Oppskalering av fermentering: En omfattende guide for global bioteknologisk utvikling

Fermentering, en metabolsk prosess som omdanner sukker til syrer, gasser eller alkohol, er en hjørnestein i ulike bransjer, inkludert mat og drikke, legemidler, biodrivstoff og industrielle enzymer. Å skalere opp fermenteringsprosesser, overgangen fra laboratorieskala til industriell produksjon, byr på betydelige utfordringer og krever en dyp forståelse av bioprosesstekniske prinsipper. Denne guiden gir en omfattende oversikt over oppskalering av fermentering, og dekker sentrale konsepter, utfordringer, teknologier og strategier for vellykket bioprosessoptimalisering i ulike bransjer verden over.

Hvorfor er oppskalering av fermentering viktig?

Evnen til å effektivt skalere opp fermenteringsprosesser er avgjørende for å kommersialisere bioteknologiske innovasjoner. Selv om lovende resultater kan oppnås i laboratorieskala, krever overføringen av disse resultatene til storskala produksjon nøye vurdering av ulike faktorer, inkludert:

Opprettholde prosessytelse: Sikre at ønsket produktutbytte, kvalitet og produktivitet opprettholdes når skalaen øker.
Kostnadseffektivitet: Optimalisere prosessen for å minimere produksjonskostnader og maksimere lønnsomheten.
Regulatorisk etterlevelse: Møte de strenge regulatoriske kravene for produktsikkerhet og effekt i ulike globale markeder.
Møte markedets etterspørsel: Produsere tilstrekkelige mengder av produktet for å tilfredsstille markedets etterspørsel.

Å lykkes med å navigere kompleksiteten ved oppskalering av fermentering er avgjørende for selskaper som ønsker å kommersialisere sine bioteknologiske produkter og oppnå et konkurransefortrinn på det globale markedet. For eksempel må et legemiddelselskap som utvikler et nytt antibiotikum gjennom mikrobiell fermentering, sikre at fermenteringsprosessen kan skaleres opp for å produsere legemiddelet i tilstrekkelige mengder for å dekke behovene til pasienter over hele verden. På samme måte må et biodrivstoffselskap som har som mål å produsere etanol fra lignocelluloseholdig biomasse, optimalisere fermenteringsprosessen for storskala produksjon for å gjøre biodrivstoff til et levedyktig alternativ til fossilt brensel.

Nøkkelprinsipper for oppskalering av fermentering

Vellykket oppskalering av fermentering er avhengig av flere grunnleggende prinsipper innen bioprosessteknikk. Å forstå og anvende disse prinsippene er avgjørende for å oppnå optimal prosessytelse i industriell skala.

1. Opprettholde konstant volumetrisk masseoverføringskoeffisient (kLa)

Oksygenoverføring er ofte en begrensende faktor i aerobe fermenteringsprosesser. Den volumetriske masseoverføringskoeffisienten (kLa) er en avgjørende parameter som beskriver hastigheten oksygen overføres med fra gassfasen til væskefasen i en bioreaktor. Å opprettholde en konstant kLa under oppskalering er avgjørende for å sikre at cellene får tilstrekkelig oksygen for vekst og produktdannelse. Dette kan oppnås ved å justere parametere som rørehastighet, luftehastighet og bioreaktorgeometri.

For eksempel, i produksjonen av sitronsyre med Aspergillus niger, kan oksygenbegrensning redusere utbyttet av sitronsyre betydelig. Å opprettholde en tilstrekkelig kLa gjennom hele fermenteringsprosessen er avgjørende for å maksimere sitronsyreproduksjonen. Ulike strategier, som å bruke oksygenberiket luft eller optimalisere impellerdesignet, kan brukes for å forbedre oksygenoverføringen.

2. Opprettholde konstant blandingstid

Effektiv blanding er avgjørende for å sikre homogenitet i bioreaktoren, forhindre substrat- eller næringsstoffbegrensninger og for å lede bort varme. Å opprettholde en konstant blandingstid under oppskalering er viktig for å sikre at cellene opplever et jevnt miljø og at gradienter av næringsstoffer, pH og temperatur minimeres. Blandingstiden kan påvirkes av faktorer som impellerdesign, impellerhastighet og bioreaktorgeometri.

Tenk på produksjon av rekombinante proteiner i pattedyr-cellekultur. Pattedyrsceller er skjærfølsomme, og overdreven røring kan skade cellene og redusere proteinutbyttet. Imidlertid kan utilstrekkelig blanding føre til næringsbegrensninger og celleklumping. Å optimalisere blandingstiden for å balansere disse motstridende faktorene er avgjørende for vellykket oppskalering.

3. Opprettholde konstant skjærhastighet

Skjærhastighet, hastigheten som tilstøtende væskelag beveger seg i forhold til hverandre, kan ha en betydelig innvirkning på cellelevedyktighet og produktkvalitet, spesielt for skjærfølsomme celler som pattedyrsceller og planteceller. Å opprettholde en konstant skjærhastighet under oppskalering er viktig for å minimere celleskade og sikre jevn produktkvalitet. Skjærhastigheten kan kontrolleres ved å justere parametere som impellerhastighet og impellerdesign.

For eksempel, i produksjonen av monoklonale antistoffer i CHO-celler, kan overdreven skjærspenning føre til cellelyse og frigjøring av intracellulære proteaser, som kan bryte ned antistoffene. Å bruke impellere med lav skjærkraft og optimalisere rørehastigheten kan bidra til å minimere skjærspenning og forbedre antistoffproduksjonen.

4. Opprettholde konstant effektinngang per volumenhet (P/V)

Effektinngangen per volumenhet (P/V) er et mål på energien som tilføres bioreaktoren for blanding og lufting. Å opprettholde en konstant P/V under oppskalering kan bidra til å sikre at blande- og oksygenoverføringsegenskapene til bioreaktoren er like på forskjellige skalaer. Det er imidlertid viktig å merke seg at P/V ikke er den eneste faktoren som påvirker blanding og oksygenoverføring, og andre parametere som impellerdesign og bioreaktorgeometri bør også vurderes.

I mange bakterielle fermenteringer kan en høyere P/V være akseptabel på grunn av den mer robuste naturen til bakterieceller sammenlignet med pattedyrsceller. Men selv i bakterielle fermenteringer kan overdreven P/V føre til økt energiforbruk og potensielt til celleskade i noen tilfeller. Optimalisering av P/V i forbindelse med andre parametere er derfor avgjørende.

5. Geometrisk likhet

Å opprettholde geometrisk likhet under oppskalering betyr at forholdene mellom bioreaktordimensjonene (f.eks. diameter, høyde, impellerdiameter) forblir konstante. Dette kan bidra til å sikre at strømningsmønstrene og blandingsegenskapene til bioreaktoren er like på forskjellige skalaer. Det er imidlertid ofte ikke mulig å opprettholde perfekt geometrisk likhet på grunn av praktiske begrensninger som kostnad og plass. Videre garanterer ikke perfekt geometrisk likhet identisk ytelse fordi fluiddynamikk ikke utelukkende bestemmes av geometri.

For eksempel kan geometrisk like bioreaktorer ha forskjellige forhold mellom overflateareal og volum, noe som kan påvirke varmeoverføring og fordampningshastigheter. Computational Fluid Dynamics (CFD)-modellering kan brukes til å vurdere virkningen av avvik fra geometrisk likhet på bioreaktorytelsen.

Utfordringer ved oppskalering av fermentering

Oppskalering av fermenteringsprosesser byr på en rekke utfordringer, som krever nøye vurdering av ulike faktorer som kan påvirke prosessytelsen.

1. Begrensninger i oksygenoverføring

Når skalaen til bioreaktoren øker, blir det vanskeligere å opprettholde tilstrekkelig oksygenoverføring til cellene. Dette er fordi forholdet mellom overflateareal og volum reduseres, og diffusjonsveien for oksygen øker. Oksygenbegrensning kan føre til redusert cellevekst, produktdannelse og til og med celledød.

Løsninger:

Øke luftehastigheten.
Øke rørehastigheten.
Bruke oksygenberiket luft eller rent oksygen.
Optimalisere impellerdesignet.
Bruke en bioreaktor med et større forhold mellom overflateareal og volum.
Implementere strategier som bruk av mikrobobler eller membranlufting.

2. Varmefjerning

Fermenteringsprosesser genererer varme på grunn av metabolsk aktivitet og røring. Når skalaen til bioreaktoren øker, blir det vanskeligere å fjerne denne varmen, noe som kan føre til økt temperatur og redusert cellevekst og produktdannelse. Å opprettholde optimal temperatur er avgjørende for enzymaktivitet og generell cellehelse.

Løsninger:

Bruke en bioreaktor med kjølekappe eller interne kjølespiraler.
Øke strømningshastigheten til kjølevæsken.
Bruke et mer effektivt kjølesystem.
Optimalisere fermenteringsprosessen for å redusere varmegenerering.
Vurdere evaporativ kjøling hvis det er hensiktsmessig (og hvis tap av flyktige produkter ikke er et problem).

3. Inhomogen blanding

Når skalaen til bioreaktoren øker, blir det vanskeligere å opprettholde jevn blanding i hele beholderen. Dette kan føre til gradienter av næringsstoffer, pH og temperatur, noe som kan påvirke cellevekst og produktdannelse negativt. Dødsoner eller dårlig blandede regioner kan også fremme opphopning av giftige biprodukter.

Løsninger:

Optimalisere impellerdesignet.
Øke rørehastigheten.
Bruke flere impellere.
Optimalisere bioreaktorgeometrien.
Bruke CFD-modellering for å forstå og optimalisere blandingsmønstre.

4. pH-kontroll

Å opprettholde optimal pH er avgjørende for cellevekst og produktdannelse. Når skalaen til bioreaktoren øker, blir det vanskeligere å opprettholde jevn pH i hele beholderen. Dette kan føre til pH-gradienter, som kan påvirke cellevekst og produktdannelse negativt. Metabolske biprodukter kan endre pH betydelig, noe som krever tett kontroll.

Løsninger:

Bruke et pH-kontrollsystem med tilsetning av syre og base.
Optimalisere plasseringen av pH-sonden og tilsetningspunktene for syre/base.
Bruke en buffer for å bidra til å opprettholde en stabil pH.
Vurdere å bruke et online pH-overvåkings- og kontrollsystem.

5. Skumkontroll

Skumdannelse er et vanlig problem i fermenteringsprosesser, spesielt de som involverer proteiner eller overflateaktive stoffer. Skum kan føre til redusert arbeidsvolum, kontaminering og tilstopping av sensorer og filtre. Det hindrer også oksygenoverføring.

Løsninger:

Tilsette antiskummidler.
Optimalisere røre- og luftehastighetene.
Bruke en mekanisk skumknuser.
Vurdere å bruke en skumsensor for automatisk tilsetning av antiskummidler.

6. Endringer i morfologi eller fysiologi

Cellene kan vise endret morfologi eller fysiologi når skalaen øker. Skjærspenning eller andre endringer i bioreaktormiljøet kan føre til at celler produserer forskjellige proteiner eller har forskjellige vekstrater. Disse endringene kan påvirke produktutbytte og kvalitet. Dette er spesielt utbredt i filamentøse organismer eller aggregerte cellekulturer.

Løsninger:

Nøye overvåke cellulær morfologi og fysiologi under oppskalering.
Justere fermenteringsparametrene (f.eks. temperatur, pH, næringsnivåer) for å opprettholde optimal cellevekst og produktdannelse.
Vurdere å bruke en podekulturkjede for å tilpasse cellene gradvis til det større skalamiljøet.
Bruke prosessanalytisk teknologi (PAT) for å overvåke kritiske prosessparametere i sanntid.

7. Opprettholde sterilitet

Å opprettholde sterilitet er avgjørende for å forhindre kontaminering og sikre produktkvalitet. Når skalaen til bioreaktoren øker, blir det vanskeligere å opprettholde sterilitet på grunn av økt overflateareal og økt antall tilkoblinger og prøvetakingspunkter.

Løsninger:

Bruke validerte steriliseringsprosedyrer for alt utstyr og medier.
Implementere strenge aseptiske teknikker under drift.
Bruke sterile filtre for luft- og gass-strømmer.
Overvåke bioreaktoren for kontaminering regelmessig.
Sikre riktig tetting av alle tilkoblinger og porter.

Teknologier for oppskalering av fermentering

Flere teknologier er tilgjengelige for å hjelpe til med oppskalering og optimalisering av fermentering. Disse teknologiene kan bidra til å overvinne utfordringene knyttet til oppskalering av fermenteringsprosesser og forbedre prosessytelsen.

1. Computational Fluid Dynamics (CFD)

CFD er et kraftig verktøy for å simulere væskestrøm, varmeoverføring og masseoverføring i bioreaktorer. CFD kan brukes til å optimalisere bioreaktordesign, forutsi blandingsmønstre og identifisere dødsoner. CFD-modellering kan bidra til å forutsi forhold i større skalaer basert på småskalaeksperimenter, noe som reduserer antall kostbare pilotkjøringer som kreves.

Eksempel: CFD kan brukes til å optimalisere impellerdesign og plassering i en storskala bioreaktor for å sikre jevn blanding og oksygenoverføring. Det kan også identifisere områder der skjærspenningen er høy, slik at ingeniører kan justere designet for å minimere celleskade.

2. Prosessanalytisk teknologi (PAT)

PAT er et system for å designe, analysere og kontrollere produksjon gjennom rettidige målinger (dvs. under prosessering) av kritiske kvalitetsattributter og ytelsesattributter for råmaterialer, mellomprodukter og prosesser, med det formål å sikre sluttproduktets kvalitet. PAT-verktøy inkluderer sensorer for overvåking av pH, temperatur, oppløst oksygen, celletetthet og næringsnivåer. Sanntids datainnsamling muliggjør umiddelbare justeringer av fermenteringsprosessen, noe som fører til økt effektivitet og reproduserbarhet.

Eksempel: Bruk av et online nær-infrarødt (NIR) spektrometer for å overvåke glukosenivåer i fermenteringsbuljongen muliggjør sanntidsjusteringer av fôringshastigheten, noe som forhindrer glukosebegrensning eller overfôring, som begge kan påvirke produktutbyttet negativt.

3. Statistisk forsøksplanlegging (DoE)

DoE er en systematisk tilnærming for å planlegge og gjennomføre eksperimenter for å identifisere de optimale driftsforholdene for en prosess. DoE kan brukes til å optimalisere fermenteringsparametere som temperatur, pH, næringsnivåer og luftehastighet. DoE er en mye mer effektiv tilnærming enn tradisjonell "én-faktor-om-gangen"-eksperimentering.

Eksempel: Bruk av DoE for å optimalisere konsentrasjonene av forskjellige næringsstoffer i fermenteringsmediet kan forbedre produktutbyttet betydelig. Den statistiske tilnærmingen gjør det mulig å identifisere interaksjoner mellom næringsstoffer som kanskje ikke er tydelige gjennom tradisjonell eksperimentering.

4. Avanserte bioreaktordesign

Flere avanserte bioreaktordesign er utviklet for å forbedre prosessytelsen. Disse inkluderer:

Airlift-bioreaktorer: Disse bioreaktorene bruker luft for å gi blanding og oksygenoverføring. De er spesielt nyttige for skjærfølsomme celler.
Membranbioreaktorer: Disse bioreaktorene bruker membraner for å skille celler fra fermenteringsbuljongen, noe som gir høy celletetthet og kontinuerlig produktfjerning.
Wave-bioreaktorer: Disse bioreaktorene bruker en vuggende bevegelse for å gi blanding og lufting. De er spesielt nyttige for cellekulturapplikasjoner.
Engangsbioreaktorer: Disse bioreaktorene er forhåndssteriliserte og engangsbruk, noe som eliminerer behovet for rengjøring og sterilisering, og reduserer risikoen for kontaminering.

Eksempel: Engangsbioreaktorer brukes i økende grad i den biofarmasøytiske industrien for produksjon av monoklonale antistoffer. Disse bioreaktorene gir flere fordeler, inkludert reduserte kapitalinvesteringer, raskere behandlingstider og lavere risiko for kontaminering.

5. Nedskaleringsmodeller

Nedskaleringsmodeller er småskala bioreaktorer som er designet for å etterligne forholdene i en storskala bioreaktor. Nedskaleringsmodeller kan brukes til å studere effekten av forskjellige prosessparametere på cellevekst og produktdannelse, uten behov for å gjennomføre eksperimenter i storskala bioreaktoren. Dette sparer tid og ressurser.

Eksempel: En nedskaleringsmodell kan brukes til å simulere oksygenoverføringsbegrensningene i en storskala bioreaktor. Ved å studere effekten av oksygenbegrensning på cellevekst og produktdannelse i nedskaleringsmodellen, kan ingeniører utvikle strategier for å overvinne disse begrensningene i storskala bioreaktoren.

Strategier for vellykket oppskalering av fermentering

Vellykket oppskalering av fermentering krever en godt planlagt og utført strategi som adresserer utfordringene og utnytter de tilgjengelige teknologiene.

1. Grundig prosessforståelse

En dyp forståelse av fermenteringsprosessen er avgjørende for vellykket oppskalering. Dette inkluderer forståelse av de metabolske banene som er involvert, de optimale vekstforholdene for cellene, og de kritiske prosessparametrene som påvirker produktutbytte og kvalitet. Å forstå potensielle hemmende faktorer er også kritisk. Et solid fundament bygget på godt karakteriserte småskalaeksperimenter er avgjørende.

2. Utvikle en robust podekulturkjede

En robust podekulturkjede er avgjørende for å sikre at cellene er sunne og aktivt voksende når de overføres til storskala bioreaktoren. Podekulturkjeden bør utformes for gradvis å tilpasse cellene til det større skalamiljøet. Dette innebærer ofte å starte med et lite inokulum i en ristekolbe og gradvis øke volumet av inokulumet gjennom en serie med stadig større bioreaktorer.

3. Implementere en fasetilpasset tilnærming

En fasetilpasset tilnærming betyr at nivået av strenghet og dokumentasjon skal stå i forhold til utviklingsstadiet. Tidligfase prosessutvikling kan fokusere på å identifisere de optimale fermenteringsparametrene, mens senfase prosessutvikling bør fokusere på å optimalisere og validere prosessen for å sikre jevn produktkvalitet og reproduserbarhet.

4. Gjennomføre pilot-skala studier

Pilot-skala studier er et viktig skritt i oppskaleringsprosessen. Pilot-skala studier lar deg teste fermenteringsprosessen i en bioreaktor som er nærmere i størrelse til storskala bioreaktoren. Dette lar deg identifisere potensielle problemer og optimalisere prosessen før du går over til fullskala produksjon. Pilot-skala studier kan avdekke problemer med blanding, varmeoverføring eller pH-kontroll som ikke var synlige i mindre skala.

5. Overvåke kritiske prosessparametere

Kontinuerlig overvåking av kritiske prosessparametere (CPP-er) er avgjørende for å sikre jevn produktkvalitet og reproduserbarhet. CPP-er inkluderer temperatur, pH, oppløst oksygen, celletetthet og næringsnivåer. Sanntidsovervåking muliggjør umiddelbare justeringer av fermenteringsprosessen, og forhindrer avvik fra de optimale driftsforholdene.

6. Implementere prosesskontrollstrategier

Prosesskontrollstrategier er avgjørende for å opprettholde fermenteringsprosessen innenfor det ønskede driftsområdet. Dette inkluderer implementering av tilbakekoblingssløyfer for automatisk å justere parametere som temperatur, pH og oppløst oksygen. Avanserte kontrollstrategier, som modellprediktiv regulering (MPC), kan brukes til å optimalisere fermenteringsprosessen i sanntid.

7. Utvikle en grundig rengjørings- og steriliseringsprotokoll

En grundig rengjørings- og steriliseringsprotokoll er avgjørende for å forhindre kontaminering og sikre produktkvalitet. Protokollen bør inneholde detaljerte prosedyrer for rengjøring og sterilisering av alt utstyr og medier. Effektiviteten av rengjørings- og steriliseringsprotokollen bør valideres for å sikre at den er i stand til å fjerne alle forurensninger.

8. Dokumentasjon og sporbarhet

Detaljert dokumentasjon er avgjørende for å demonstrere at fermenteringsprosessen er velkontrollert og at produktet oppfyller alle kvalitetskrav. Dette inkluderer dokumentasjon av alle prosessparametere, råmaterialer og analytiske resultater. En omfattende revisjonsspor bør opprettholdes for å sikre sporbarhet av alle data.

Globale casestudier i oppskalering av fermentering

Å undersøke vellykkede historier om oppskalering av fermentering fra hele verden gir verdifull innsikt og lærdom.

1. Produksjon av insulin i Danmark

Novo Nordisk, et dansk legemiddelselskap, er en global leder innen produksjon av insulin. Selskapet har med hell skalert opp sine fermenteringsprosesser for produksjon av rekombinant insulin i Saccharomyces cerevisiae. Nøkkelen til deres suksess har vært implementering av avanserte prosesskontrollstrategier og bruk av engangsbioreaktorer. De bruker også avanserte nedstrøms prosessteknikker for å rense insulinet for å møte strenge regulatoriske krav over hele verden.

2. Produksjon av biodrivstoff i Brasil

Brasil er verdensledende innen produksjon av etanol fra sukkerrør. Brasilianske selskaper har utviklet svært effektive fermenteringsprosesser for produksjon av etanol, som brukes som biodrivstoff. Oppskaleringen av disse prosessene har involvert optimalisering av gjærstammene som brukes til fermentering, forbedring av effektiviteten i fermenteringsprosessen og utvikling av robuste nedstrøms prosessteknikker. Kontinuerlig fermentering er vanlig i bruk.

3. Produksjon av antibiotika i India

India er en stor produsent av antibiotika. Indiske legemiddelselskaper har med hell skalert opp sine fermenteringsprosesser for produksjon av ulike antibiotika, inkludert penicillin og cefalosporiner. Dette har involvert optimalisering av fermenteringsforholdene, forbedring av effektiviteten i fermenteringsprosessen og utvikling av robuste nedstrøms prosessteknikker. De har også fokusert på kostnadseffektive produksjonsstrategier for å konkurrere på det globale markedet.

4. Produksjon av industrielle enzymer i Kina

Kina er en betydelig produsent av industrielle enzymer. Kinesiske selskaper har skalert opp sine fermenteringsprosesser for produksjon av ulike enzymer, inkludert amylaser, proteaser og lipaser. Disse enzymene brukes i et bredt spekter av bransjer, inkludert mat og drikke, tekstiler og vaskemidler. Effektiv storskala fermentering ved bruk av genmodifiserte organismer (GMO-er) er vanlig praksis. Utfordringer inkluderer å håndtere mangfoldet av råvarer og opprettholde kvalitetskontroll.

Fremtiden for oppskalering av fermentering

Feltet for oppskalering av fermentering er i stadig utvikling, med nye teknologier og strategier som utvikles for å forbedre prosessytelsen og redusere kostnadene. Noen av de viktigste trendene innen oppskalering av fermentering inkluderer:

Økt bruk av automatisering og robotikk: Automatisering og robotikk kan bidra til å forbedre effektiviteten og reproduserbarheten til fermenteringsprosesser.
Utvikling av mer effektive bioreaktordesign: Nye bioreaktordesign utvikles for å forbedre blanding, oksygenoverføring og varmeoverføring.
Økt bruk av prosessanalytisk teknologi (PAT): PAT kan bidra til å overvåke kritiske prosessparametere i sanntid, noe som muliggjør umiddelbare justeringer av fermenteringsprosessen.
Integrering av dataanalyse og kunstig intelligens (AI): Dataanalyse og AI kan brukes til å optimalisere fermenteringsprosesser og forutsi prosessytelse.
Fokus på bærekraft: Selskaper fokuserer i økende grad på å utvikle bærekraftige fermenteringsprosesser som minimerer avfall og energiforbruk.

Konklusjon

Oppskalering av fermentering er en kompleks og utfordrende prosess, men den er avgjørende for å kommersialisere bioteknologiske innovasjoner. Ved å forstå nøkkelprinsippene for oppskalering av fermentering, adressere utfordringene, utnytte de tilgjengelige teknologiene og implementere en godt planlagt strategi, kan selskaper med hell skalere opp sine fermenteringsprosesser og oppnå et konkurransefortrinn på det globale markedet. Kontinuerlig innovasjon og fokus på bærekraft vil være avgjørende for fremtiden for fermenteringsteknologi over hele verden.