inoculum) म्हणून काम करते. सीड कल्चर निरोगी, सक्रियपणे वाढणारे आणि प्रदूषणापासून मुक्त असणे महत्त्वाचे आहे. यामध्ये सामान्यतः वाढीचे अनेक टप्पे समाविष्ट असतात, जे क्रायोप्रिझर्व्हड स्टॉक कल्चरपासून सुरू होऊन शेक फ्लास्क, लहान बायोरिॲक्टर आणि अखेरीस सीड फर्मेंटरपर्यंत जातात. सीड कल्चर हे उत्पादन फर्मेंटरमध्ये अपेक्षित असलेल्या पेशींसारखेच शारीरिकदृष्ट्या असले पाहिजे.

उदाहरण: एक औषध कंपनी नवीन प्रतिजैविक विकसित करत असल्यास, ती उत्पादक सूक्ष्मजीवांच्या गोठवलेल्या स्टॉकपासून सुरुवात करू शकते. हा स्टॉक एका शेक फ्लास्कमध्ये पुन्हा जिवंत केला जातो, नंतर लहान (उदा. २ लिटर) बायोरिॲक्टरमध्ये हस्तांतरित केला जातो. या बायोरिॲक्टरमधील बायोमास नंतर एका मोठ्या (उदा. ५० लिटर) सीड फर्मेंटरला इनोकुलेट करतो, जो उत्पादन फर्मेंटरसाठी इनोकुलम पुरवतो.

२. प्रायोगिक स्तरावरील किण्वन (Pilot-Scale Fermentation)

प्रायोगिक स्तरावरील किण्वन प्रयोगशाळा आणि औद्योगिक उत्पादन यांच्यातील अंतर कमी करते. हे आपल्याला पूर्ण-प्रमाणातील उत्पादन वातावरणासारख्या परिस्थितीत किण्वन प्रक्रियेची चाचणी आणि ऑप्टिमाइझ करण्याची परवानगी देते. प्रायोगिक स्तरावरील अभ्यासामुळे संभाव्य स्केल-अप समस्या ओळखण्यात आणि कार्यप्रणाली पॅरामीटर्स सुधारण्यास मदत होते. या प्रयोगांमध्ये सामान्यतः ५० लिटर ते ५०० लिटर पर्यंतचे बायोरिॲक्टर वापरले जातात.

उदाहरण: एक जैवइंधन कंपनी इथेनॉल उत्पादनासाठी नवीन अनुवांशिकरित्या सुधारित यीस्ट स्ट्रेनच्या कामगिरीचे मूल्यांकन करण्यासाठी १०० लिटर बायोरिॲक्टर वापरू शकते. ते इथेनॉलचे उत्पादन आणि उत्पादकता वाढवण्यासाठी तापमान, pH आणि पोषक तत्वांच्या पुरवठ्याचे दर यासारखे पॅरामीटर्स ऑप्टिमाइझ करतील.

३. उत्पादन स्तरावरील किण्वन (Production-Scale Fermentation)

अंतिम टप्पा म्हणजे उत्पादन स्तरावरील किण्वन, जिथे व्यावसायिक विक्रीसाठी मोठ्या प्रमाणात उत्पादनाची निर्मिती केली जाते. उत्पादन स्तरावरील बायोरिॲक्टर अनेक हजार लिटरपासून ते लाखो लिटरपर्यंत असू शकतात. या स्तरावर सातत्यपूर्ण कामगिरी आणि उत्पादनाची गुणवत्ता राखण्यासाठी तपशीलाकडे काळजीपूर्वक लक्ष देणे आणि मजबूत प्रक्रिया नियंत्रण प्रणाली आवश्यक आहे.

उदाहरण: एक ब्रुअरी व्यावसायिक स्तरावर बीअर तयार करण्यासाठी १०,००० लिटरचा फर्मेंटर वापरू शकते. ते चव आणि गुणवत्तेत सातत्य सुनिश्चित करण्यासाठी तापमान, pH आणि विरघळलेल्या ऑक्सिजनच्या पातळीवर काळजीपूर्वक लक्ष ठेवतील.

किण्वन स्केल-अपसाठी मुख्य विचार

१. बायोरिॲक्टर डिझाइन

बायोरिॲक्टर हे किण्वन प्रक्रियेचे हृदय आहे. यशस्वी स्केल-अपसाठी योग्य बायोरिॲक्टर डिझाइन निवडणे महत्त्वाचे आहे. मुख्य विचारांमध्ये यांचा समावेश आहे:

• बायोरिॲक्टरचा प्रकार: वेगवेगळे बायोरिॲक्टर प्रकार वेगवेगळ्या अनुप्रयोगांसाठी योग्य आहेत. स्टिअर्ड-टँक रिॲक्टर (Stirred-tank reactors) सर्वात सामान्य प्रकार आहेत, परंतु एअर-लिफ्ट रिॲक्टर, बबल कॉलम रिॲक्टर आणि पॅक्ड-बेड रिॲक्टरसारखे इतर पर्याय देखील आहेत. निवड किण्वन प्रक्रियेच्या विशिष्ट आवश्यकतांवर अवलंबून असते, जसे की सूक्ष्मजीवांचा प्रकार, ऑक्सिजनची मागणी आणि शिअर स्ट्रेसची संवेदनशीलता.
• मिश्रण प्रणाली (Mixing System): मिश्रण प्रणालीने एकजिनसीपणा, पोषक तत्वांचे वितरण आणि ऑक्सिजन हस्तांतरणासाठी पुरेसे मिश्रण प्रदान केले पाहिजे. सामान्य इंपेलर प्रकारांमध्ये रशटन टर्बाइन, पिच्ड-ब्लेड टर्बाइन आणि मरीन प्रोपेलर यांचा समावेश आहे. इंपेलरची संख्या आणि रचना, बॅफल डिझाइन आणि मिश्रणाचा वेग विशिष्ट बायोरिॲक्टर आणि किण्वन प्रक्रियेसाठी ऑप्टिमाइझ करणे आवश्यक आहे.
• स्पार्जिंग प्रणाली (Sparging System): स्पार्जिंग प्रणाली बायोरिॲक्टरमध्ये हवा किंवा ऑक्सिजन पुरवते. जास्त फेस किंवा पेशींचे नुकसान न करता ऑक्सिजन हस्तांतरण ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी स्पार्जरचा प्रकार आणि आकार, गॅस प्रवाह दर आणि गॅसची रचना काळजीपूर्वक नियंत्रित करणे आवश्यक आहे.
• उष्णता हस्तांतरण प्रणाली: उष्णता हस्तांतरण प्रणालीने बायोरिॲक्टरला पेशींच्या वाढीसाठी आणि उत्पादन निर्मितीसाठी इष्टतम तापमानावर ठेवले पाहिजे. यामध्ये सामान्यतः थंड किंवा गरम द्रव फिरवणारे जॅकेटेड भांडे असते. किण्वन प्रक्रियेद्वारे निर्माण होणारी उष्णता काढून टाकण्यासाठी उष्णता हस्तांतरण क्षमता पुरेशी असणे आवश्यक आहे.
• उपकरणे आणि नियंत्रण: बायोरिॲक्टरमध्ये तापमान, pH, विरघळलेला ऑक्सिजन आणि पोषक तत्वांची पातळी यासारख्या महत्त्वाच्या प्रक्रिया पॅरामीटर्सचे निरीक्षण आणि नियमन करण्यासाठी सेन्सर्स आणि नियंत्रण प्रणाली असणे आवश्यक आहे. सातत्यपूर्ण कामगिरी आणि उत्पादनाची गुणवत्ता राखण्यासाठी स्वयंचलित नियंत्रण प्रणाली आवश्यक आहेत.

२. प्रक्रिया ऑप्टिमायझेशन (Process Optimization)

प्रक्रिया ऑप्टिमायझेशनमध्ये पेशींची वाढ, उत्पादन निर्मिती आणि उत्पादनाच्या गुणवत्तेवर परिणाम करणाऱ्या मुख्य प्रक्रिया पॅरामीटर्सची ओळख आणि ऑप्टिमायझेशन यांचा समावेश असतो. यामध्ये सामान्यतः प्रायोगिक अभ्यास आणि गणितीय मॉडेलिंग यांचे मिश्रण असते.

• माध्यम ऑप्टिमायझेशन: किण्वन माध्यमात पेशींच्या वाढीसाठी आणि उत्पादन निर्मितीसाठी आवश्यक असलेली सर्व पोषक तत्वे असली पाहिजेत. माध्यमाची रचना ऑप्टिमाइझ केल्याने उत्पादनाचे प्रमाण आणि उत्पादकता लक्षणीयरीत्या सुधारू शकते. यामध्ये कार्बन स्रोत, नायट्रोजन स्रोत, जीवनसत्त्वे आणि खनिजे यांच्या एकाग्रतेत बदल करणे समाविष्ट असू शकते. माध्यमाची रचना कार्यक्षमतेने ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी रिस्पॉन्स सरफेस मेथोडॉलॉजी (RSM) सारखे सांख्यिकीय प्रायोगिक डिझाइन वापरले जाऊ शकतात.
• तापमान ऑप्टिमायझेशन: पेशींच्या वाढीसाठी आणि उत्पादन निर्मितीसाठी इष्टतम तापमान विशिष्ट सूक्ष्मजीवांवर अवलंबून असते. तापमान एन्झाइम क्रिया, मेम्ब्रेन फ्लुइडिटी आणि प्रोटीन स्थिरतेवर परिणाम करू शकते. इष्टतम तापमान प्रायोगिकरित्या निश्चित केले पाहिजे.
• pH ऑप्टिमायझेशन: पेशींच्या वाढीसाठी आणि उत्पादन निर्मितीसाठी इष्टतम pH श्रेणी देखील विशिष्ट सूक्ष्मजीवांवर अवलंबून असते. pH एन्झाइम क्रिया, सेल मेम्ब्रेन पारगम्यता आणि प्रोटीन विद्राव्यतेवर परिणाम करू शकतो. इष्टतम किण्वन कामगिरीसाठी अचूक pH नियंत्रण आवश्यक आहे.
• विरघळलेला ऑक्सिजन ऑप्टिमायझेशन: एरोबिक किण्वनासाठी पुरेसा विरघळलेला ऑक्सिजन पातळी राखणे महत्त्वाचे आहे. इष्टतम विरघळलेला ऑक्सिजन पातळी सूक्ष्मजीवांच्या ऑक्सिजन मागणीवर आणि बायोरिॲक्टरच्या ऑक्सिजन हस्तांतरण क्षमतेवर अवलंबून असते. विरघळलेला ऑक्सिजन पातळी आंदोलनाचा वेग, वायुवीजन दर आणि ऑक्सिजन संवर्धन समायोजित करून नियंत्रित केली जाऊ शकते.
• फीड स्ट्रॅटेजीज: फेड-बॅच आणि सतत किण्वनासाठी, उत्पादनाचे प्रमाण आणि उत्पादकता वाढवण्यासाठी फीड दर आणि रचना काळजीपूर्वक ऑप्टिमाइझ करणे आवश्यक आहे. ग्लुकोजची एकाग्रता, pH किंवा विरघळलेल्या ऑक्सिजनच्या रिअल-टाइम मोजमापांवर आधारित फीड दर समायोजित करण्यासाठी फीडबॅक नियंत्रण धोरणे वापरली जाऊ शकतात.

३. देखरेख आणि नियंत्रण (Monitoring and Control)

सातत्यपूर्ण कामगिरी आणि उत्पादनाच्या गुणवत्तेसाठी महत्त्वाच्या प्रक्रिया पॅरामीटर्सची प्रभावी देखरेख आणि नियंत्रण आवश्यक आहे. यासाठी योग्य सेन्सर्स, नियंत्रण प्रणाली आणि डेटा विश्लेषण तंत्रांचा वापर आवश्यक आहे.

• सेन्सर्स: तापमान, pH, विरघळलेला ऑक्सिजन, ग्लुकोज एकाग्रता, बायोमास एकाग्रता आणि उत्पादन एकाग्रता यासारख्या महत्त्वाच्या प्रक्रिया पॅरामीटर्सचे निरीक्षण करण्यासाठी विविध सेन्सर्स उपलब्ध आहेत. सेन्सरची निवड मोजल्या जाणाऱ्या विशिष्ट पॅरामीटरवर आणि किण्वन प्रक्रियेच्या आवश्यकतांवर अवलंबून असते.
• नियंत्रण प्रणाली: सेन्सर्सकडून मिळालेल्या फीडबॅकवर आधारित प्रक्रिया पॅरामीटर्सचे नियमन करण्यासाठी स्वयंचलित नियंत्रण प्रणाली वापरल्या जातात. सामान्य नियंत्रण प्रणालींमध्ये PID (प्रोपोर्शनल-इंटीग्रल-डेरिव्हेटिव्ह) कंट्रोलर्सचा समावेश होतो, जे इच्छित सेटपॉइंट्स राखण्यासाठी हाताळलेल्या व्हेरिएबल्स (उदा. तापमान, pH, आंदोलनाचा वेग) समायोजित करतात.
• डेटा विश्लेषण: सेन्सर्स आणि नियंत्रण प्रणालींमधून गोळा केलेला डेटा ट्रेंड ओळखण्यासाठी, विसंगती शोधण्यासाठी आणि प्रक्रियेची कार्यक्षमता ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी विश्लेषित केला जाऊ शकतो. सांख्यिकीय प्रक्रिया नियंत्रण (SPC) तंत्रांचा वापर प्रक्रियेतील परिवर्तनशीलतेवर लक्ष ठेवण्यासाठी आणि उत्पादनाच्या गुणवत्तेवर परिणाम होण्यापूर्वी संभाव्य समस्या ओळखण्यासाठी केला जाऊ शकतो.
• प्रोसेस ॲनालिटिकल टेक्नॉलॉजी (PAT): PAT हे गंभीर गुणवत्ता गुणधर्म (CQAs) आणि गंभीर प्रक्रिया पॅरामीटर्स (CPPs) च्या वेळेवर मोजमापांद्वारे उत्पादन प्रक्रिया डिझाइन, विश्लेषण आणि नियंत्रित करण्यासाठी एक फ्रेमवर्क आहे. PAT चे उद्दिष्ट प्रक्रिया समजून घेणे, परिवर्तनशीलता कमी करणे आणि उत्पादनाची गुणवत्ता वाढवणे आहे.

४. निर्जंतुकीकरण हमी (Sterility Assurance)

किण्वन प्रक्रियेत निर्जंतुकीकरण राखणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे. प्रदूषणामुळे उत्पादन खराब होऊ शकते, उत्पादन कमी होऊ शकते आणि प्रक्रिया पूर्णपणे अयशस्वी होऊ शकते. मजबूत निर्जंतुकीकरण प्रक्रिया आणि निर्जंतुक तंत्रे लागू करणे आवश्यक आहे.

• उपकरणांचे निर्जंतुकीकरण: किण्वन ब्रॉथच्या संपर्कात येणारी सर्व उपकरणे, ज्यात बायोरिॲक्टर, पाइपिंग आणि सेन्सर्स यांचा समावेश आहे, वापरण्यापूर्वी पूर्णपणे निर्जंतुक करणे आवश्यक आहे. वाफेने निर्जंतुकीकरण ही सर्वात सामान्य पद्धत आहे, परंतु ऑटोक्लेव्हिंग, फिल्टरेशन आणि रासायनिक निर्जंतुकीकरण हे इतर पर्याय आहेत.
• माध्यमांचे निर्जंतुकीकरण: किण्वन माध्यम देखील कोणत्याही दूषित सूक्ष्मजीवांना काढून टाकण्यासाठी निर्जंतुक करणे आवश्यक आहे. हे सामान्यतः ऑटोक्लेव्हिंग किंवा फिल्टर निर्जंतुकीकरणाद्वारे केले जाते.
• निर्जंतुक तंत्रे: बायोरिॲक्टर उघडणे किंवा किण्वन ब्रॉथमध्ये साहित्य घालणे या सर्व क्रिया निर्जंतुक तंत्र वापरून केल्या पाहिजेत. यामध्ये निर्जंतुक उपकरणे वापरणे, निर्जंतुक हातमोजे घालणे आणि स्वच्छ वातावरणात काम करणे समाविष्ट आहे.
• हवा गाळणी (Air Filtration): बायोरिॲक्टरमध्ये प्रवेश करणारी हवा कोणत्याही हवेतील सूक्ष्मजीवांना काढून टाकण्यासाठी निर्जंतुक फिल्टरमधून गाळली पाहिजे.
• बंद प्रणाली (Closed Systems): बंद प्रणाली वापरल्याने प्रदूषणाचा धोका कमी होतो. यामध्ये सर्व उपकरणे आणि पाइपिंग एका बंद लूपमध्ये जोडणे आणि कोणत्याही सामग्रीचे उघड्यावर हस्तांतरण टाळणे समाविष्ट आहे.

५. फेस नियंत्रण (Foam Control)

किण्वन प्रक्रियेत, विशेषतः प्रथिने किंवा सर्फॅक्टंट्स असलेल्या प्रक्रियेत फेस तयार होणे ही एक सामान्य समस्या आहे. जास्त फेसामुळे ऑक्सिजन हस्तांतरण कमी होऊ शकते, प्रदूषण होऊ शकते आणि उत्पादनाचे नुकसान होऊ शकते. अँटीफोम एजंट्स घालून किंवा मेकॅनिकल फोम ब्रेकर्स वापरून फेस नियंत्रित केला जाऊ शकतो.

• अँटीफोम एजंट्स: अँटीफोम एजंट्स हे रसायने आहेत जे किण्वन ब्रॉथचा पृष्ठभाग ताण कमी करतात, ज्यामुळे फेस तयार होण्यास प्रतिबंध होतो. सामान्य अँटीफोम एजंट्समध्ये सिलिकॉन, वनस्पती तेल आणि फॅटी ऍसिडस् यांचा समावेश होतो. अँटीफोम एजंटची निवड विशिष्ट किण्वन प्रक्रिया आणि सूक्ष्मजीवांच्या संवेदनशीलतेवर अवलंबून असते.
• मेकॅनिकल फोम ब्रेकर्स: मेकॅनिकल फोम ब्रेकर्स फेस भौतिकरित्या तोडण्यासाठी फिरणारे ब्लेड किंवा इतर उपकरणे वापरतात. हे अनेकदा अँटीफोम एजंट्सच्या संयोगाने वापरले जातात.

यशस्वी स्केल-अपसाठी धोरणे

१. QbD (Quality by Design) दृष्टिकोन

QbD हा विकासासाठी एक पद्धतशीर दृष्टिकोन आहे जो पूर्वनिर्धारित उद्दिष्टांसह सुरू होतो आणि उत्पादन व प्रक्रिया समजून घेणे आणि प्रक्रिया नियंत्रणावर जोर देतो. किण्वन स्केल-अपमध्ये QbD तत्त्वे लागू केल्याने सातत्यपूर्ण उत्पादनाची गुणवत्ता आणि कार्यक्षमता सुनिश्चित करण्यात मदत होते.

QbD चे मुख्य घटक:

• गुणवत्ता लक्ष्य उत्पादन प्रोफाइल (QTPP) परिभाषित करणे: QTPP अंतिम उत्पादनाच्या इच्छित वैशिष्ट्यांचे वर्णन करते, जसे की शुद्धता, सामर्थ्य आणि स्थिरता.
• गंभीर गुणवत्ता गुणधर्म (CQAs) ओळखणे: CQAs हे भौतिक, रासायनिक, जैविक किंवा सूक्ष्मजैविक गुणधर्म आहेत जे इच्छित उत्पादन गुणवत्ता सुनिश्चित करण्यासाठी नियंत्रित करणे आवश्यक आहे.
• गंभीर प्रक्रिया पॅरामीटर्स (CPPs) ओळखणे: CPPs हे प्रक्रिया पॅरामीटर्स आहेत जे CQAs वर परिणाम करू शकतात.
• डिझाइन स्पेस स्थापित करणे: डिझाइन स्पेस हे इनपुट व्हेरिएबल्स (उदा. CPPs) आणि प्रक्रिया पॅरामीटर्सचे बहुआयामी संयोजन आणि परस्परसंवाद आहे जे गुणवत्तेची हमी प्रदान करतात हे सिद्ध झाले आहे. डिझाइन स्पेसमध्ये काम केल्याने उत्पादन इच्छित गुणवत्ता गुणधर्मांची पूर्तता करते हे सुनिश्चित होते.
• नियंत्रण धोरण लागू करणे: नियंत्रण धोरण वर्णन करते की प्रक्रिया डिझाइन स्पेसमध्ये राहील आणि उत्पादन इच्छित गुणवत्ता गुणधर्मांची पूर्तता करेल हे सुनिश्चित करण्यासाठी CPPs चे निरीक्षण आणि नियंत्रण कसे केले जाईल.

२. संगणकीय द्रव गतिशीलता (CFD)

CFD हे बायोरिॲक्टरमधील द्रव प्रवाह, उष्णता हस्तांतरण आणि वस्तुमान हस्तांतरणाचे अनुकरण करण्यासाठी एक शक्तिशाली साधन आहे. CFD सिम्युलेशनचा वापर बायोरिॲक्टर डिझाइन, मिश्रण प्रणाली आणि स्पार्जिंग प्रणाली ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी केला जाऊ शकतो. ते डेड झोन आणि शिअर स्ट्रेस हॉटस्पॉट यासारख्या संभाव्य समस्या ओळखण्यात देखील मदत करू शकतात. CFD स्केल-अपसाठी आवश्यक असलेल्या महागड्या आणि वेळखाऊ प्रायोगिक स्तरावरील प्रयोगांची संख्या कमी करू शकते.

३. स्केल-डाउन मॉडेल्स

स्केल-डाउन मॉडेल्स हे लहान-प्रमाणातील बायोरिॲक्टर आहेत जे मोठ्या-प्रमाणातील उत्पादन बायोरिॲक्टरमधील परिस्थितीचे अनुकरण करण्यासाठी डिझाइन केलेले आहेत. स्केल-डाउन मॉडेल्सचा वापर पेशींची वाढ, उत्पादन निर्मिती आणि उत्पादनाच्या गुणवत्तेवर विविध प्रक्रिया पॅरामीटर्सच्या परिणामांचा अभ्यास करण्यासाठी केला जाऊ शकतो. ते स्केल-अप दरम्यान उद्भवणाऱ्या समस्यांचे निवारण करण्यासाठी देखील वापरले जाऊ शकतात. सु-वर्णित स्केल-डाउन मॉडेल्स मौल्यवान अंतर्दृष्टी देऊ शकतात आणि विकास प्रक्रियेला गती देऊ शकतात.

४. प्रक्रिया मॉडेलिंग आणि सिम्युलेशन

प्रक्रिया मॉडेलिंग आणि सिम्युलेशनचा वापर वेगवेगळ्या स्तरांवर आणि वेगवेगळ्या कार्यप्रणाली परिस्थितीत किण्वन प्रक्रियेच्या वर्तनाचा अंदाज लावण्यासाठी केला जाऊ शकतो. वस्तुमान हस्तांतरण, उष्णता हस्तांतरण आणि प्रतिक्रिया गतिकीच्या मूलभूत तत्त्वांवर आधारित गणितीय मॉडेल्स विकसित केले जाऊ शकतात. या मॉडेल्सचा वापर प्रक्रिया पॅरामीटर्स ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी, नियंत्रण धोरणे डिझाइन करण्यासाठी आणि समस्यांचे निवारण करण्यासाठी केला जाऊ शकतो. MATLAB, gPROMS, आणि Aspen Plus सारखी साधने प्रक्रिया मॉडेलिंग आणि सिम्युलेशनसाठी वापरली जाऊ शकतात.

डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग विचार

स्केल-अप विचार केवळ किण्वन प्रक्रियेपुरते मर्यादित नाहीत. डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग, ज्यामध्ये किण्वन ब्रॉथमधून उत्पादनाचे पृथक्करण आणि शुद्धीकरण समाविष्ट आहे, त्याला देखील मोठ्या प्रमाणावर वाढवण्याची आवश्यकता आहे. डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग तंत्रांची निवड उत्पादनाचे स्वरूप, त्याची एकाग्रता आणि इच्छित शुद्धतेवर अवलंबून असते. सामान्य डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग तंत्रांमध्ये यांचा समावेश आहे:

• पेशी पृथक्करण: किण्वन ब्रॉथमधून पेशी काढून टाकणे हे अनेकदा डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंगमधील पहिली पायरी असते. हे सेंट्रीफ्यूगेशन, फिल्टरेशन किंवा मायक्रोफिल्टरेशनद्वारे केले जाऊ शकते.
• पेशी विघटन: जर उत्पादन इंट्रासेल्युलर असेल, तर उत्पादन बाहेर काढण्यासाठी पेशींचे विघटन करणे आवश्यक आहे. हे यांत्रिक पद्धतींनी (उदा. होमोजेनायझेशन, बीड मिलिंग) किंवा रासायनिक पद्धतींनी (उदा. एन्झाइमॅटिक लायसिस) केले जाऊ शकते.
• उत्पादन विलगीकरण: उत्पादनाचे किण्वन ब्रॉथमधून विविध तंत्रांद्वारे विलगीकरण केले जाऊ शकते, ज्यात पर्जन्य, निष्कर्षण आणि शोषण यांचा समावेश आहे.
• उत्पादन शुद्धीकरण: उत्पादन सामान्यतः क्रोमॅटोग्राफिक तंत्रांद्वारे शुद्ध केले जाते, जसे की ॲफिनिटी क्रोमॅटोग्राफी, आयन एक्सचेंज क्रोमॅटोग्राफी आणि साइझ एक्सक्लूजन क्रोमॅटोग्राफी.
• उत्पादन फॉर्म्युलेशन: डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंगमधील अंतिम पायरी म्हणजे उत्पादनाला स्थिर आणि वापरण्यायोग्य स्वरूपात तयार करणे. यामध्ये एक्सिपियंट्स, स्टॅबिलायझर्स आणि प्रिझर्व्हेटिव्ह्ज घालणे समाविष्ट असू शकते.

यशस्वी किण्वन स्केल-अपची जागतिक उदाहरणे

जगभरातील अनेक उद्योग यशस्वी किण्वन स्केल-अपवर मोठ्या प्रमाणावर अवलंबून आहेत. येथे काही उदाहरणे आहेत:

• औषधनिर्माण उद्योग (जागतिक): प्रतिजैविके, लसी आणि इतर बायोफार्मास्युटिकल्सचे उत्पादन सूक्ष्मजीव किंवा पेशी संवर्धनाच्या मोठ्या प्रमाणातील किण्वनावर अवलंबून असते. Pfizer, Roche, आणि Novartis सारख्या कंपन्या जगभरात प्रचंड किण्वन सुविधा चालवतात.
• अन्न आणि पेय उद्योग (युरोप, उत्तर अमेरिका, आशिया): बीअर, वाइन, दही, चीज आणि इतर किण्वित अन्न आणि पेयांचे उत्पादन नियंत्रित किण्वन प्रक्रियांवर अवलंबून असते. Anheuser-Busch InBev (बेल्जियम), Danone (फ्रान्स), आणि Kirin Brewery (जपान) सारख्या कंपन्यांनी अनेक वर्षांपासून किण्वन स्केल-अपमध्ये प्राविण्य मिळवले आहे.
• जैवइंधन उद्योग (ब्राझील, यूएसए): उसापासून (ब्राझील) आणि मक्यापासून (यूएसए) इथेनॉल उत्पादनात यीस्टद्वारे साखरेचे मोठ्या प्रमाणावर किण्वन समाविष्ट आहे. Raizen (ब्राझील) आणि Archer Daniels Midland (यूएसए) सारख्या कंपन्या मोठ्या प्रमाणावर जैवइंधन उत्पादन सुविधा चालवतात.
• औद्योगिक जैवतंत्रज्ञान (डेन्मार्क, जर्मनी, चीन): एन्झाइम्स, बायोप्लास्टिक्स आणि इतर जैव-आधारित उत्पादनांचे उत्पादन अनुवांशिकरित्या सुधारित सूक्ष्मजीवांच्या किण्वनावर अवलंबून असते. Novozymes (डेन्मार्क), BASF (जर्मनी), आणि Amyris (यूएसए) सारख्या कंपन्या या क्षेत्रात आघाडीवर आहेत.

सामान्य स्केल-अप समस्यांचे निवारण

काळजीपूर्वक नियोजन आणि अंमलबजावणी करूनही, किण्वन स्केल-अप दरम्यान समस्या उद्भवू शकतात. येथे काही सामान्य समस्या आणि संभाव्य उपाय आहेत:

• उत्पादनात घट: हे चयापचयाच्या मार्गांमधील बदल, पोषक तत्वांची मर्यादा किंवा प्रतिबंधक उप-उत्पादनांच्या संचयामुळे असू शकते. माध्यमाची रचना तपासा, फीड स्ट्रॅटेजीज ऑप्टिमाइझ करा आणि पुरेसे ऑक्सिजन हस्तांतरण सुनिश्चित करा.
• प्रदूषणाचा वाढलेला धोका: हे अपुऱ्या निर्जंतुकीकरण प्रक्रियांमुळे किंवा निर्जंतुक तंत्रांमधील त्रुटींमुळे असू शकते. निर्जंतुकीकरण प्रोटोकॉल तपासा, हवा गाळणी सुधारा आणि अधिक कठोर निर्जंतुक प्रक्रिया लागू करा.
• जास्त फेस उत्पादन: हे माध्यमाच्या रचनेतील किंवा पेशींच्या शरीरविज्ञानातील बदलांमुळे असू शकते. अँटीफोम एजंट घालणे ऑप्टिमाइझ करा किंवा मेकॅनिकल फोम ब्रेकर स्थापित करा.
• पेशींच्या आकारविज्ञानातील बदल: हे शिअर स्ट्रेस किंवा पोषक तत्वांच्या ग्रेडियंटमधील बदलांमुळे असू शकते. इंपेलर डिझाइन, मिश्रणाचा वेग आणि फीड स्ट्रॅटेजीज ऑप्टिमाइझ करा.
• उत्पादनाची अस्थिरता: हे pH, तापमान किंवा विघटनकारी एन्झाइम्सच्या उपस्थितीतील बदलांमुळे असू शकते. प्रक्रिया पॅरामीटर्स ऑप्टिमाइझ करा आणि माध्यमात स्टॅबिलायझर्स घाला.

किण्वन स्केल-अपमधील भविष्यातील ट्रेंड

किण्वनाचे क्षेत्र सतत विकसित होत आहे. किण्वन स्केल-अपच्या भविष्याला आकार देणारे काही प्रमुख ट्रेंड खालीलप्रमाणे आहेत:

• सतत किण्वन (Continuous Fermentation): सतत किण्वन बॅच किण्वनापेक्षा अनेक फायदे देते, ज्यात उच्च उत्पादकता, कमी ऑपरेटिंग खर्च आणि अधिक सातत्यपूर्ण उत्पादनाची गुणवत्ता यांचा समावेश आहे.
• एकल-वापर बायोरिॲक्टर (Single-Use Bioreactors): एकल-वापर बायोरिॲक्टर साफसफाई आणि निर्जंतुकीकरणाची गरज दूर करतात, ज्यामुळे प्रदूषणाचा धोका कमी होतो आणि ऑपरेशन्स सोपे होतात.
• प्रगत प्रक्रिया नियंत्रण: मॉडेल प्रेडिक्टिव्ह कंट्रोल (MPC) आणि मशीन लर्निंग सारखी प्रगत प्रक्रिया नियंत्रण तंत्रे रिअल-टाइममध्ये किण्वन प्रक्रिया ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी वापरली जात आहेत.
• सिंथेटिक बायोलॉजी: सिंथेटिक बायोलॉजीचा वापर सुधारित चयापचय क्षमता आणि उत्पादकता असलेल्या सूक्ष्मजीवांची निर्मिती करण्यासाठी केला जात आहे.
• सूक्ष्मजीव समुदाय: सूक्ष्मजीव समुदाय आणि कन्सोर्टियाचा उपयोग नवीन चयापचय मार्ग अनलॉक करू शकतो आणि जैवप्रक्रियांची कार्यक्षमता सुधारू शकतो.

निष्कर्ष

व्यावसायिक किण्वन प्रक्रिया मोठ्या प्रमाणावर वाढवणे हे बाजारात जैव-उत्पादने आणण्यासाठी एक गुंतागुंतीचे परंतु आवश्यक पाऊल आहे. या मार्गदर्शिकेत चर्चा केलेल्या मुख्य घटकांचा काळजीपूर्वक विचार करून, ज्यात बायोरिॲक्टर डिझाइन, प्रक्रिया ऑप्टिमायझेशन, देखरेख आणि नियंत्रण, निर्जंतुकीकरण हमी आणि फेस नियंत्रण यांचा समावेश आहे, कंपन्या त्यांच्या किण्वन प्रक्रिया यशस्वीरित्या मोठ्या प्रमाणावर वाढवू शकतात आणि सातत्यपूर्ण उत्पादनाची गुणवत्ता आणि कार्यक्षमता मिळवू शकतात. QbD, CFD, स्केल-डाउन मॉडेल्स आणि प्रगत प्रक्रिया नियंत्रण यासारख्या नवीन तंत्रज्ञान आणि पद्धतींचा स्वीकार केल्याने जगभरातील व्यावसायिक किण्वन ऑपरेशन्सची कार्यक्षमता आणि मजबुती आणखी वाढेल.