Искусство проектирования биореакторов: Комплексное руководство

Биореакторы, также известные как ферментеры, являются сердцем многих биопроцессов, обеспечивая контролируемую среду для протекания биологических реакций. Их проектирование — это междисциплинарное искусство, сочетающее в себе принципы химической инженерии, микробиологии, биохимии и машиностроения. Это руководство призвано предоставить исчерпывающий обзор аспектов проектирования биореакторов, отвечающий потребностям мировой аудитории, занимающейся биопроцессной инженерией, от студентов до опытных профессионалов.

Основы проектирования биореакторов

По своей сути, проектирование биореактора включает в себя создание среды, которая оптимально поддерживает рост и метаболическую активность микроорганизмов или клеток. Это требует тщательного рассмотрения нескольких ключевых факторов:

• Перемешивание: Обеспечение гомогенности питательных веществ, температуры и pH во всем реакторе.
• Аэрация: Подача достаточного количества кислорода для аэробных организмов при одновременном удалении углекислого газа.
• Контроль температуры: Поддержание оптимальной температуры для биологической реакции.
• Контроль pH: Регулирование pH для предотвращения ингибирования или повреждения клеток.
• Стерильность: Предотвращение контаминации нежелательными микроорганизмами.

Основные компоненты биореактора

Типичный биореактор состоит из следующих компонентов:

• Сосуд: Контейнер, в котором находится культура. Обычно используются такие материалы, как нержавеющая сталь, стекло и одноразовый пластик.
• Система перемешивания: Импеллер или мешалка для перемешивания содержимого реактора.
• Система аэрации: Барботер для введения воздуха или кислорода в культуру.
• Система контроля температуры: Рубашка или внутренние змеевики для поддержания желаемой температуры.
• Система контроля pH: Датчики и насосы для добавления кислоты или щелочи для поддержания желаемого pH.
• Датчики и система управления: Мониторинг и управление ключевыми параметрами, такими как температура, pH, растворенный кислород (DO) и концентрация биомассы.
• Система отбора проб: Средство для отбора проб для анализа.

Типы биореакторов

Биореакторы бывают разных конструкций, каждая из которых подходит для различных применений и организмов. Вот некоторые из наиболее распространенных типов:

Биореакторы с перемешивающим устройством (STR)

Биореакторы с перемешивающим устройством являются наиболее широко используемым типом. Они состоят из цилиндрического сосуда с импеллером, который обеспечивает перемешивание. STR универсальны и могут использоваться для широкого спектра применений, от микробной ферментации до культивирования клеток млекопитающих.

Преимущества:

• Хорошо перемешиваемая среда
• Хороший контроль температуры
• Относительно легко масштабировать

Недостатки:

• Высокое напряжение сдвига может повредить чувствительные клетки
• Может быть трудно чистить и стерилизовать

Эрлифтные биореакторы

Эрлифтные биореакторы используют воздух для перемешивания и аэрации культуры. Они особенно хорошо подходят для чувствительных к сдвигу клеток, так как у них нет механических импеллеров.

Преимущества:

• Низкое напряжение сдвига
• Простая конструкция
• Подходит для чувствительных к сдвигу клеток

Недостатки:

• Менее эффективное перемешивание, чем в STR
• Трудно масштабировать

Барботажные колонные биореакторы

Барботажные колонные биореакторы похожи на эрлифтные, но у них нет внутренней циркуляционной трубы. Воздух подается непосредственно в нижнюю часть колонны, обеспечивая перемешивание и аэрацию.

Преимущества:

• Простая конструкция
• Низкая стоимость

Недостатки:

• Плохое перемешивание
• Трудно контролировать

Биореакторы с насадочной колонной

Биореакторы с насадочной колонной содержат твердую матрицу, такую как шарики или волокна, которая предоставляет поверхность для прикрепления клеток. Питательные вещества циркулируют через слой, обеспечивая клетки ресурсами для роста.

Преимущества:

• Высокая плотность клеток
• Подходит для иммобилизованных клеток

Недостатки:

• Трудно масштабировать
• Может быть склонен к засорению

Биореакторы с псевдоожиженным слоем

Биореакторы с псевдоожиженным слоем похожи на биореакторы с насадочной колонной, но твердая матрица суспендирована в потоке жидкости. Это обеспечивает лучшее перемешивание и массоперенос.

Преимущества:

• Хорошее перемешивание и массоперенос
• Высокая плотность клеток

Недостатки:

• Сложная конструкция
• Может быть трудно контролировать

Фотобиореакторы

Фотобиореакторы предназначены для культивирования фотосинтезирующих организмов, таких как водоросли и цианобактерии. Они обычно прозрачны, чтобы свет мог проникать в культуру.

Преимущества:

• Эффективное использование света
• Контролируемая среда

Недостатки:

• Высокая стоимость
• Трудно масштабировать

Одноразовые биореакторы (SUB)

Одноразовые биореакторы — это предварительно стерилизованные, одноразовые биореакторы, которые устраняют необходимость в очистке и стерилизации. Они становятся все более популярными в биофармацевтическом производстве.

Преимущества:

• Снижение затрат на очистку и стерилизацию
• Снижение риска контаминации
• Более быстрое время оборота

Недостатки:

• Более высокая стоимость на партию
• Экологические проблемы, связанные с пластиковыми отходами

Ключевые аспекты проектирования

При проектировании биореактора необходимо учитывать несколько факторов. К ним относятся:

Тип клеток

Тип культивируемых клеток оказывает значительное влияние на конструкцию биореактора. Например, чувствительные к сдвигу клетки млекопитающих требуют иных конструкций биореакторов, чем устойчивые бактерии.

• Микробная ферментация: Обычно требует высокой аэрации и перемешивания для поддержания быстрого роста. Часто подходят STR.
• Культивирование клеток млекопитающих: Требует более мягкого перемешивания и аэрации во избежание повреждения клеток. Предпочтительны эрлифтные биореакторы или модифицированные STR с импеллерами низкого сдвига.
• Культивирование растительных клеток: Требует специфических составов питательных сред и может выигрывать от специализированных конструкций биореакторов, таких как аэропонные биореакторы.
• Культивирование водорослей: Требует проникновения света и эффективной доставки CO2. Фотобиореакторы специально разработаны для этой цели.

Масштаб операции

Масштаб операции также влияет на конструкцию биореактора. Маломасштабные биореакторы могут быть простыми и недорогими, в то время как крупномасштабные биореакторы требуют более сложной инженерии.

Перемешивание и аэрация

Эффективное перемешивание и аэрация имеют решающее значение для производительности биореактора. Перемешивание обеспечивает равномерное распределение питательных веществ по всей культуре, а аэрация обеспечивает кислород, необходимый для роста клеток.

Стратегии перемешивания:

• Конструкция импеллера: Обычно используются турбины Раштона, лопастные турбины с наклонными лопатками и морские пропеллеры. Выбор зависит от вязкости культуры и желаемой интенсивности перемешивания.
• Конструкция отражательных перегородок: Перегородки используются для предотвращения образования воронки и улучшения эффективности перемешивания.
• Скорость перемешивания: Скорость перемешивания должна быть оптимизирована для обеспечения адекватного перемешивания без создания чрезмерного напряжения сдвига.

Стратегии аэрации:

• Конструкция барботера: Барботеры вводят воздух или кислород в культуру. Различные конструкции барботеров, такие как пористые или сопловые, могут использоваться для создания пузырьков разного размера.
• Скорость потока газа: Скорость потока газа должна быть оптимизирована для обеспечения достаточного количества кислорода без уноса летучих соединений.
• Обогащение кислородом: В некоторых случаях может потребоваться обогащение воздуха кислородом для удовлетворения потребности клеток в кислороде.

Контроль температуры и pH

Поддержание оптимальной температуры и pH необходимо для роста клеток и образования продукта. Температура обычно контролируется с помощью рубашки или внутренних змеевиков, а pH — добавлением кислоты или щелочи.

Системы контроля температуры:

• Нагревательные и охлаждающие рубашки: Обеспечивают циркуляцию нагретой или охлажденной воды вокруг сосуда биореактора.
• Внутренние змеевики: Обеспечивают более эффективный теплообмен, чем рубашки.
• ПИД-регуляторы: Используются для автоматической регулировки температуры на основе обратной связи от датчика температуры.

Системы контроля pH:

• Датчики pH: Измеряют pH культуры.
• Насосы для кислоты и щелочи: Добавляют кислоту или щелочь для регулировки pH.
• ПИД-регуляторы: Используются для автоматической регулировки добавления кислоты и щелочи на основе обратной связи от датчика pH.

Стерилизация

Стерилизация имеет решающее значение для предотвращения контаминации. Биореакторы обычно стерилизуют автоклавированием или с помощью химических стерилизаторов.

Методы стерилизации:

• Автоклавирование: Использование пара под высоким давлением для уничтожения микроорганизмов.
• Химическая стерилизация: Использование химических стерилизаторов, таких как перекись водорода или надуксусная кислота.
• Фильтрация: Использование фильтров для удаления микроорганизмов из жидкостей и газов.

Мониторинг и управление процессом

Передовые стратегии мониторинга и управления процессом жизненно важны для оптимизации производительности биореактора и обеспечения качества продукта. Эти стратегии включают использование датчиков, программного обеспечения и алгоритмов управления для мониторинга и регулировки ключевых параметров процесса в режиме реального времени.

Ключевые параметры для мониторинга:

• Температура
• pH
• Растворенный кислород (DO)
• Концентрация биомассы
• Концентрации питательных веществ
• Концентрация продукта
• Анализ отходящих газов (CO2, O2)

Стратегии управления:

• Управление с обратной связью: Регулировка параметров процесса на основе обратной связи от датчиков.
• Управление с прямой связью: Регулировка параметров процесса на основе прогнозируемых изменений в системе.
• Прогнозное управление на основе модели (MPC): Использование математических моделей для прогнозирования будущего поведения системы и оптимизации управляющих действий.

Вопросы масштабирования

Масштабирование биопроцесса с лабораторного до промышленного уровня может быть сложной задачей. Важно поддерживать в крупномасштабном биореакторе условия, аналогичные условиям в маломасштабном биореакторе.

Стратегии масштабирования:

• Геометрическое подобие: Поддержание тех же пропорций в крупномасштабном биореакторе, что и в маломасштабном.
• Постоянная подводимая мощность на единицу объема: Поддержание той же подводимой мощности на единицу объема в крупномасштабном биореакторе, что и в маломасштабном.
• Постоянная окружная скорость: Поддержание той же окружной скорости импеллера в крупномасштабном биореакторе, что и в маломасштабном.
• Вычислительная гидродинамика (CFD): Использование CFD для моделирования потоков в биореакторе и оптимизации конструкции.

Новые тенденции в проектировании биореакторов

Область проектирования биореакторов постоянно развивается, появляются новые технологии и подходы для улучшения производительности биопроцессов. Некоторые из новых тенденций включают:

Непрерывные биопроцессы

Непрерывный биопроцесс включает постоянную подачу питательных веществ и удаление продукта из биореактора. Это может привести к повышению производительности и снижению затрат по сравнению с периодической обработкой.

Интенсификация процесса

Интенсификация процесса включает разработку более компактных и эффективных биопроцессов. Это может быть достигнуто за счет использования новых конструкций биореакторов, таких как микрореакторы и мембранные биореакторы.

Автоматизация биореакторов

Автоматизация биореакторов включает использование роботов и других автоматизированных систем для управления и мониторинга биореактора. Это может улучшить воспроизводимость и сократить затраты на рабочую силу.

Аналитика данных и машинное обучение

Аналитика данных и машинное обучение используются для анализа данных биореактора и оптимизации производительности процесса. Это может привести к улучшению качества продукции и увеличению выхода.

Проектирование биореакторов для конкретных применений: мировые примеры

Проектирование биореакторов — это не универсальный подход. Конкретные применения требуют индивидуальных решений. Вот несколько примеров, демонстрирующих мировые инновации:

• Производство биосимиляров (Индия): Индийские биофармацевтические компании активно инвестируют в крупномасштабные STR из нержавеющей стали с передовыми системами управления для производства доступных биосимиляров для мирового рынка. В конструкции подчеркивается экономическая эффективность и соблюдение строгих нормативных требований.
• Биотопливо на основе водорослей (Австралия): Австралийские исследовательские институты являются пионерами в использовании открытых прудов и закрытых фотобиореакторов для культивирования водорослей с целью производства биотоплива. Конструкции нацелены на максимизацию улавливания солнечного света, использования CO2 и производства липидов.
• Мясо на клеточной основе (Нидерланды): Голландские компании находятся на переднем крае разработки биореакторов для производства культивируемого мяса. Эти биореакторы, часто являющиеся системами на основе перфузии, должны эффективно поддерживать культуру клеток млекопитающих высокой плотности, минимизируя при этом затраты и обеспечивая безопасность продукта.
• Производство антибиотиков (Китай): Китай является крупным производителем антибиотиков. Многие производители используют крупномасштабные процессы ферментации в STR для производства этих жизненно важных лекарств. Оптимизация этих биореакторов направлена на максимизацию титра антибиотиков и минимизацию образования побочных продуктов.
• Производство моноклональных антител (Швейцария): Швейцарские фармацевтические гиганты являются лидерами в производстве моноклональных антител с использованием культуры клеток млекопитающих. Их биореакторы, как правило, представляют собой передовые одноразовые системы со сложными системами управления и высоким уровнем автоматизации для обеспечения постоянства и качества продукции.

Заключение

Проектирование биореакторов — это сложная и трудная область, но она также важна для многих ключевых отраслей, включая биофармацевтику, пищевую промышленность и производство биотоплива. Понимая фундаментальные принципы проектирования биореакторов и следя за последними тенденциями, инженеры и ученые могут разрабатывать более эффективные, надежные и экономичные биореакторы.

Это руководство предоставило широкий обзор искусства проектирования биореакторов. Для тех, кто стремится к более глубокому пониманию этой критически важной области, рекомендуется дальнейшее изучение конкретных типов биореакторов, стратегий управления и методологий масштабирования.