M

MLOG

Slovenčina

Komplexný sprievodca škálovaním fermentácie. Zahŕňa kľúčové princípy, výzvy, technológie a stratégie pre úspešnú optimalizáciu bioprocesov celosvetovo.

Škálovanie fermentácie: Komplexný sprievodca pre globálny biotechnologický pokrok

Fermentácia, metabolický proces, ktorý premieňa cukry na kyseliny, plyny alebo alkohol, je základným kameňom rôznych odvetví, vrátane potravinárstva a nápojov, farmaceutiky, biopalív a priemyselných enzýmov. Zväčšovanie rozsahu fermentačných procesov, prechod z laboratórneho na priemyselný rozsah výroby, predstavuje značné výzvy a vyžaduje hlboké pochopenie princípov bioprocesného inžinierstva. Táto príručka poskytuje komplexný prehľad o škálovaní fermentácie, pokrývajúci kľúčové koncepty, výzvy, technológie a stratégie pre úspešnú optimalizáciu bioprocesov v rôznych odvetviach po celom svete.

Prečo je škálovanie fermentácie dôležité?

Schopnosť efektívne škálovať fermentačné procesy je kľúčová pre komercializáciu biotechnologických inovácií. Zatiaľ čo sľubné výsledky sa môžu dosiahnuť v laboratórnom meradle, prenos týchto výsledkov do veľkovýroby si vyžaduje starostlivé zváženie rôznych faktorov, vrátane:

Úspešné zvládnutie zložitosti škálovania fermentácie je nevyhnutné pre spoločnosti, ktoré chcú komercializovať svoje biotechnologické produkty a získať konkurenčnú výhodu na globálnom trhu. Napríklad farmaceutická spoločnosť vyvíjajúca nové antibiotikum prostredníctvom mikrobiálnej fermentácie musí zabezpečiť, aby bolo možné fermentačný proces škálovať tak, aby sa liek vyrábal v dostatočnom množstve na uspokojenie potrieb pacientov na celom svete. Podobne spoločnosť vyrábajúca biopalivá, ktorá si kladie za cieľ vyrábať etanol z lignocelulózovej biomasy, musí optimalizovať fermentačný proces pre veľkovýrobu, aby sa biopalivá stali životaschopnou alternatívou k fosílnym palivám.

Kľúčové princípy škálovania fermentácie

Úspešné škálovanie fermentácie sa opiera o niekoľko základných princípov bioprocesného inžinierstva. Pochopenie a aplikácia týchto princípov je kľúčová pre dosiahnutie optimálneho výkonu procesu v priemyselnom meradle.

1. Udržiavanie konštantného koeficientu objemového prenosu hmoty (kLa)

Prenos kyslíka je často obmedzujúcim faktorom v aeróbnych fermentačných procesoch. Koeficient objemového prenosu hmoty (kLa) je kľúčový parameter, ktorý opisuje rýchlosť, akou sa kyslík prenáša z plynnej fázy do kvapalnej fázy v bioreaktore. Udržiavanie konštantného kLa počas škálovania je nevyhnutné na zabezpečenie dostatočného prísunu kyslíka pre rast buniek a tvorbu produktu. To sa dá dosiahnuť úpravou parametrov, ako je rýchlosť miešania, rýchlosť prevzdušňovania a geometria bioreaktora.

Napríklad pri výrobe kyseliny citrónovej pomocou Aspergillus niger môže obmedzenie kyslíka výrazne znížiť výťažok kyseliny citrónovej. Udržiavanie dostatočného kLa počas celého fermentačného procesu je kritické pre maximalizáciu produkcie kyseliny citrónovej. Na zlepšenie prenosu kyslíka možno použiť rôzne stratégie, ako napríklad použitie vzduchu obohateného kyslíkom alebo optimalizáciu konštrukcie obežného kolesa.

2. Udržiavanie konštantného času miešania

Efektívne miešanie je kľúčové pre zabezpečenie homogenity v bioreaktore, zabránenie obmedzeniam substrátu alebo živín a rozptyl tepla. Udržiavanie konštantného času miešania počas škálovania je dôležité na zabezpečenie toho, aby bunky zažívali rovnomerné prostredie a aby sa minimalizovali gradienty živín, pH a teploty. Čas miešania môže byť ovplyvnený faktormi, ako je konštrukcia obežného kolesa, rýchlosť obežného kolesa a geometria bioreaktora.

Zvážte výrobu rekombinantných proteínov v kultúre cicavčích buniek. Cicavčie bunky sú citlivé na strihové napätie a nadmerné miešanie môže poškodiť bunky a znížiť výťažok proteínov. Nedostatočné miešanie však môže viesť k obmedzeniam živín a zhlukovaniu buniek. Optimalizácia času miešania na vyváženie týchto protichodných faktorov je kľúčová pre úspešné škálovanie.

3. Udržiavanie konštantnej rýchlosti strihu

Rýchlosť strihu, rýchlosť, pri ktorej sa susedné vrstvy tekutiny pohybujú jedna vzhľadom na druhú, môže mať významný vplyv na životaschopnosť buniek a kvalitu produktu, najmä pre bunky citlivé na strihové napätie, ako sú cicavčie bunky a rastlinné bunky. Udržiavanie konštantnej rýchlosti strihu počas škálovania je dôležité pre minimalizáciu poškodenia buniek a zabezpečenie konzistentnej kvality produktu. Rýchlosť strihu možno kontrolovať úpravou parametrov, ako je rýchlosť obežného kolesa a konštrukcia obežného kolesa.

Napríklad pri výrobe monoklonálnych protilátok v CHO bunkách môže nadmerné strihové napätie viesť k lýze buniek a uvoľňovaniu intracelulárnych proteáz, ktoré môžu protilátky degradovať. Použitie obežných kolies s nízkym strihom a optimalizácia rýchlosti miešania môže pomôcť minimalizovať strihové napätie a zlepšiť produkciu protilátok.

4. Udržiavanie konštantného prísunu energie na jednotku objemu (P/V)

Prísun energie na jednotku objemu (P/V) je mierou energie vloženej do bioreaktora na miešanie a prevzdušňovanie. Udržiavanie konštantného P/V počas škálovania môže pomôcť zabezpečiť, aby charakteristiky miešania a prenosu kyslíka v bioreaktore boli podobné v rôznych mierkach. Je však dôležité poznamenať, že P/V nie je jediným faktorom, ktorý ovplyvňuje miešanie a prenos kyslíka, a mali by sa zvážiť aj ďalšie parametre, ako je konštrukcia obežného kolesa a geometria bioreaktora.

V mnohých bakteriálnych fermentáciách môže byť vyššie P/V prijateľné kvôli robustnejšej povahe bakteriálnych buniek v porovnaní s cicavčími bunkami. Avšak, aj pri bakteriálnych fermentáciách, nadmerné P/V môže viesť k zvýšenej spotrebe energie a potenciálne k poškodeniu buniek v niektorých prípadoch. Optimalizácia P/V v spojení s inými parametrami je preto kľúčová.

5. Geometrická podobnosť

Udržiavanie geometrickej podobnosti počas škálovania znamená, že pomery rozmerov bioreaktora (napr. priemer, výška, priemer obežného kolesa) zostávajú konštantné. To môže pomôcť zabezpečiť, aby vzory prúdenia a charakteristiky miešania bioreaktora boli podobné v rôznych mierkach. Často však nie je možné udržať dokonalú geometrickú podobnosť kvôli praktickým obmedzeniam, ako sú náklady a priestorové obmedzenia. Okrem toho, dokonalá geometrická podobnosť nezaručuje identický výkon, pretože dynamika tekutín nie je diktovaná výlučne geometriou.

Napríklad geometricky podobné bioreaktory môžu mať rôzne pomery povrchovej plochy k objemu, čo môže ovplyvniť prenos tepla a rýchlosť odparovania. Modelovanie výpočtovou dynamikou tekutín (CFD) možno použiť na posúdenie vplyvu odchýlok od geometrickej podobnosti na výkon bioreaktora.

Výzvy pri škálovaní fermentácie

Zväčšovanie rozsahu fermentačných procesov predstavuje mnoho výziev, ktoré si vyžadujú starostlivé zváženie rôznych faktorov, ktoré môžu ovplyvniť výkon procesu.

1. Obmedzenia prenosu kyslíka

So zväčšovaním rozsahu bioreaktora je ťažšie udržať dostatočný prenos kyslíka do buniek. Je to preto, že pomer povrchovej plochy k objemu sa znižuje a difúzna dráha pre kyslík sa predlžuje. Obmedzenie kyslíka môže viesť k zníženiu rastu buniek, tvorby produktu a dokonca k odumretiu buniek.

Riešenia:

2. Odvádzanie tepla

Fermentačné procesy generujú teplo v dôsledku metabolickej aktivity a miešania. So zväčšovaním rozsahu bioreaktora je ťažšie odvádzať toto teplo, čo môže viesť k zvýšeniu teploty a zníženiu rastu buniek a tvorby produktu. Udržiavanie optimálnej teploty je kľúčové pre aktivitu enzýmov a celkové zdravie buniek.

Riešenia:

3. Nehomogenity miešania

So zväčšovaním rozsahu bioreaktora je ťažšie udržiavať rovnomerné miešanie v celej nádobe. To môže viesť ku gradientom živín, pH a teploty, čo môže negatívne ovplyvniť rast buniek a tvorbu produktu. Mŕtve zóny alebo zle premiešané oblasti môžu tiež podporovať hromadenie toxických vedľajších produktov.

Riešenia:

4. Kontrola pH

Udržiavanie optimálneho pH je kľúčové pre rast buniek a tvorbu produktu. So zväčšovaním rozsahu bioreaktora je ťažšie udržiavať rovnomerné pH v celej nádobe. To môže viesť ku gradientom pH, ktoré môžu negatívne ovplyvniť rast buniek a tvorbu produktu. Metabolické vedľajšie produkty môžu výrazne posunúť pH, čo si vyžaduje prísnu kontrolu.

Riešenia:

5. Kontrola peny

Tvorba peny je bežným problémom pri fermentačných procesoch, najmä tých, ktoré zahŕňajú bielkoviny alebo povrchovo aktívne látky. Pena môže viesť k zníženiu pracovného objemu, kontaminácii a upchávaniu senzorov a filtrov. Bráni tiež prenosu kyslíka.

Riešenia:

6. Zmeny v morfológii alebo fyziológii

Bunky môžu pri zvyšovaní rozsahu vykazovať zmenenú morfológiu alebo fyziológiu. Strihové napätie alebo iné zmeny v prostredí bioreaktora môžu spôsobiť, že bunky produkujú odlišné proteíny alebo majú odlišné rýchlosti rastu. Tieto zmeny môžu ovplyvniť výťažok a kvalitu produktu. Toto je obzvlášť rozšírené u vláknitých organizmov alebo agregovaných bunkových kultúr.

Riešenia:

7. Udržiavanie sterility

Udržiavanie sterility je kľúčové pre prevenciu kontaminácie a zabezpečenie kvality produktu. So zväčšovaním rozsahu bioreaktora je ťažšie udržiavať sterilitu kvôli zvýšenej ploche povrchu a zvýšenému počtu pripojení a odberných miest.

Riešenia:

Technológie pre škálovanie fermentácie

K dispozícii je niekoľko technológií, ktoré pomáhajú pri škálovaní a optimalizácii fermentácie. Tieto technológie môžu pomôcť prekonať výzvy spojené so zväčšovaním rozsahu fermentačných procesov a zlepšiť výkon procesu.

1. Výpočtová dynamika tekutín (CFD)

CFD je výkonný nástroj na simuláciu prúdenia tekutín, prenosu tepla a prenosu hmoty v bioreaktoroch. CFD možno použiť na optimalizáciu dizajnu bioreaktora, predpovedanie vzorcov miešania a identifikáciu mŕtvych zón. Modelovanie CFD môže pomôcť predpovedať podmienky vo väčších mierkach na základe malých experimentov, čím sa znižuje počet potrebných nákladných pilotných prevádzok.

Príklad: CFD možno použiť na optimalizáciu dizajnu a umiestnenia obežného kolesa vo veľkoobjemovom bioreaktore, aby sa zabezpečilo rovnomerné miešanie a prenos kyslíka. Môže tiež identifikovať oblasti s vysokým strihovým napätím, čo inžinírom umožňuje upraviť dizajn tak, aby sa minimalizovalo poškodenie buniek.

2. Analytická technológia procesov (PAT)

PAT je systém na navrhovanie, analýzu a riadenie výroby prostredníctvom včasných meraní (t.j. počas spracovania) kritických atribútov kvality a výkonnostných atribútov surovín, medzioperačných materiálov a procesov s cieľom zabezpečiť konečnú kvalitu produktu. Nástroje PAT zahŕňajú senzory na monitorovanie pH, teploty, rozpusteného kyslíka, hustoty buniek a hladín živín. Získavanie údajov v reálnom čase umožňuje okamžité úpravy fermentačného procesu, čo vedie k zvýšenej účinnosti a reprodukovateľnosti.

Príklad: Použitie online spektrometra blízkej infračervenej oblasti (NIR) na monitorovanie hladiny glukózy vo fermentačnej pôde umožňuje úpravy rýchlosti podávania v reálnom čase, čím sa predchádza obmedzeniu glukózy alebo prekrmovaniu, čo môže negatívne ovplyvniť výťažok produktu.

3. Štatistický návrh experimentov (DoE)

DoE je systematický prístup k plánovaniu a vykonávaniu experimentov na identifikáciu optimálnych prevádzkových podmienok pre proces. DoE možno použiť na optimalizáciu parametrov fermentácie, ako sú teplota, pH, hladiny živín a rýchlosť prevzdušňovania. DoE je oveľa efektívnejší prístup ako tradičné experimentovanie "jeden faktor naraz".

Príklad: Použitie DoE na optimalizáciu koncentrácií rôznych živín vo fermentačnom médiu môže výrazne zlepšiť výťažok produktu. Štatistický prístup umožňuje identifikáciu interakcií medzi živinami, ktoré by pri tradičnom experimentovaní nemuseli byť zrejmé.

4. Pokročilé dizajny bioreaktorov

Na zlepšenie výkonu procesu bolo vyvinutých niekoľko pokročilých dizajnov bioreaktorov. Patrí sem:

Príklad: Jednorazové bioreaktory sa čoraz viac používajú v biofarmaceutickom priemysle na výrobu monoklonálnych protilátok. Tieto bioreaktory ponúkajú niekoľko výhod, vrátane znížených kapitálových investícií, rýchlejších obratov a nižšieho rizika kontaminácie.

5. Modely zmenšenia rozsahu

Modely zmenšenia rozsahu sú malorozmerové bioreaktory, ktoré sú navrhnuté tak, aby napodobňovali podmienky vo veľkorozmerovom bioreaktore. Modely zmenšenia rozsahu možno použiť na štúdium vplyvu rôznych procesných parametrov na rast buniek a tvorbu produktu, bez nutnosti vykonávať experimenty vo veľkorozmerovom bioreaktore. To šetrí čas a zdroje.

Príklad: Model zmenšenia rozsahu možno použiť na simuláciu obmedzení prenosu kyslíka vo veľkorozmerovom bioreaktore. Štúdiom vplyvu obmedzenia kyslíka na rast buniek a tvorbu produktu v modeli zmenšenia rozsahu môžu inžinieri vyvinúť stratégie na prekonanie týchto obmedzení vo veľkorozmerovom bioreaktore.

Stratégie pre úspešné škálovanie fermentácie

Úspešné škálovanie fermentácie si vyžaduje dobre naplánovanú a vykonanú stratégiu, ktorá rieši výzvy a využíva dostupné technológie.

1. Dôkladné pochopenie procesu

Hlboké pochopenie fermentačného procesu je nevyhnutné pre úspešné škálovanie. To zahŕňa pochopenie metabolických dráh, optimálnych podmienok rastu buniek a kritických procesných parametrov, ktoré ovplyvňujú výťažok a kvalitu produktu. Pochopenie potenciálnych inhibičných faktorov je tiež kritické. Pevný základ postavený na dobre charakterizovaných malých experimentoch je nevyhnutný.

2. Vyvinúť robustný seed train

Robustný seed train je kľúčový pre zabezpečenie toho, aby boli bunky zdravé a aktívne rástli, keď sa prenesú do veľkoobjemového bioreaktora. Seed train by mal byť navrhnutý tak, aby postupne prispôsobil bunky väčšiemu prostrediu. To často zahŕňa začatie s malým inokulom v trepacej banke a postupné zvyšovanie objemu inokula prostredníctvom série progresívne väčších bioreaktorov.

3. Implementovať prístup primeraný fáze

Fázovo primeraný prístup znamená, že úroveň dôslednosti a dokumentácie by mala zodpovedať fáze vývoja. Vývoj procesu v počiatočnej fáze sa môže zamerať na identifikáciu optimálnych fermentačných parametrov, zatiaľ čo vývoj procesu v neskoršej fáze by sa mal zamerať na optimalizáciu a validáciu procesu s cieľom zabezpečiť konzistentnú kvalitu a reprodukovateľnosť produktu.

4. Vykonávať štúdie v pilotnom meradle

Štúdie v pilotnom meradle sú nevyhnutným krokom v procese škálovania. Štúdie v pilotnom meradle vám umožňujú testovať fermentačný proces v bioreaktore, ktorý je veľkosťou bližšie k veľkorozmerovému bioreaktoru. To vám umožní identifikovať potenciálne problémy a optimalizovať proces predtým, ako prejdete na plnoobjemovú výrobu. Štúdie v pilotnom meradle môžu odhaliť problémy s miešaním, prenosom tepla alebo kontrolou pH, ktoré neboli zrejmé v menšom rozsahu.

5. Monitorovať kritické procesné parametre

Kontinuálne monitorovanie kritických procesných parametrov (KPP) je nevyhnutné pre zabezpečenie konzistentnej kvality a reprodukovateľnosti produktu. KPP zahŕňajú teplotu, pH, rozpustený kyslík, hustotu buniek a hladiny živín. Monitorovanie v reálnom čase umožňuje okamžité úpravy fermentačného procesu, čím sa predchádza odchýlkam od optimálnych prevádzkových podmienok.

6. Implementovať stratégie riadenia procesu

Stratégie riadenia procesov sú nevyhnutné pre udržanie fermentačného procesu v požadovanom prevádzkovom rozsahu. To zahŕňa implementáciu spätných regulačných slučiek na automatické nastavenie parametrov, ako sú teplota, pH a rozpustený kyslík. Pokročilé stratégie riadenia, ako je riadenie s predikciou modelu (MPC), možno použiť na optimalizáciu fermentačného procesu v reálnom čase.

7. Vyvinúť dôkladný protokol čistenia a sterilizácie

Dôkladný protokol čistenia a sterilizácie je nevyhnutný pre prevenciu kontaminácie a zabezpečenie kvality produktu. Protokol by mal obsahovať podrobné postupy pre čistenie a sterilizáciu všetkých zariadení a médií. Účinnosť protokolu čistenia a sterilizácie by mala byť validovaná, aby sa zabezpečilo, že je schopný odstrániť všetky kontaminanty.

8. Dokumentácia a sledovateľnosť

Podrobná dokumentácia je kľúčová pre preukázanie, že fermentačný proces je dobre kontrolovaný a že produkt spĺňa všetky požiadavky na kvalitu. To zahŕňa dokumentovanie všetkých procesných parametrov, surovín a analytických výsledkov. Komplexná auditná stopa by sa mala udržiavať, aby sa zabezpečila sledovateľnosť všetkých údajov.

Globálne prípadové štúdie škálovania fermentácie

Skúmanie úspešných príbehov o škálovaní fermentácie z celého sveta ponúka cenné poznatky a ponaučenia.

1. Výroba inzulínu v Dánsku

Novo Nordisk, dánska farmaceutická spoločnosť, je globálnym lídrom vo výrobe inzulínu. Spoločnosť úspešne škálovala svoje fermentačné procesy na výrobu rekombinantného inzulínu v Saccharomyces cerevisiae. Kľúčom k ich úspechu bola implementácia pokročilých stratégií riadenia procesov a použitie jednorazových bioreaktorov. Používajú aj pokročilé techniky následného spracovania na čistenie inzulínu, aby splnili prísne regulačné požiadavky na celom svete.

2. Výroba biopalív v Brazílii

Brazília je svetovým lídrom vo výrobe etanolu z cukrovej trstiny. Brazílske spoločnosti vyvinuli vysoko efektívne fermentačné procesy na výrobu etanolu, ktorý sa používa ako biopalivo. Zväčšovanie rozsahu týchto procesov zahŕbalo optimalizáciu kmeňov kvasiniek používaných na fermentáciu, zlepšenie účinnosti fermentačného procesu a vývoj robustných techník následného spracovania. Bežne sa používa kontinuálna fermentácia.

3. Výroba antibiotík v Indii

India je hlavným producentom antibiotík. Indické farmaceutické spoločnosti úspešne škálovali svoje fermentačné procesy na výrobu rôznych antibiotík, vrátane penicilínu a cefalosporínov. To zahŕňalo optimalizáciu fermentačných podmienok, zlepšenie účinnosti fermentačného procesu a vývoj robustných techník následného spracovania. Zamerali sa aj na nákladovo efektívne výrobné stratégie, aby konkurovali na globálnom trhu.

4. Výroba priemyselných enzýmov v Číne

Čína je významným producentom priemyselných enzýmov. Čínske spoločnosti škálovali svoje fermentačné procesy na výrobu rôznych enzýmov, vrátane amyláz, proteáz a lipáz. Tieto enzýmy sa používajú v širokom spektre priemyselných odvetví, vrátane potravinárstva a nápojov, textilného priemyslu a čistiacich prostriedkov. Bežnou praxou je efektívna veľkoobjemová fermentácia s použitím geneticky modifikovaných organizmov (GMO). Výzvy zahŕňajú riešenie rozmanitosti surovín a udržiavanie kontroly kvality.

Budúcnosť škálovania fermentácie

Oblasť škálovania fermentácie sa neustále vyvíja, pričom sa vyvíjajú nové technológie a stratégie na zlepšenie výkonu procesu a zníženie nákladov. Medzi kľúčové trendy v škálovaní fermentácie patria:

Záver

Škálovanie fermentácie je komplexný a náročný proces, ale je nevyhnutný pre komercializáciu biotechnologických inovácií. Pochopením kľúčových princípov škálovania fermentácie, riešením výziev, využívaním dostupných technológií a implementáciou dobre naplánovanej stratégie môžu spoločnosti úspešne škálovať svoje fermentačné procesy a získať konkurenčnú výhodu na globálnom trhu. Neustále inovácie a zameranie na udržateľnosť budú kľúčové pre budúcnosť fermentačnej technológie na celom svete.