Kunsten å designe bioreaktorer: En omfattende guide

Bioreaktorer, også kjent som fermentorer, er hjertet i mange bioprosesser og skaper et kontrollert miljø for biologiske reaksjoner. Deres design er en tverrfaglig kunst som blander prinsipper fra kjemiteknikk, mikrobiologi, biokjemi og maskinteknikk. Denne guiden har som mål å gi en omfattende oversikt over hensyn ved bioreaktordesign, og retter seg mot et globalt publikum involvert i bioprosessteknikk, fra studenter til erfarne fagfolk.

Grunnleggende prinsipper for bioreaktordesign

I kjernen innebærer bioreaktordesign å skape et miljø som optimalt støtter veksten og den metabolske aktiviteten til mikroorganismer eller celler. Dette krever nøye vurdering av flere nøkkelfaktorer:

• Blanding: Sikre homogenitet av næringsstoffer, temperatur og pH i hele reaktoren.
• Lufting: Tilføre tilstrekkelig oksygen for aerobe organismer samtidig som karbondioksid fjernes.
• Temperaturkontroll: Opprettholde optimal temperatur for den biologiske reaksjonen.
• pH-kontroll: Regulere pH for å forhindre hemming eller celleskade.
• Sterilitet: Forhindre kontaminering fra uønskede mikroorganismer.

Grunnleggende komponenter i en bioreaktor

En typisk bioreaktor består av følgende komponenter:

• Beholder: Tanken som inneholder kulturen. Materialer som vanligvis brukes inkluderer rustfritt stål, glass og engangsplast.
• Agitasjonssystem: En impeller eller rører for å blande innholdet i reaktoren.
• Luftingssystem: En sparger for å introdusere luft eller oksygen i kulturen.
• Temperaturkontrollsystem: En kappe eller interne spoler for å opprettholde ønsket temperatur.
• pH-kontrollsystem: Sensorer og pumper for å tilsette syre eller base for å opprettholde ønsket pH.
• Sensorer og kontrollsystem: Overvåking og kontroll av nøkkelparametere som temperatur, pH, oppløst oksygen (DO) og biomassekonsentrasjon.
• Prøvetakingssystem: En metode for å ta ut prøver for analyse.

Typer bioreaktorer

Bioreaktorer finnes i en rekke design, hver egnet for ulike applikasjoner og organismer. Her er noen av de vanligste typene:

Røreverksbioreaktorer (STR-er)

Røreverksbioreaktorer er den mest brukte typen. De består av en sylindrisk beholder med en impeller som sørger for blanding. STR-er er allsidige og kan brukes til et bredt spekter av applikasjoner, fra mikrobiell fermentering til pattedyrscellekultur.

Fordeler:

• Godt blandet miljø
• God temperaturkontroll
• Relativt enkel å skalere opp

Ulemper:

• Høyt skjærstress kan skade sensitive celler
• Kan være vanskelig å rengjøre og sterilisere

Airlift-bioreaktorer

Airlift-bioreaktorer bruker luft til å blande og lufte kulturen. De er spesielt godt egnet for skjærsensitive celler, da de ikke har mekaniske impellere.

Fordeler:

• Lavt skjærstress
• Enkel design
• Bra for skjærsensitive celler

Ulemper:

• Mindre effektiv blanding enn STR-er
• Vanskelig å skalere opp

Boblekolonnebioreaktorer

Boblekolonnebioreaktorer ligner på airlift-bioreaktorer, men de har ikke et internt stigerør. Luft spres direkte inn i bunnen av kolonnen, noe som gir blanding og lufting.

Fordeler:

• Enkel design
• Lave kostnader

Ulemper:

• Dårlig blanding
• Vanskelig å kontrollere

Faste-seng-bioreaktorer (Packed Bed)

Faste-seng-bioreaktorer inneholder en solid matrise, som kuler eller fibre, som gir en overflate for celler å feste seg til. Næringsstoffer sirkuleres gjennom sengen og gir cellene de ressursene de trenger for å vokse.

Fordeler:

• Høy celletetthet
• Bra for immobiliserte celler

Ulemper:

• Vanskelig å skalere opp
• Kan være utsatt for tilstopping

Fluidisert-seng-bioreaktorer

Fluidisert-seng-bioreaktorer ligner på faste-seng-bioreaktorer, men den faste matrisen er suspendert i en væskestrøm. Dette gir bedre blanding og masseoverføring.

Fordeler:

• God blanding og masseoverføring
• Høy celletetthet

Ulemper:

• Kompleks design
• Kan være vanskelig å kontrollere

Fotobioreaktorer

Fotobioreaktorer er designet for dyrking av fotosyntetiske organismer, som alger og cyanobakterier. De er vanligvis gjennomsiktige for å la lys trenge inn i kulturen.

Fordeler:

• Effektiv lysutnyttelse
• Kontrollert miljø

Ulemper:

• Høye kostnader
• Vanskelig å skalere opp

Engangsbioreaktorer (SUB-er)

Engangsbioreaktorer er forhåndssteriliserte, disponible bioreaktorer som eliminerer behovet for rengjøring og sterilisering. De blir stadig mer populære innen biofarmasøytisk produksjon.

Fordeler:

• Reduserte kostnader for rengjøring og sterilisering
• Redusert risiko for kontaminering
• Raskere behandlingstid

Ulemper:

• Høyere kostnad per batch
• Miljøhensyn knyttet til plastavfall

Viktige designhensyn

Flere faktorer må vurderes når man designer en bioreaktor. Disse inkluderer:

Celletype

Typen celle som dyrkes vil ha en betydelig innvirkning på bioreaktordesignet. For eksempel krever skjærsensitive pattedyrsceller andre bioreaktordesign enn robuste bakterier.

• Mikrobiell fermentering: Krever vanligvis høy lufting og blanding for å støtte rask vekst. STR-er er ofte egnet.
• Pattedyrscellekultur: Krever mildere blanding og lufting for å unngå celleskade. Airlift-bioreaktorer eller modifiserte STR-er med lavskjær-impellere foretrekkes.
• Plantecellekultur: Krever spesifikke næringsformuleringer og kan dra nytte av spesialiserte bioreaktordesign som tåkebioreaktorer.
• Algekultur: Krever lysinntrengning og effektiv CO2-tilførsel. Fotobioreaktorer er spesielt designet for dette formålet.

Driftsskala

Driftsskalaen vil også påvirke bioreaktordesignet. Småskala bioreaktorer kan være enkle og rimelige, mens storskala bioreaktorer krever mer sofistikert ingeniørarbeid.

Blanding og lufting

Effektiv blanding og lufting er avgjørende for bioreaktorens ytelse. Blanding sikrer at næringsstoffer fordeles jevnt i hele kulturen, mens lufting gir oksygenet som trengs for cellevekst.

Blandingsstrategier:

• Impellerdesign: Rushton-turbiner, skråbladsturbiner og marine propeller er vanlig brukt. Valget avhenger av kulturens viskositet og ønsket blandingsintensitet.
• Baffeldesign: Baffler brukes for å forhindre virveldannelse og forbedre blandingseffektiviteten.
• Blandingshastighet: Blandingshastigheten må optimaliseres for å gi tilstrekkelig blanding uten å forårsake overdreven skjærstress.

Luftingsstrategier:

• Spargerdesign: Spargere introduserer luft eller oksygen i kulturen. Ulike spargerdesign, som porøse spargere eller dysespargere, kan brukes til å lage forskjellige boblestørrelser.
• Gassflowrate: Gassflowraten må optimaliseres for å gi tilstrekkelig oksygen uten å fjerne flyktige forbindelser.
• Oksygenanrikning: I noen tilfeller kan det være nødvendig å anrike luften med oksygen for å møte cellenes oksygenbehov.

Temperatur- og pH-kontroll

Å opprettholde optimal temperatur og pH er avgjørende for cellevekst og produktdannelse. Temperaturen kontrolleres vanligvis ved hjelp av en kappe eller interne spoler, mens pH kontrolleres ved å tilsette syre eller base.

Temperaturkontrollsystemer:

• Varme- og kjølekapper: Sirkulerer oppvarmet eller avkjølt vann rundt bioreaktorbeholderen.
• Interne spoler: Gir mer effektiv varmeoverføring enn kapper.
• PID-regulatorer: Brukes til å automatisk justere temperaturen basert på tilbakemelding fra en temperatursensor.

pH-kontrollsystemer:

• pH-sensorer: Måler pH-en i kulturen.
• Syre- og basepumper: Tilsetter syre eller base for å justere pH.
• PID-regulatorer: Brukes til å automatisk justere syre- og basetilsetningen basert på tilbakemelding fra en pH-sensor.

Sterilisering

Sterilisering er avgjørende for å forhindre kontaminering. Bioreaktorer steriliseres vanligvis ved autoklavering eller ved bruk av kjemiske steriliseringsmidler.

Steriliseringsmetoder:

• Autoklavering: Bruk av høytrykksdamp for å drepe mikroorganismer.
• Kjemisk sterilisering: Bruk av kjemiske steriliseringsmidler, som hydrogenperoksid eller pereddiksyre.
• Filtrering: Bruk av filtre for å fjerne mikroorganismer fra væsker og gasser.

Prosessovervåking og -kontroll

Avanserte strategier for prosessovervåking og -kontroll er avgjørende for å optimalisere bioreaktorens ytelse og sikre produktkvalitet. Disse strategiene innebærer bruk av sensorer, programvare og kontrollalgoritmer for å overvåke og justere nøkkelprosessparametere i sanntid.

Nøkkelparametere å overvåke:

• Temperatur
• pH
• Oppløst oksygen (DO)
• Biomassekonsentrasjon
• Næringsstoffkonsentrasjoner
• Produktkonsentrasjon
• Avgassanalyse (CO2, O2)

Kontrollstrategier:

• Tilbakekoblingskontroll: Justere prosessparametere basert på tilbakemelding fra sensorer.
• Foroverkoblingskontroll: Justere prosessparametere basert på forventede endringer i systemet.
• Modellbasert prediktiv kontroll (MPC): Bruke matematiske modeller for å forutsi systemets fremtidige atferd og optimalisere kontrollhandlinger.

Hensyn ved oppskalering

Å skalere opp en bioprosess fra laboratorieskala til industriell skala kan være utfordrende. Det er viktig å opprettholde lignende forhold i storskala bioreaktoren som i småskala bioreaktoren.

Oppskaleringsstrategier:

• Geometrisk likhet: Opprettholde de samme proporsjonene i storskala bioreaktoren som i småskala bioreaktoren.
• Konstant effekt per volum: Opprettholde samme effekt per volum i storskala bioreaktoren som i småskala bioreaktoren.
• Konstant tipphastighet: Opprettholde samme tipphastighet på impelleren i storskala bioreaktoren som i småskala bioreaktoren.
• Beregningsbasert fluiddynamikk (CFD): Bruke CFD til å modellere strømningsmønstrene i bioreaktoren og optimalisere designet.

Nye trender innen bioreaktordesign

Feltet for bioreaktordesign er i stadig utvikling, med nye teknologier og tilnærminger som utvikles for å forbedre bioprosessytelsen. Noen av de nye trendene inkluderer:

Kontinuerlig bioprosessering

Kontinuerlig bioprosessering innebærer kontinuerlig tilførsel av næringsstoffer og fjerning av produkt fra bioreaktoren. Dette kan føre til høyere produktivitet og lavere kostnader sammenlignet med batch-prosessering.

Prosessintensivering

Prosessintensivering innebærer å utvikle mer kompakte og effektive bioprosesser. Dette kan oppnås ved bruk av nye bioreaktordesign, som mikroreaktorer og membranbioreaktorer.

Automatisering av bioreaktorer

Automatisering av bioreaktorer innebærer bruk av roboter og andre automatiserte systemer for å kontrollere og overvåke bioreaktoren. Dette kan forbedre reproduserbarheten og redusere arbeidskostnadene.

Dataanalyse og maskinlæring

Dataanalyse og maskinlæring brukes til å analysere bioreaktordata og optimalisere prosessytelsen. Dette kan føre til forbedret produktkvalitet og høyere utbytter.

Bioreaktordesign for spesifikke applikasjoner: Globale eksempler

Bioreaktordesign er ikke en «én størrelse passer for alle»-tilnærming. Spesifikke applikasjoner krever skreddersydde design. Her er noen eksempler som viser global innovasjon:

• Produksjon av biotilsvarende legemidler (India): Indiske biofarmasøytiske selskaper investerer tungt i storskala STR-er i rustfritt stål med avanserte kontrollsystemer for å produsere rimelige biotilsvarende legemidler for det globale markedet. Designet legger vekt på kostnadseffektivitet og overholdelse av strenge regulatoriske krav.
• Algebasert biodrivstoff (Australia): Australske forskningsinstitusjoner er pionerer i bruken av åpne dammer og lukkede fotobioreaktorer for algedyrking for å produsere biodrivstoff. Designene fokuserer på å maksimere sollysopptak, CO2-utnyttelse og lipidproduksjon.
• Cellebasert kjøtt (Nederland): Nederlandske selskaper er i forkant av utviklingen av bioreaktorer for produksjon av dyrket kjøtt. Disse bioreaktorene, ofte perfusjonsbaserte systemer, må effektivt støtte pattedyrscellekultur med høy tetthet samtidig som kostnadene minimeres og produktsikkerheten sikres.
• Antibiotikaproduksjon (Kina): Kina er en stor produsent av antibiotika. Mange produsenter bruker storskala fermenteringsprosesser i STR-er for å produsere disse livsviktige medisinene. Optimalisering av disse bioreaktorene fokuserer på å maksimere antibiotikatiter og minimere biproduktdannelse.
• Produksjon av monoklonale antistoffer (Sveits): Sveitsiske farmasøytiske giganter er ledende innen produksjon av monoklonale antistoffer ved hjelp av pattedyrscellekultur. Deres bioreaktorer er typisk avanserte engangssystemer med sofistikerte kontrollsystemer og høy grad av automatisering for å sikre produktkonsistens og kvalitet.

Konklusjon

Bioreaktordesign er et komplekst og utfordrende felt, men det er også avgjørende for mange viktige bransjer, inkludert biofarmasi, mat og drikke, og biodrivstoff. Ved å forstå de grunnleggende prinsippene for bioreaktordesign og holde seg oppdatert på de nyeste trendene, kan ingeniører og forskere utvikle bioreaktorer som er mer effektive, pålitelige og kostnadseffektive.

Denne guiden har gitt en bred oversikt over kunsten å designe bioreaktorer. Videre utforskning av spesifikke bioreaktortyper, kontrollstrategier og oppskaleringsmetoder anbefales for de som søker en dypere forståelse av dette kritiske feltet.