M

MLOG

Nederlands

Een uitgebreide gids voor fermentatie-opschaling, met belangrijke principes, uitdagingen, technologieën en strategieën voor succesvolle bioprocesoptimalisatie.

Fermentatie Opschaling: Een Uitgebreide Gids voor Wereldwijde Biotechnologische Vooruitgang

Fermentatie, een metabolisch proces dat suikers omzet in zuren, gassen of alcohol, is een hoeksteen van verschillende industrieën, waaronder voedsel en drank, farmaceutica, biobrandstoffen en industriële enzymen. Het opschalen van fermentatieprocessen, de overgang van laboratoriumschaal naar industriële schaalproductie, brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee en vereist een diepgaand begrip van de principes van bioproces engineering. Deze gids biedt een uitgebreid overzicht van fermentatie-opschaling, met belangrijke concepten, uitdagingen, technologieën en strategieën voor succesvolle bioprocesoptimalisatie in verschillende industrieën wereldwijd.

Waarom is Fermentatie Opschaling Belangrijk?

Het vermogen om fermentatieprocessen effectief op te schalen is cruciaal voor het commercialiseren van biotechnologische innovaties. Hoewel veelbelovende resultaten kunnen worden behaald op laboratoriumschaal, vereist het vertalen van deze resultaten naar grootschalige productie een zorgvuldige afweging van verschillende factoren, waaronder:

Het succesvol navigeren door de complexiteit van fermentatie-opschaling is essentieel voor bedrijven die hun biotechnologische producten willen commercialiseren en een concurrentievoordeel willen behalen op de wereldmarkt. Een farmaceutisch bedrijf dat bijvoorbeeld een nieuw antibioticum ontwikkelt door middel van microbiële fermentatie, moet ervoor zorgen dat het fermentatieproces kan worden opgeschaald om het geneesmiddel in voldoende hoeveelheden te produceren om aan de behoeften van patiënten wereldwijd te voldoen. Evenzo moet een biobrandstofbedrijf dat tot doel heeft ethanol uit lignocellulose biomassa te produceren, het fermentatieproces optimaliseren voor grootschalige productie om biobrandstoffen een levensvatbaar alternatief voor fossiele brandstoffen te maken.

Belangrijke Principes van Fermentatie Opschaling

Succesvolle fermentatie-opschaling is gebaseerd op verschillende fundamentele principes van bioproces engineering. Het begrijpen en toepassen van deze principes is cruciaal voor het bereiken van optimale procesprestaties op industriële schaal.

1. Het handhaven van een constante volumetrische massatransfiercoëfficiënt (kLa)

Zuurstofoverdracht is vaak een beperkende factor in aerobe fermentatieprocessen. De volumetrische massatransfiercoëfficiënt (kLa) is een cruciale parameter die de snelheid beschrijft waarmee zuurstof wordt overgedragen van de gasfase naar de vloeistoffase in een bioreactor. Het handhaven van een constante kLa tijdens de opschaling is essentieel om ervoor te zorgen dat de cellen voldoende zuurstof ontvangen voor groei en productvorming. Dit kan worden bereikt door parameters aan te passen zoals de roersnelheid, beluchtingssnelheid en de geometrie van de bioreactor.

Bijvoorbeeld, bij de productie van citroenzuur door Aspergillus niger kan zuurstofbeperking de citroenzuuropbrengst aanzienlijk verminderen. Het handhaven van een voldoende kLa gedurende het fermentatieproces is cruciaal voor het maximaliseren van de citroenzuurproductie. Verschillende strategieën, zoals het gebruik van met zuurstof verrijkte lucht of het optimaliseren van het impellerontwerp, kunnen worden gebruikt om de zuurstofoverdracht te verbeteren.

2. Het handhaven van een constante mengtijd

Efficiënt mengen is cruciaal voor het waarborgen van homogeniteit in de bioreactor, het voorkomen van substraat- of nutriëntenbeperkingen en het afvoeren van warmte. Het handhaven van een constante mengtijd tijdens de opschaling is belangrijk om ervoor te zorgen dat de cellen een uniforme omgeving ervaren en dat gradiënten van voedingsstoffen, pH en temperatuur worden geminimaliseerd. De mengtijd kan worden beïnvloed door factoren zoals het impellerontwerp, de impellersnelheid en de geometrie van de bioreactor.

Beschouw de productie van recombinante eiwitten in zoogdiercelcultuur. Zoogdiercellen zijn gevoelig voor schuifkrachten en overmatige roering kan de cellen beschadigen en de eiwitopbrengst verminderen. Onvoldoende mengen kan echter leiden tot nutriëntenbeperkingen en het klonteren van cellen. Het optimaliseren van de mengtijd om deze concurrerende factoren in evenwicht te brengen is cruciaal voor succesvolle opschaling.

3. Het handhaven van een constante afschuifsnelheid

De afschuifsnelheid, de snelheid waarmee aangrenzende lagen vloeistof ten opzichte van elkaar bewegen, kan een significante impact hebben op de levensvatbaarheid van cellen en de productkwaliteit, met name voor schuifgevoelige cellen zoals zoogdiercellen en plantencellen. Het handhaven van een constante afschuifsnelheid tijdens de opschaling is belangrijk om celschade te minimaliseren en een consistente productkwaliteit te waarborgen. De afschuifsnelheid kan worden geregeld door parameters zoals de impellersnelheid en het impellerontwerp aan te passen.

Bijvoorbeeld, bij de productie van monoklonale antilichamen in CHO-cellen kan overmatige schuifspanning leiden tot cellyse en de afgifte van intracellulaire proteasen, die de antilichamen kunnen afbreken. Het gebruik van low-shear impellers en het optimaliseren van de roersnelheid kan helpen de schuifspanning te minimaliseren en de antilichaamproductie te verbeteren.

4. Het handhaven van een constante vermogensinput per volume-eenheid (P/V)

De vermogensinput per volume-eenheid (P/V) is een maat voor de energie-input in de bioreactor voor mengen en beluchten. Het handhaven van een constante P/V tijdens de opschaling kan helpen ervoor te zorgen dat de meng- en zuurstofoverdrachtskenmerken van de bioreactor vergelijkbaar zijn op verschillende schalen. Het is echter belangrijk op te merken dat P/V niet de enige factor is die het mengen en de zuurstofoverdracht beïnvloedt, en dat ook andere parameters zoals het impellerontwerp en de geometrie van de bioreactor in overweging moeten worden genomen.

In veel bacteriële fermentaties kan een hogere P/V acceptabel zijn vanwege de robuustere aard van bacteriële cellen in vergelijking met zoogdiercellen. Zelfs in bacteriële fermentaties kan overmatige P/V echter in sommige gevallen leiden tot een verhoogd energieverbruik en mogelijk tot celschade. Het optimaliseren van P/V in combinatie met andere parameters is daarom cruciaal.

5. Geometrische Overeenkomst

Het handhaven van geometrische overeenkomst tijdens de opschaling betekent dat de verhoudingen van de bioreactordimensies (bijvoorbeeld diameter, hoogte, impellerdiameter) constant blijven. Dit kan helpen ervoor te zorgen dat de stroompatronen en mengkenmerken van de bioreactor op verschillende schalen vergelijkbaar zijn. Het is echter vaak niet mogelijk om perfecte geometrische overeenkomst te handhaven vanwege praktische beperkingen zoals kosten en ruimtebeperkingen. Bovendien garandeert perfecte geometrische overeenkomst geen identieke prestaties omdat de vloeistofdynamica niet alleen door geometrie wordt bepaald.

Bijvoorbeeld, geometrisch vergelijkbare bioreactoren kunnen verschillende verhoudingen van oppervlakte tot volume hebben, wat van invloed kan zijn op de warmteoverdracht en verdampingssnelheden. Computational fluid dynamics (CFD)-modellering kan worden gebruikt om de impact van afwijkingen van geometrische overeenkomst op de prestaties van de bioreactor te beoordelen.

Uitdagingen bij Fermentatie Opschaling

Het opschalen van fermentatieprocessen brengt tal van uitdagingen met zich mee, waarbij zorgvuldig rekening moet worden gehouden met verschillende factoren die de procesprestaties kunnen beïnvloeden.

1. Beperkingen van zuurstofoverdracht

Naarmate de schaal van de bioreactor toeneemt, wordt het moeilijker om voldoende zuurstofoverdracht naar de cellen te handhaven. Dit komt omdat de verhouding van oppervlakte tot volume afneemt en het diffusiepad voor zuurstof toeneemt. Zuurstofbeperking kan leiden tot verminderde celgroei, productvorming en zelfs celdood.

Oplossingen:

2. Warmteafvoer

Fermentatieprocessen genereren warmte als gevolg van metabole activiteit en roering. Naarmate de schaal van de bioreactor toeneemt, wordt het moeilijker om deze warmte af te voeren, wat kan leiden tot een verhoogde temperatuur en verminderde celgroei en productvorming. Het handhaven van een optimale temperatuur is cruciaal voor de enzymactiviteit en de algehele celgezondheid.

Oplossingen:

3. Menginhomogeniteiten

Naarmate de schaal van de bioreactor toeneemt, wordt het moeilijker om een uniforme menging in het gehele vat te handhaven. Dit kan leiden tot gradiënten van voedingsstoffen, pH en temperatuur, die een negatieve invloed kunnen hebben op de celgroei en productvorming. Dode zones of slecht gemengde regio's kunnen ook de accumulatie van giftige bijproducten bevorderen.

Oplossingen:

4. pH-controle

Het handhaven van een optimale pH is cruciaal voor celgroei en productvorming. Naarmate de schaal van de bioreactor toeneemt, wordt het moeilijker om een uniforme pH in het gehele vat te handhaven. Dit kan leiden tot pH-gradiënten, die een negatieve invloed kunnen hebben op de celgroei en productvorming. Metabole bijproducten kunnen de pH aanzienlijk verschuiven, waardoor een strakke controle nodig is.

Oplossingen:

5. Schuimcontrole

Schuimvorming is een veelvoorkomend probleem bij fermentatieprocessen, vooral bij processen waarbij eiwitten of oppervlakteactieve stoffen betrokken zijn. Schuim kan leiden tot een verminderd werkvatvolume, contaminatie en het verstoppen van sensoren en filters. Het belemmert ook de zuurstofoverdracht.

Oplossingen:

6. Veranderingen in morfologie of fysiologie

Cellen kunnen een veranderde morfologie of fysiologie vertonen naarmate de schaal toeneemt. Schuifspanning of andere veranderingen in de bioreactoromgeving kunnen ervoor zorgen dat cellen verschillende eiwitten produceren of verschillende groeisnelheden hebben. Deze veranderingen kunnen van invloed zijn op de productopbrengst en -kwaliteit. Dit komt vooral veel voor bij filamentvormende organismen of geaggregeerde celculturen.

Oplossingen:

7. Het handhaven van steriliteit

Het handhaven van steriliteit is cruciaal voor het voorkomen van contaminatie en het waarborgen van de productkwaliteit. Naarmate de schaal van de bioreactor toeneemt, wordt het moeilijker om steriliteit te handhaven vanwege het grotere oppervlak en het grotere aantal verbindingen en bemonsteringspunten.

Oplossingen:

Technologieën voor Fermentatie Opschaling

Er zijn verschillende technologieën beschikbaar om te helpen bij het opschalen en optimaliseren van fermentatie. Deze technologieën kunnen helpen bij het overwinnen van de uitdagingen die gepaard gaan met het opschalen van fermentatieprocessen en het verbeteren van de procesprestaties.

1. Computational Fluid Dynamics (CFD)

CFD is een krachtig hulpmiddel voor het simuleren van vloeistofstroming, warmteoverdracht en massatransport in bioreactoren. CFD kan worden gebruikt om het ontwerp van bioreactoren te optimaliseren, mengpatronen te voorspellen en dode zones te identificeren. CFD-modellering kan helpen bij het voorspellen van omstandigheden op grotere schaal op basis van experimenten op kleine schaal, waardoor het aantal kostbare runs op pilotschaal dat nodig is, wordt verminderd.

Voorbeeld: CFD kan worden gebruikt om het impellerontwerp en de plaatsing in een grootschalige bioreactor te optimaliseren om een uniforme menging en zuurstofoverdracht te waarborgen. Het kan ook gebieden identificeren waar de schuifspanning hoog is, waardoor technici het ontwerp kunnen aanpassen om celschade te minimaliseren.

2. Process Analytical Technology (PAT)

PAT is een systeem voor het ontwerpen, analyseren en controleren van de productie door tijdige metingen (d.w.z. tijdens de verwerking) van kritieke kwaliteitseigenschappen en prestatiekenmerken van grondstoffen en materialen en processen in bewerking met als doel de eindkwaliteit van het product te waarborgen. PAT-tools omvatten sensoren voor het bewaken van pH, temperatuur, opgeloste zuurstof, celdichtheid en voedingsstoffenniveaus. Realtime data-acquisitie maakt onmiddellijke aanpassingen aan het fermentatieproces mogelijk, wat leidt tot meer efficiëntie en reproduceerbaarheid.

Voorbeeld: Het gebruik van een online near-infrarood (NIR)-spectrometer om het glucosegehalte in het fermentatiebouillon te bewaken, maakt realtime aanpassingen aan de toevoersnelheid mogelijk, waardoor glucosebeperking of overvoeding wordt voorkomen, wat beide een negatieve invloed kan hebben op de productopbrengst.

3. Statisch Design of Experiments (DoE)

DoE is een systematische benadering voor het plannen en uitvoeren van experimenten om de optimale bedrijfsomstandigheden voor een proces te identificeren. DoE kan worden gebruikt om fermentatieparameters zoals temperatuur, pH, voedingsstoffenniveaus en beluchtingssnelheid te optimaliseren. DoE is een veel efficiëntere aanpak dan traditionele experimenten met 'één factor tegelijk'.

Voorbeeld: Het gebruik van DoE om de concentraties van verschillende voedingsstoffen in het fermentatiemedium te optimaliseren, kan de productopbrengst aanzienlijk verbeteren. De statistische aanpak maakt de identificatie mogelijk van interacties tussen voedingsstoffen die mogelijk niet zichtbaar zijn door traditionele experimenten.

4. Geavanceerde Bioreactorontwerpen

Er zijn verschillende geavanceerde bioreactorontwerpen ontwikkeld om de procesprestaties te verbeteren. Deze omvatten:

Voorbeeld: Bioreactoren voor eenmalig gebruik worden steeds vaker gebruikt in de biofarmaceutische industrie voor de productie van monoklonale antilichamen. Deze bioreactoren bieden verschillende voordelen, waaronder een lagere kapitaalinvestering, snellere doorlooptijden en een lager risico op contaminatie.

5. Scale-Down Modellen

Scale-down modellen zijn bioreactoren op kleine schaal die zijn ontworpen om de omstandigheden in een grootschalige bioreactor na te bootsen. Scale-down modellen kunnen worden gebruikt om de impact van verschillende procesparameters op celgroei en productvorming te bestuderen, zonder dat experimenten in de grootschalige bioreactor hoeven te worden uitgevoerd. Dit bespaart tijd en middelen.

Voorbeeld: Een scale-down model kan worden gebruikt om de beperkingen van zuurstofoverdracht in een grootschalige bioreactor te simuleren. Door de impact van zuurstofbeperking op celgroei en productvorming in het scale-down model te bestuderen, kunnen technici strategieën ontwikkelen om deze beperkingen in de grootschalige bioreactor te overwinnen.

Strategieën voor Succesvolle Fermentatie Opschaling

Succesvolle fermentatie-opschaling vereist een goed geplande en uitgevoerde strategie die de uitdagingen aanpakt en de beschikbare technologieën benut.

1. Grondig procesbegrip

Een diepgaand begrip van het fermentatieproces is essentieel voor succesvolle opschaling. Dit omvat het begrijpen van de betrokken metabolische routes, de optimale groeiomstandigheden voor de cellen en de kritieke procesparameters die van invloed zijn op de productopbrengst en -kwaliteit. Het begrijpen van potentiële remmende factoren is ook cruciaal. Een solide basis gebouwd op goed gekarakteriseerde experimenten op kleine schaal is essentieel.

2. Ontwikkel een robuuste seed train

Een robuuste seed train is cruciaal om ervoor te zorgen dat de cellen gezond zijn en actief groeien wanneer ze worden overgebracht naar de grootschalige bioreactor. De seed train moet zo worden ontworpen dat de cellen geleidelijk worden aangepast aan de omgeving op grotere schaal. Dit houdt vaak in dat wordt begonnen met een klein inoculum in een schudkolf en dat het volume van het inoculum geleidelijk wordt vergroot via een reeks steeds grotere bioreactoren.

3. Implementeer een fase-geschikte aanpak

Een fase-geschikte aanpak betekent dat het niveau van rigoureusheid en documentatie in verhouding moet staan tot de ontwikkelingsfase. Vroege procesontwikkeling kan zich richten op het identificeren van de optimale fermentatieparameters, terwijl procesontwikkeling in een later stadium zich moet richten op het optimaliseren en valideren van het proces om een consistente productkwaliteit en reproduceerbaarheid te waarborgen.

4. Voer pilotstudies uit

Pilotstudies zijn een essentiële stap in het opschalingsproces. Pilotstudies stellen u in staat om het fermentatieproces te testen in een bioreactor die qua grootte dichter bij de grootschalige bioreactor ligt. Hierdoor kunt u potentiële problemen identificeren en het proces optimaliseren voordat u overgaat op grootschalige productie. Pilotstudies kunnen problemen met mengen, warmteoverdracht of pH-controle aan het licht brengen die op kleinere schaal niet zichtbaar waren.

5. Bewaak kritische procesparameters

Continue bewaking van kritieke procesparameters (CPP's) is essentieel voor het waarborgen van een consistente productkwaliteit en reproduceerbaarheid. CPP's omvatten temperatuur, pH, opgeloste zuurstof, celdichtheid en voedingsstoffenniveaus. Realtime monitoring maakt onmiddellijke aanpassingen aan het fermentatieproces mogelijk, waardoor afwijkingen van de optimale bedrijfsomstandigheden worden voorkomen.

6. Implementeer procescontrolestrategieën

Procescontrolestrategieën zijn essentieel voor het handhaven van het fermentatieproces binnen het gewenste werkbereik. Dit omvat het implementeren van terugkoppelingsregellussen om parameters zoals temperatuur, pH en opgeloste zuurstof automatisch aan te passen. Geavanceerde controlestrategieën, zoals modelvoorspellende controle (MPC), kunnen worden gebruikt om het fermentatieproces in realtime te optimaliseren.

7. Ontwikkel een grondig reinigings- en sterilisatieprotocol

Een grondig reinigings- en sterilisatieprotocol is essentieel voor het voorkomen van contaminatie en het waarborgen van de productkwaliteit. Het protocol moet gedetailleerde procedures bevatten voor het reinigen en steriliseren van alle apparatuur en media. De effectiviteit van het reinigings- en sterilisatieprotocol moet worden gevalideerd om ervoor te zorgen dat het in staat is alle verontreinigingen te verwijderen.

8. Documentatie en Traceerbaarheid

Gedetailleerde documentatie is cruciaal om aan te tonen dat het fermentatieproces goed wordt beheerst en dat het product aan alle kwaliteitseisen voldoet. Dit omvat het documenteren van alle procesparameters, grondstoffen en analyseresultaten. Er moet een uitgebreid auditpad worden bijgehouden om de traceerbaarheid van alle gegevens te waarborgen.

Wereldwijde Casestudies in Fermentatie Opschaling

Het onderzoeken van succesvolle fermentatie-opschalingsverhalen van over de hele wereld biedt waardevolle inzichten en geleerde lessen.

1. Productie van insuline in Denemarken

Novo Nordisk, een Deens farmaceutisch bedrijf, is wereldleider in de productie van insuline. Het bedrijf heeft met succes zijn fermentatieprocessen opgeschaald voor de productie van recombinante insuline in Saccharomyces cerevisiae. De sleutel tot hun succes is de implementatie van geavanceerde procescontrolestrategieën en het gebruik van bioreactoren voor eenmalig gebruik. Ze gebruiken ook geavanceerde downstream processing-technieken om de insuline te zuiveren om te voldoen aan strenge wettelijke vereisten wereldwijd.

2. Productie van biobrandstoffen in Brazilië

Brazilië is wereldleider in de productie van ethanol uit suikerriet. Braziliaanse bedrijven hebben zeer efficiënte fermentatieprocessen ontwikkeld voor de productie van ethanol, dat als biobrandstof wordt gebruikt. De opschaling van deze processen omvatte het optimaliseren van de giststammen die voor fermentatie werden gebruikt, het verbeteren van de efficiëntie van het fermentatieproces en het ontwikkelen van robuuste downstream processing-technieken. Continue fermentatie wordt vaak gebruikt.

3. Productie van antibiotica in India

India is een belangrijke producent van antibiotica. Indiase farmaceutische bedrijven hebben hun fermentatieprocessen met succes opgeschaald voor de productie van verschillende antibiotica, waaronder penicilline en cefalosporinen. Dit omvatte het optimaliseren van de fermentatieomstandigheden, het verbeteren van de efficiëntie van het fermentatieproces en het ontwikkelen van robuuste downstream processing-technieken. Ze hebben zich ook gericht op kosteneffectieve productiestrategieën om te concurreren op de wereldmarkt.

4. Productie van industriële enzymen in China

China is een belangrijke producent van industriële enzymen. Chinese bedrijven hebben hun fermentatieprocessen opgeschaald voor de productie van verschillende enzymen, waaronder amylasen, proteasen en lipasen. Deze enzymen worden gebruikt in een breed scala aan industrieën, waaronder voedsel en drank, textiel en wasmiddelen. Efficiënte grootschalige fermentatie met genetisch gemodificeerde organismen (GGO's) is gemeenschappelijke praktijk. Uitdagingen zijn onder meer het omgaan met de diversiteit aan grondstoffen en het handhaven van kwaliteitscontrole.

De Toekomst van Fermentatie Opschaling

Het gebied van fermentatie-opschaling evolueert continu, met nieuwe technologieën en strategieën die worden ontwikkeld om de procesprestaties te verbeteren en de kosten te verlagen. Enkele van de belangrijkste trends in fermentatie-opschaling zijn:

Conclusie

Fermentatie-opschaling is een complex en uitdagend proces, maar het is essentieel voor het commercialiseren van biotechnologische innovaties. Door de belangrijkste principes van fermentatie-opschaling te begrijpen, de uitdagingen aan te pakken, de beschikbare technologieën te benutten en een goed geplande strategie te implementeren, kunnen bedrijven hun fermentatieprocessen met succes opschalen en een concurrentievoordeel behalen op de wereldmarkt. Continue innovatie en een focus op duurzaamheid zullen cruciaal zijn voor de toekomst van fermentatietechnologie wereldwijd.