Oppskalering: En omfattende guide til kommersiell fermentering

Fermentering er en hjørnestein i en rekke bransjer, fra mat og drikke til legemidler og biodrivstoff. Selv om vellykket fermentering i laboratorieskala er en betydelig prestasjon, krever det å overføre denne suksessen til kommersiell produksjon nøye planlegging, utførelse og optimalisering. Denne guiden gir en omfattende oversikt over de viktigste hensynene og beste praksis for oppskalering av kommersielle fermenteringsprosesser.

Hvorfor er oppskalering av fermentering utfordrende?

Å skalere opp en fermenteringsprosess handler ikke bare om å øke volumet. Flere faktorer som er enkle å kontrollere i liten skala, blir betydelig mer komplekse etter hvert som prosessen vokser. Disse inkluderer:

• Varmeoverføring: Å opprettholde optimal temperatur er avgjørende for mikrobiell vekst og produktdannelse. Større bioreaktorer har et mindre forhold mellom overflateareal og volum, noe som gjør varmefjerning mer utfordrende. Utilstrekkelig kjøling kan føre til overoppheting og celledød, mens overdreven kjøling kan bremse fermenteringsprosessen.
• Masseoverføring: Oksygenoverføring er ofte en begrensende faktor i aerobe fermenteringer. Etter hvert som kulturtettheten øker, stiger oksygenbehovet. Å sikre tilstrekkelig oksygentilførsel i hele bioreaktoren blir stadig vanskeligere i større skala. Blanding, innblåsing (sparging) og reaktordesign spiller avgjørende roller for effektiviteten av oksygenoverføringen.
• Blanding: Effektiv blanding er avgjørende for å opprettholde homogenitet, distribuere næringsstoffer og fjerne metabolske biprodukter. Dårlig blanding kan føre til gradienter i pH, temperatur og næringskonsentrasjon, noe som kan påvirke cellevekst og produktdannelse negativt. Type og konfigurasjon av impellere, design av ledeplater (baffles) og blandingshastighet må vurderes nøye.
• Skjærspenning: Overdreven skjærspenning fra impellere kan skade celler, spesielt de som er følsomme for skjærkrefter. Optimalisering av impellerdesign og blandingshastighet er avgjørende for å minimere skjærspenning samtidig som man opprettholder tilstrekkelig blanding. Noen celler (f.eks. filamentøse sopper) er mer utsatt for skjærskader enn andre.
• Sterilitet: Å opprettholde sterilitet er avgjørende i fermenteringsprosesser. Risikoen for kontaminering øker med størrelsen og kompleksiteten til bioreaktoren. Robuste steriliseringsprosedyrer, aseptiske teknikker og lukkede systemer er essensielt for å forhindre kontaminering og sikre produktkvalitet.
• pH-kontroll: Å opprettholde det optimale pH-området er kritisk for enzymaktivitet og cellelevedyktighet. Etter hvert som fermenteringen skrider frem, kan produksjonen av syrer eller baser forårsake betydelige pH-svingninger. Nøyaktig pH-kontroll krever sofistikerte overvåkings- og kontrollsystemer.
• Prosessovervåking og -kontroll: Effektiv overvåking og kontroll av kritiske prosessparametere (f.eks. temperatur, pH, oppløst oksygen, næringsnivåer) er avgjørende for jevn ytelse og produktkvalitet. Sanntidsovervåking og automatiserte kontrollsystemer er essensielt for storskala fermenteringer.
• Skalaavhengige metabolske endringer: Celler kan oppføre seg annerledes i storskala fermentorer sammenlignet med småskalakulturer. Faktorer som oksygentilgjengelighet, skjærspenning og næringsgradienter kan endre metabolske veier og påvirke produktutbytte og -kvalitet. Disse endringene må studeres nøye og håndteres under oppskalering.

Stadier i oppskalering av fermentering

Oppskaleringsprosessen involverer vanligvis flere stadier, hver med sine egne mål og utfordringer:

1. Utvikling av startkultur (podekultur)

Startkulturen fungerer som inokulum for produksjonsfermentoren. Det er avgjørende å utvikle en startkultur som er sunn, i aktiv vekst og fri for kontaminering. Dette innebærer vanligvis flere vekststadier, fra en kryopreservert lagerkultur og videre gjennom ristekolber, små bioreaktorer, og til slutt til en podefermentor. Startkulturen bør være fysiologisk lik de cellene man ønsker i produksjonsfermentoren.

Eksempel: Et farmasøytisk selskap som utvikler et nytt antibiotikum kan starte med en frossen lagerkultur av den produserende mikroorganismen. Denne kulturen vekkes til live i en ristekolbe, og overføres deretter til en liten (f.eks. 2L) bioreaktor. Biomassen fra denne bioreaktoren inokulerer deretter en større (f.eks. 50L) podefermentor, som gir inokulumet til produksjonsfermentoren.

2. Fermentering i pilotskala

Fermentering i pilotskala bygger bro mellom laboratoriet og industriell produksjon. Den lar deg teste og optimalisere fermenteringsprosessen under forhold som i større grad ligner på fullskala produksjonsmiljøet. Studier i pilotskala hjelper til med å identifisere potensielle oppskaleringsproblemer og finjustere driftsparametere. Disse eksperimentene involverer vanligvis bioreaktorer som varierer fra 50L til 500L.

Eksempel: Et biodrivstoffselskap kan bruke en 100L bioreaktor for å evaluere ytelsen til en ny genmodifisert gjærstamme for etanolproduksjon. De vil optimalisere parametere som temperatur, pH og tilførselshastigheter for næringsstoffer for å maksimere etanolutbytte og produktivitet.

3. Fermentering i produksjonsskala

Det siste stadiet er fermentering i produksjonsskala, der produktet produseres i store mengder for kommersielt salg. Bioreaktorer i produksjonsskala kan variere fra flere tusen liter til hundretusenvis av liter. Å opprettholde jevn ytelse og produktkvalitet på denne skalaen krever nøye oppmerksomhet på detaljer og robuste prosesskontrollsystemer.

Eksempel: Et bryggeri kan bruke en 10 000L fermentor for å produsere øl i kommersiell skala. De vil nøye overvåke temperatur, pH og nivåer av oppløst oksygen for å sikre jevn smak og kvalitet.

Viktige hensyn for oppskalering av fermentering

1. Bioreaktordesign

Bioreaktoren er hjertet i fermenteringsprosessen. Å velge riktig bioreaktordesign er avgjørende for vellykket oppskalering. Viktige hensyn inkluderer:

• Bioreaktortype: Ulike bioreaktortyper er egnet for forskjellige anvendelser. Røretankreaktorer er den vanligste typen, men andre alternativer inkluderer luftløftreaktorer, boblekolonnereaktorer og pakket-kolonne-reaktorer. Valget avhenger av de spesifikke kravene til fermenteringsprosessen, som type mikroorganisme, oksygenbehov og følsomhet for skjærspenning.
• Blandesystem: Blandesystemet må gi tilstrekkelig blanding for homogenitet, distribusjon av næringsstoffer og oksygenoverføring. Vanlige impellertyper inkluderer Rushton-turbiner, skråblad-turbiner og marinepropeller. Antall og konfigurasjon av impellere, design av ledeplater (baffles) og blandingshastighet må optimaliseres for den spesifikke bioreaktoren og fermenteringsprosessen.
• Innblåsingssystem (Sparging): Innblåsingssystemet introduserer luft eller oksygen i bioreaktoren. Typen og størrelsen på spargeren, gassflowraten og gassammensetningen må kontrolleres nøye for å optimalisere oksygenoverføring uten å forårsake overdreven skumdannelse eller celleskade.
• Varmeoverføringssystem: Varmeoverføringssystemet må holde bioreaktoren på optimal temperatur for cellevekst og produktdannelse. Dette innebærer vanligvis en reaktor med kappe (jacketed vessel) med sirkulerende kjøle- eller varmevæske. Varmeoverføringskapasiteten må være tilstrekkelig til å fjerne varmen som genereres av fermenteringsprosessen.
• Instrumentering og kontroll: Bioreaktoren må være utstyrt med sensorer og kontrollsystemer for å overvåke og regulere kritiske prosessparametere som temperatur, pH, oppløst oksygen og næringsnivåer. Automatiserte kontrollsystemer er essensielt for å opprettholde jevn ytelse og produktkvalitet.

2. Prosessoptimalisering

Prosessoptimalisering innebærer å identifisere og optimalisere de sentrale prosessparameterne som påvirker cellevekst, produktdannelse og produktkvalitet. Dette innebærer vanligvis en kombinasjon av eksperimentelle studier og matematisk modellering.

• Mediumoptimalisering: Fermenteringsmediet må inneholde alle næringsstoffene som kreves for cellevekst og produktdannelse. Optimalisering av mediesammensetningen kan forbedre produktutbyttet og produktiviteten betydelig. Dette kan innebære å variere konsentrasjonene av karbonkilder, nitrogenkilder, vitaminer og mineraler. Statistiske forsøksdesign, som responsoverflatemetodikk (RSM), kan brukes til å effektivt optimalisere mediesammensetningen.
• Temperaturoptimalisering: Den optimale temperaturen for cellevekst og produktdannelse avhenger av den spesifikke mikroorganismen. Temperaturen kan påvirke enzymaktivitet, membranfluiditet og proteinstabilitet. Den optimale temperaturen bør bestemmes eksperimentelt.
• pH-optimalisering: Det optimale pH-området for cellevekst og produktdannelse avhenger også av den spesifikke mikroorganismen. pH kan påvirke enzymaktivitet, cellemembranpermeabilitet og proteinløselighet. Nøyaktig pH-kontroll er essensielt for optimal fermenteringsytelse.
• Optimalisering av oppløst oksygen: Å opprettholde tilstrekkelige nivåer av oppløst oksygen er avgjørende for aerobe fermenteringer. Det optimale nivået av oppløst oksygen avhenger av mikroorganismens oksygenbehov og bioreaktorens oksygenoverføringskapasitet. Nivåene av oppløst oksygen kan kontrolleres ved å justere rørehastighet, luftehastighet og oksygenanrikning.
• Fôringsstrategier: For fed-batch og kontinuerlige fermenteringer må fôringshastigheten og -sammensetningen optimaliseres nøye for å maksimere produktutbytte og produktivitet. Tilbakekoblingskontrollstrategier kan brukes til å justere fôringshastigheten basert på sanntidsmålinger av glukosekonsentrasjon, pH eller oppløst oksygen.

3. Overvåking og kontroll

Effektiv overvåking og kontroll av kritiske prosessparametere er essensielt for jevn ytelse og produktkvalitet. Dette krever bruk av egnede sensorer, kontrollsystemer og dataanalyseteknikker.

• Sensorer: Det finnes ulike sensorer for overvåking av kritiske prosessparametere, inkludert temperatur, pH, oppløst oksygen, glukosekonsentrasjon, biomassekonsentrasjon og produktkonsentrasjon. Valget av sensor avhenger av den spesifikke parameteren som måles og kravene til fermenteringsprosessen.
• Kontrollsystemer: Automatiserte kontrollsystemer brukes til å regulere prosessparametere basert på tilbakemeldinger fra sensorer. Vanlige kontrollsystemer inkluderer PID-regulatorer (proporsjonal-integral-deriverende), som justerer de manipulerte variablene (f.eks. temperatur, pH, rørehastighet) for å opprettholde de ønskede setpunktene.
• Dataanalyse: Data samlet inn fra sensorer og kontrollsystemer kan analyseres for å identifisere trender, oppdage avvik og optimalisere prosessytelsen. Statistisk prosesskontroll (SPC)-teknikker kan brukes til å overvåke prosessvariabilitet og identifisere potensielle problemer før de påvirker produktkvaliteten.
• Prosessanalytisk teknologi (PAT): PAT er et rammeverk for å designe, analysere og kontrollere produksjonsprosesser gjennom tidsriktige målinger av kritiske kvalitetsattributter (CQA-er) og kritiske prosessparametere (CPP-er). PAT har som mål å forbedre prosessforståelsen, redusere variabilitet og forbedre produktkvaliteten.

4. Sikring av sterilitet

Å opprettholde sterilitet er avgjørende i fermenteringsprosesser. Kontaminering kan føre til at produktet blir ødelagt, redusert utbytte og til og med fullstendig prosessvikt. Implementering av robuste steriliseringsprosedyrer og aseptiske teknikker er essensielt.

• Sterilisering av utstyr: Alt utstyr som kommer i kontakt med fermenteringsvæsken, inkludert bioreaktoren, rør og sensorer, må steriliseres grundig før bruk. Dampsterilisering er den vanligste metoden, men andre alternativer inkluderer autoklavering, filtrering og kjemisk sterilisering.
• Sterilisering av medier: Fermenteringsmediet må også steriliseres for å eliminere eventuelle kontaminerende mikroorganismer. Dette gjøres vanligvis ved autoklavering eller filtersterilisering.
• Aseptiske teknikker: Alle operasjoner som innebærer å åpne bioreaktoren eller introdusere materialer i fermenteringsvæsken, må utføres ved hjelp av aseptiske teknikker. Dette inkluderer bruk av sterilt utstyr, bruk av sterile hansker og arbeid i et rent miljø.
• Luftfiltrering: Luft som kommer inn i bioreaktoren må filtreres gjennom sterile filtre for å fjerne eventuelle luftbårne mikroorganismer.
• Lukkede systemer: Bruk av lukkede systemer minimerer risikoen for kontaminering. Dette innebærer å koble alt utstyr og rør i en lukket sløyfe og unngå åpne overføringer av materialer.

5. Skumkontroll

Skumdannelse er et vanlig problem i fermenteringsprosesser, spesielt de som involverer proteiner eller overflateaktive stoffer. Overdreven skum kan føre til redusert oksygenoverføring, kontaminering og tap av produkt. Skum kan kontrolleres ved å tilsette antiskummidler eller ved å bruke mekaniske skumbrekkere.

• Antiskummidler: Antiskummidler er kjemikalier som reduserer overflatespenningen i fermenteringsvæsken og forhindrer skumdannelse. Vanlige antiskummidler inkluderer silikoner, vegetabilske oljer og fettsyrer. Valget av antiskummiddel avhenger av den spesifikke fermenteringsprosessen og mikroorganismens følsomhet.
• Mekaniske skumbrekkere: Mekaniske skumbrekkere bruker roterende blader eller andre enheter for å fysisk bryte opp skummet. Disse brukes ofte i kombinasjon med antiskummidler.

Strategier for vellykket oppskalering

1. Tilnærming med kvalitet gjennom design (QbD)

QbD er en systematisk tilnærming til utvikling som begynner med forhåndsdefinerte mål og legger vekt på produkt- og prosessforståelse samt prosesskontroll. Å anvende QbD-prinsipper på oppskalering av fermentering bidrar til å sikre jevn produktkvalitet og ytelse.

Sentrale elementer i QbD inkluderer:

• Definere kvalitetsprofilen for målproduktet (QTPP): QTPP beskriver de ønskede egenskapene til sluttproduktet, som renhet, styrke og stabilitet.
• Identifisere kritiske kvalitetsattributter (CQA-er): CQA-er er de fysiske, kjemiske, biologiske eller mikrobiologiske egenskapene som må kontrolleres for å sikre ønsket produktkvalitet.
• Identifisere kritiske prosessparametere (CPP-er): CPP-er er prosessparameterne som kan påvirke CQA-ene.
• Etablere et designrom: Designrommet er den flerdimensjonale kombinasjonen og interaksjonen av inngangsvariabler (f.eks. CPP-er) og prosessparametere som har vist seg å gi en forsikring om kvalitet. Å jobbe innenfor designrommet sikrer at produktet oppfyller de ønskede kvalitetsattributtene.
• Implementere en kontrollstrategi: Kontrollstrategien beskriver hvordan CPP-ene vil bli overvåket og kontrollert for å sikre at prosessen forblir innenfor designrommet og at produktet oppfyller de ønskede kvalitetsattributtene.

2. Beregningsbasert fluiddynamikk (CFD)

CFD er et kraftig verktøy for å simulere væskestrøm, varmeoverføring og masseoverføring i bioreaktorer. CFD-simuleringer kan brukes til å optimalisere bioreaktordesign, blandesystemer og innblåsingssystemer. De kan også bidra til å identifisere potensielle problemer som døde soner og områder med høy skjærspenning. CFD kan redusere antall dyre og tidkrevende eksperimenter i pilotskala som kreves for oppskalering.

3. Nedskaleringsmodeller

Nedskaleringsmodeller er småskala bioreaktorer som er designet for å etterligne forholdene i en storskala produksjonsbioreaktor. Nedskaleringsmodeller kan brukes til å studere effekten av ulike prosessparametere på cellevekst, produktdannelse og produktkvalitet. De kan også brukes til å feilsøke problemer som oppstår under oppskalering. Godt karakteriserte nedskaleringsmodeller kan gi verdifull innsikt og akselerere utviklingsprosessen.

4. Prosessmodellering og simulering

Prosessmodellering og simulering kan brukes til å forutsi oppførselen til fermenteringsprosessen i forskjellige skalaer og under forskjellige driftsforhold. Matematiske modeller kan utvikles basert på grunnleggende prinsipper for masseoverføring, varmeoverføring og reaksjonskinetikk. Disse modellene kan brukes til å optimalisere prosessparametere, designe kontrollstrategier og feilsøke problemer. Verktøy som MATLAB, gPROMS og Aspen Plus kan brukes til prosessmodellering og simulering.

Hensyn til nedstrømsprosessering

Oppskaleringshensyn strekker seg utover selve fermenteringsprosessen. Nedstrømsprosessering, som innebærer separering og rensing av produktet fra fermenteringsvæsken, må også skaleres opp. Valget av nedstrømsprosesseringsteknikker avhenger av produktets art, konsentrasjon og ønsket renhet. Vanlige nedstrømsprosesseringsteknikker inkluderer:

• Celleseparasjon: Fjerning av celler fra fermenteringsvæsken er ofte det første trinnet i nedstrømsprosessering. Dette kan gjøres ved sentrifugering, filtrering eller mikrofiltrering.
• Celleoppbrudd: Hvis produktet er intracellulært, må cellene brytes opp for å frigjøre produktet. Dette kan gjøres med mekaniske metoder (f.eks. homogenisering, kulemaling) eller kjemiske metoder (f.eks. enzymatisk lyse).
• Produktisolasjon: Produktet kan isoleres fra fermenteringsvæsken ved hjelp av en rekke teknikker, inkludert presipitering, ekstraksjon og adsorpsjon.
• Produktrensing: Produktet renses vanligvis ved hjelp av kromatografiske teknikker, som affinitetskromatografi, ionebytterkromatografi og størrelseseksklusjonskromatografi.
• Produktformulering: Det siste trinnet i nedstrømsprosessering er å formulere produktet til en stabil og brukbar form. Dette kan innebære å tilsette hjelpestoffer, stabilisatorer og konserveringsmidler.

Globale eksempler på vellykket oppskalering av fermentering

Flere bransjer rundt om i verden er sterkt avhengige av vellykket oppskalering av fermentering. Her er noen få eksempler:

• Farmasøytisk industri (Globalt): Produksjon av antibiotika, vaksiner og andre biofarmasøytiske produkter er avhengig av storskala fermentering av mikroorganismer eller cellekulturer. Selskaper som Pfizer, Roche og Novartis driver massive fermenteringsanlegg over hele verden.
• Mat- og drikkevareindustrien (Europa, Nord-Amerika, Asia): Produksjon av øl, vin, yoghurt, ost og andre fermenterte matvarer og drikkevarer er avhengig av kontrollerte fermenteringsprosesser. Selskaper som Anheuser-Busch InBev (Belgia), Danone (Frankrike) og Kirin Brewery (Japan) har perfeksjonert oppskalering av fermentering over mange år.
• Biodrivstoffindustrien (Brasil, USA): Etanolproduksjon fra sukkerrør (Brasil) og mais (USA) involverer storskala fermentering av sukker ved hjelp av gjær. Selskaper som Raizen (Brasil) og Archer Daniels Midland (USA) driver storskala biodrivstoffproduksjonsanlegg.
• Industriell bioteknologi (Danmark, Tyskland, Kina): Produksjon av enzymer, bioplast og andre biobaserte produkter er avhengig av fermentering av genmodifiserte mikroorganismer. Selskaper som Novozymes (Danmark), BASF (Tyskland) og Amyris (USA) er ledende på dette feltet.

Feilsøking av vanlige oppskaleringsproblemer

Til tross for nøye planlegging og utførelse kan det fortsatt oppstå problemer under oppskalering av fermentering. Her er noen vanlige problemer og mulige løsninger:

• Redusert produktutbytte: Dette kan skyldes endringer i metabolske veier, næringsbegrensninger eller akkumulering av hemmende biprodukter. Gjennomgå mediesammensetningen, optimaliser fôringsstrategier og sørg for tilstrekkelig oksygenoverføring.
• Økt kontamineringsrisiko: Dette kan skyldes utilstrekkelige steriliseringsprosedyrer eller brudd på aseptisk teknikk. Gjennomgå steriliseringsprotokoller, forbedre luftfiltrering og implementer strengere aseptiske prosedyrer.
• Overdreven skumdannelse: Dette kan skyldes endringer i mediesammensetning eller cellefysiologi. Optimaliser tilsetningen av antiskummiddel eller installer en mekanisk skumbrekker.
• Endringer i cellemorfologi: Dette kan skyldes endringer i skjærspenning eller næringsgradienter. Optimaliser impellerdesign, blandingshastighet og fôringsstrategier.
• Produktinstabilitet: Dette kan skyldes endringer i pH, temperatur eller tilstedeværelsen av nedbrytende enzymer. Optimaliser prosessparametere og tilsett stabilisatorer i mediet.

Fremtidige trender innen oppskalering av fermentering

Fermenteringsfeltet er i konstant utvikling. Noen av de viktigste trendene som former fremtiden for oppskalering av fermentering inkluderer:

• Kontinuerlig fermentering: Kontinuerlig fermentering gir flere fordeler fremfor batch-fermentering, inkludert høyere produktivitet, lavere driftskostnader og mer jevn produktkvalitet.
• Engangsbioreaktorer: Engangsbioreaktorer eliminerer behovet for rengjøring og sterilisering, reduserer risikoen for kontaminering og forenkler operasjoner.
• Avansert prosesskontroll: Avanserte prosesskontrollteknikker, som modellbasert prediktiv kontroll (MPC) og maskinlæring, brukes til å optimalisere fermenteringsprosesser i sanntid.
• Syntetisk biologi: Syntetisk biologi brukes til å designe mikroorganismer med forbedrede metabolske evner og produktiviteter.
• Mikrobielle samfunn: Utnyttelse av mikrobielle samfunn og konsortier kan låse opp nye metabolske veier og forbedre effektiviteten til bioprosesser.

Konklusjon

Oppskalering av kommersielle fermenteringsprosesser er et komplekst, men essensielt skritt for å bringe bioprodukter til markedet. Ved å nøye vurdere de sentrale faktorene som er diskutert i denne guiden, inkludert bioreaktordesign, prosessoptimalisering, overvåking og kontroll, sikring av sterilitet og skumkontroll, kan selskaper lykkes med å skalere opp sine fermenteringsprosesser og oppnå jevn produktkvalitet og ytelse. Å omfavne nye teknologier og metoder, som QbD, CFD, nedskaleringsmodeller og avansert prosesskontroll, vil ytterligere forbedre effektiviteten og robustheten til kommersielle fermenteringsoperasjoner over hele verden.