Sztuka projektowania bioreaktorów: Kompleksowy przewodnik

Bioreaktory, znane również jako fermentory, stanowią serce wielu bioprocesów, zapewniając kontrolowane środowisko do przeprowadzania reakcji biologicznych. Ich projektowanie to multidyscyplinarna sztuka, łącząca zasady inżynierii chemicznej, mikrobiologii, biochemii i inżynierii mechanicznej. Niniejszy przewodnik ma na celu przedstawienie kompleksowego przeglądu zagadnień związanych z projektowaniem bioreaktorów, odpowiadając na potrzeby globalnej publiczności zajmującej się inżynierią bioprocesową, od studentów po doświadczonych profesjonalistów.

Podstawy projektowania bioreaktorów

W swej istocie projektowanie bioreaktorów polega na tworzeniu środowiska, które optymalnie wspiera wzrost i aktywność metaboliczną mikroorganizmów lub komórek. Wymaga to starannego rozważenia kilku kluczowych czynników:

• Mieszanie: Zapewnienie jednorodności składników odżywczych, temperatury i pH w całym reaktorze.
• Napowietrzanie: Dostarczanie wystarczającej ilości tlenu dla organizmów tlenowych przy jednoczesnym usuwaniu dwutlenku węgla.
• Kontrola temperatury: Utrzymywanie optymalnej temperatury dla reakcji biologicznej.
• Kontrola pH: Regulowanie pH w celu zapobiegania inhibicji lub uszkodzeniu komórek.
• Jałowość: Zapobieganie zanieczyszczeniu przez niepożądane mikroorganizmy.

Podstawowe komponenty bioreaktora

Typowy bioreaktor składa się z następujących komponentów:

• Zbiornik: Pojemnik, w którym znajduje się hodowla. Powszechnie stosowane materiały to stal nierdzewna, szkło i tworzywa sztuczne jednorazowego użytku.
• System mieszania: Mieszadło wirnikowe lub mieszalnik do mieszania zawartości reaktora.
• System napowietrzania: Barbotaż do wprowadzania powietrza lub tlenu do hodowli.
• System kontroli temperatury: Płaszcz lub wężownice wewnętrzne do utrzymywania pożądanej temperatury.
• System kontroli pH: Czujniki i pompy do dodawania kwasu lub zasady w celu utrzymania pożądanego pH.
• Czujniki i system sterowania: Monitorowanie i kontrolowanie kluczowych parametrów, takich jak temperatura, pH, tlen rozpuszczony (DO) i stężenie biomasy.
• System pobierania próbek: Sposób na pobieranie próbek do analizy.

Rodzaje bioreaktorów

Bioreaktory występują w różnych konstrukcjach, z których każda jest dostosowana do różnych zastosowań i organizmów. Oto niektóre z najpopularniejszych typów:

Bioreaktory z mieszadłem (STR)

Bioreaktory z mieszadłem są najczęściej stosowanym typem. Składają się z cylindrycznego zbiornika z mieszadłem wirnikowym, które zapewnia mieszanie. STR są wszechstronne i mogą być używane do szerokiego zakresu zastosowań, od fermentacji mikrobiologicznej po hodowlę komórek ssaczych.

Zalety:

• Dobrze wymieszane środowisko
• Dobra kontrola temperatury
• Stosunkowo łatwe do skalowania

Wady:

• Wysokie naprężenia ścinające mogą uszkodzić wrażliwe komórki
• Mogą być trudne do czyszczenia i sterylizacji

Bioreaktory mamutowe

Bioreaktory mamutowe wykorzystują powietrze do mieszania i napowietrzania hodowli. Są one szczególnie dobrze przystosowane do komórek wrażliwych na ścinanie, ponieważ nie posiadają mechanicznych mieszadeł.

Zalety:

• Niskie naprężenia ścinające
• Prosta konstrukcja
• Dobre dla komórek wrażliwych na ścinanie

Wady:

• Mniej wydajne mieszanie niż w STR
• Trudne do skalowania

Bioreaktory kolumnowe pęcherzykowe

Bioreaktory kolumnowe pęcherzykowe są podobne do bioreaktorów mamutowych, ale nie posiadają wewnętrznej rury cyrkulacyjnej. Powietrze jest wprowadzane bezpośrednio na dno kolumny, zapewniając mieszanie i napowietrzanie.

Zalety:

• Prosta konstrukcja
• Niski koszt

Wady:

• Słabe mieszanie
• Trudne do kontrolowania

Bioreaktory ze złożem upakowanym

Bioreaktory ze złożem upakowanym zawierają stałą matrycę, taką jak kulki lub włókna, która zapewnia powierzchnię do przyczepiania się komórek. Składniki odżywcze krążą przez złoże, dostarczając komórkom zasobów potrzebnych do wzrostu.

Zalety:

• Wysoka gęstość komórek
• Dobre dla komórek unieruchomionych

Wady:

• Trudne do skalowania
• Mogą być podatne na zatykanie

Bioreaktory ze złożem fluidalnym

Bioreaktory ze złożem fluidalnym są podobne do bioreaktorów ze złożem upakowanym, ale stała matryca jest zawieszona w strumieniu płynu. Pozwala to na lepsze mieszanie i transfer masy.

Zalety:

• Dobre mieszanie i transfer masy
• Wysoka gęstość komórek

Wady:

• Skomplikowana konstrukcja
• Mogą być trudne do kontrolowania

Fotobioreaktory

Fotobioreaktory są przeznaczone do hodowli organizmów fotosyntetyzujących, takich jak algi i sinice. Zazwyczaj są przezroczyste, aby umożliwić światłu przenikanie do hodowli.

Zalety:

• Wydajne wykorzystanie światła
• Kontrolowane środowisko

Wady:

• Wysoki koszt
• Trudne do skalowania

Bioreaktory jednorazowego użytku (SUB)

Bioreaktory jednorazowego użytku to wstępnie sterylizowane, jednorazowe bioreaktory, które eliminują potrzebę czyszczenia i sterylizacji. Stają się one coraz bardziej popularne w produkcji biofarmaceutycznej.

Zalety:

• Zmniejszone koszty czyszczenia i sterylizacji
• Zmniejszone ryzyko zanieczyszczenia
• Szybszy czas realizacji

Wady:

• Wyższy koszt na partię
• Obawy środowiskowe związane z odpadami z tworzyw sztucznych

Kluczowe aspekty projektowe

Podczas projektowania bioreaktora należy wziąć pod uwagę kilka czynników. Należą do nich:

Typ komórek

Typ hodowanych komórek będzie miał znaczący wpływ na projekt bioreaktora. Na przykład, wrażliwe na ścinanie komórki ssacze wymagają innych projektów bioreaktorów niż odporne bakterie.

• Fermentacja mikrobiologiczna: Zazwyczaj wymaga wysokiego napowietrzania i mieszania, aby wspierać szybki wzrost. STR są często odpowiednie.
• Hodowla komórek ssaczych: Wymaga łagodniejszego mieszania i napowietrzania, aby uniknąć uszkodzenia komórek. Preferowane są bioreaktory mamutowe lub zmodyfikowane STR z mieszadłami o niskim ścinaniu.
• Hodowla komórek roślinnych: Wymaga specyficznych formuł pożywek i może korzystać ze specjalistycznych projektów bioreaktorów, takich jak bioreaktory mgłowe.
• Hodowla alg: Wymaga przenikania światła i wydajnego dostarczania CO2. Fotobioreaktory są specjalnie zaprojektowane do tego celu.

Skala operacji

Skala operacji również wpłynie na projekt bioreaktora. Bioreaktory na małą skalę mogą być proste i niedrogie, podczas gdy bioreaktory na dużą skalę wymagają bardziej zaawansowanej inżynierii.

Mieszanie i napowietrzanie

Wydajne mieszanie i napowietrzanie są kluczowe dla wydajności bioreaktora. Mieszanie zapewnia równomierne rozprowadzenie składników odżywczych w całej hodowli, podczas gdy napowietrzanie dostarcza tlenu potrzebnego do wzrostu komórek.

Strategie mieszania:

• Konstrukcja mieszadła: Powszechnie stosuje się turbiny Rushtona, turbiny z łopatkami skośnymi i śruby okrętowe. Wybór zależy od lepkości hodowli i pożądanej intensywności mieszania.
• Konstrukcja przegród: Przegrody są używane do zapobiegania tworzeniu się wirów i poprawy wydajności mieszania.
• Prędkość mieszania: Prędkość mieszania musi być zoptymalizowana, aby zapewnić odpowiednie mieszanie bez powodowania nadmiernych naprężeń ścinających.

Strategie napowietrzania:

• Konstrukcja barbotażu: Barbotaże wprowadzają powietrze lub tlen do hodowli. Różne konstrukcje barbotaży, takie jak barbotaże porowate lub dyszowe, mogą być używane do tworzenia pęcherzyków o różnych rozmiarach.
• Przepływ gazu: Przepływ gazu musi być zoptymalizowany, aby zapewnić wystarczającą ilość tlenu bez usuwania lotnych związków.
• Wzbogacanie tlenem: W niektórych przypadkach może być konieczne wzbogacenie powietrza w tlen, aby zaspokoić zapotrzebowanie komórek na tlen.

Kontrola temperatury i pH

Utrzymywanie optymalnej temperatury i pH jest niezbędne dla wzrostu komórek i tworzenia produktu. Temperatura jest zazwyczaj kontrolowana za pomocą płaszcza lub wężownic wewnętrznych, podczas gdy pH jest kontrolowane przez dodawanie kwasu lub zasady.

Systemy kontroli temperatury:

• Płaszcze grzewczo-chłodzące: Cyrkulują podgrzaną lub schłodzoną wodę wokół zbiornika bioreaktora.
• Wężownice wewnętrzne: Zapewniają bardziej wydajną wymianę ciepła niż płaszcze.
• Regulatory PID: Używane do automatycznego dostosowywania temperatury na podstawie informacji zwrotnej z czujnika temperatury.

Systemy kontroli pH:

• Czujniki pH: Mierzą pH hodowli.
• Pompy kwasu i zasady: Dodają kwas lub zasadę w celu dostosowania pH.
• Regulatory PID: Używane do automatycznego dostosowywania dodawania kwasu i zasady na podstawie informacji zwrotnej z czujnika pH.

Sterylizacja

Sterylizacja jest kluczowa dla zapobiegania zanieczyszczeniom. Bioreaktory są zazwyczaj sterylizowane przez autoklawowanie lub za pomocą chemicznych środków sterylizujących.

Metody sterylizacji:

• Autoklawowanie: Używanie pary pod wysokim ciśnieniem do zabijania mikroorganizmów.
• Sterylizacja chemiczna: Używanie chemicznych środków sterylizujących, takich jak nadtlenek wodoru lub kwas nadoctowy.
• Filtracja: Używanie filtrów do usuwania mikroorganizmów z cieczy i gazów.

Monitorowanie i kontrola procesu

Zaawansowane strategie monitorowania i kontroli procesu są kluczowe dla optymalizacji wydajności bioreaktora i zapewnienia jakości produktu. Strategie te obejmują wykorzystanie czujników, oprogramowania i algorytmów sterowania do monitorowania i dostosowywania kluczowych parametrów procesu w czasie rzeczywistym.

Kluczowe parametry do monitorowania:

• Temperatura
• pH
• Tlen rozpuszczony (DO)
• Stężenie biomasy
• Stężenia składników odżywczych
• Stężenie produktu
• Analiza gazów odlotowych (CO2, O2)

Strategie kontroli:

• Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym: Dostosowywanie parametrów procesu na podstawie informacji zwrotnej z czujników.
• Sterowanie w przód (feedforward): Dostosowywanie parametrów procesu na podstawie przewidywanych zmian w systemie.
• Sterowanie predykcyjne oparte na modelu (MPC): Używanie modeli matematycznych do przewidywania przyszłego zachowania systemu i optymalizacji działań sterujących.

Zagadnienia związane ze zwiększaniem skali

Zwiększanie skali bioprocesu ze skali laboratoryjnej do przemysłowej może być wyzwaniem. Ważne jest, aby utrzymać podobne warunki w bioreaktorze na dużą skalę, jak w bioreaktorze na małą skalę.

Strategie zwiększania skali:

• Podobieństwo geometryczne: Utrzymanie tych samych proporcji w bioreaktorze na dużą skalę, jak w bioreaktorze na małą skalę.
• Stała moc wejściowa na jednostkę objętości: Utrzymanie tej samej mocy wejściowej na jednostkę objętości w bioreaktorze na dużą skalę, jak w bioreaktorze na małą skalę.
• Stała prędkość końcówki mieszadła: Utrzymanie tej samej prędkości końcówki mieszadła w bioreaktorze na dużą skalę, jak w bioreaktorze na małą skalę.
• Obliczeniowa mechanika płynów (CFD): Używanie CFD do modelowania wzorców przepływu w bioreaktorze i optymalizacji projektu.

Nowe trendy w projektowaniu bioreaktorów

Dziedzina projektowania bioreaktorów stale się rozwija, a nowe technologie i podejścia są opracowywane w celu poprawy wydajności bioprocesów. Niektóre z pojawiających się trendów obejmują:

Ciągłe przetwarzanie bioprocesów

Ciągłe przetwarzanie bioprocesów polega na ciągłym dostarczaniu składników odżywczych i usuwaniu produktu z bioreaktora. Może to prowadzić do wyższej produktywności i niższych kosztów w porównaniu z przetwarzaniem okresowym.

Intensyfikacja procesów

Intensyfikacja procesów polega na opracowywaniu bardziej kompaktowych i wydajnych bioprocesów. Można to osiągnąć poprzez zastosowanie nowatorskich projektów bioreaktorów, takich jak mikroreaktory i bioreaktory membranowe.

Automatyzacja bioreaktorów

Automatyzacja bioreaktorów obejmuje wykorzystanie robotów i innych zautomatyzowanych systemów do sterowania i monitorowania bioreaktora. Może to poprawić powtarzalność i obniżyć koszty pracy.

Analiza danych i uczenie maszynowe

Analiza danych i uczenie maszynowe są wykorzystywane do analizy danych z bioreaktorów i optymalizacji wydajności procesu. Może to prowadzić do poprawy jakości produktu i wyższych plonów.

Projektowanie bioreaktorów dla konkretnych zastosowań: Przykłady globalne

Projektowanie bioreaktorów nie jest podejściem uniwersalnym. Specyficzne zastosowania wymagają dostosowanych projektów. Oto kilka przykładów prezentujących globalne innowacje:

• Produkcja leków biopodobnych (Indie): Indyjskie firmy biofarmaceutyczne intensywnie inwestują w wielkoskalowe STR ze stali nierdzewnej z zaawansowanymi systemami kontroli w celu produkcji przystępnych cenowo leków biopodobnych na rynek globalny. Projekt kładzie nacisk na efektywność kosztową i przestrzeganie surowych wymogów regulacyjnych.
• Biopaliwa na bazie alg (Australia): Australijskie instytucje badawcze są pionierami w wykorzystaniu otwartych stawów i zamkniętych fotobioreaktorów do hodowli alg w celu produkcji biopaliw. Projekty koncentrują się na maksymalizacji wychwytu światła słonecznego, wykorzystaniu CO2 i produkcji lipidów.
• Mięso komórkowe (Holandia): Holenderskie firmy przodują w opracowywaniu bioreaktorów do produkcji mięsa hodowlanego. Te bioreaktory, często systemy perfuzyjne, muszą wydajnie wspierać hodowlę komórek ssaczych o wysokiej gęstości, minimalizując jednocześnie koszty i zapewniając bezpieczeństwo produktu.
• Produkcja antybiotyków (Chiny): Chiny są głównym producentem antybiotyków. Wielu producentów stosuje wielkoskalowe procesy fermentacyjne w STR do produkcji tych kluczowych leków. Optymalizacja tych bioreaktorów koncentruje się na maksymalizacji miana antybiotyku i minimalizacji tworzenia produktów ubocznych.
• Produkcja przeciwciał monoklonalnych (Szwajcaria): Szwajcarscy giganci farmaceutyczni są liderami w produkcji przeciwciał monoklonalnych przy użyciu hodowli komórek ssaczych. Ich bioreaktory to zazwyczaj zaawansowane systemy jednorazowego użytku z wyrafinowanymi systemami kontroli i wysokim poziomem automatyzacji, aby zapewnić spójność i jakość produktu.

Wnioski

Projektowanie bioreaktorów to złożona i wymagająca dziedzina, ale jest również niezbędna dla wielu ważnych gałęzi przemysłu, w tym biofarmaceutyków, żywności i napojów oraz biopaliw. Rozumiejąc podstawowe zasady projektowania bioreaktorów i śledząc najnowsze trendy, inżynierowie i naukowcy mogą opracowywać bioreaktory, które są bardziej wydajne, niezawodne i opłacalne.

Niniejszy przewodnik przedstawił szeroki przegląd sztuki projektowania bioreaktorów. Dalsze zgłębianie specyficznych typów bioreaktorów, strategii kontroli i metodologii zwiększania skali jest zalecane dla osób poszukujących głębszego zrozumienia tej kluczowej dziedziny.