M

MLOG

Svenska

En omfattande guide till uppskalning av fermentering som täcker nyckelprinciper, utmaningar, teknologier och strategier för framgångsrik bioprocessoptimering.

Uppskalning av fermentering: En omfattande guide för globala bioteknologiska framsteg

Fermentering, en metabolisk process som omvandlar sockerarter till syror, gaser eller alkohol, är en hörnsten i olika industrier, inklusive livsmedel och dryck, läkemedel, biobränslen och industriella enzymer. Att skala upp fermenteringsprocesser, övergången från laboratorieskala till industriell produktionsskala, medför betydande utmaningar och kräver en djup förståelse för bioprocesstekniska principer. Denna guide ger en omfattande översikt över uppskalning av fermentering och täcker nyckelkoncept, utmaningar, teknologier och strategier för framgångsrik bioprocessoptimering inom olika industrier världen över.

Varför är uppskalning av fermentering viktigt?

Förmågan att effektivt skala upp fermenteringsprocesser är avgörande för att kommersialisera bioteknologiska innovationer. Även om lovande resultat kan uppnås i laboratorieskala, kräver översättningen av dessa resultat till storskalig produktion noggrant övervägande av olika faktorer, inklusive:

Att framgångsrikt navigera komplexiteten i uppskalning av fermentering är avgörande för företag som vill kommersialisera sina bioteknologiska produkter och få en konkurrensfördel på den globala marknaden. Till exempel måste ett läkemedelsföretag som utvecklar ett nytt antibiotikum genom mikrobiell fermentering säkerställa att fermenteringsprocessen kan skalas upp för att producera läkemedlet i tillräckliga kvantiteter för att möta behoven hos patienter världen över. På samma sätt måste ett biobränsleföretag som siktar på att producera etanol från lignocellulosisk biomassa optimera fermenteringsprocessen för storskalig produktion för att göra biobränslen till ett livskraftigt alternativ till fossila bränslen.

Nyckelprinciper för uppskalning av fermentering

Framgångsrik uppskalning av fermentering bygger på flera grundläggande principer inom bioprocessteknik. Att förstå och tillämpa dessa principer är avgörande för att uppnå optimal processprestanda i industriell skala.

1. Bibehålla en konstant volymetrisk massöverföringskoefficient (kLa)

Syreöverföring är ofta en begränsande faktor i aeroba fermenteringsprocesser. Den volymetriska massöverföringskoefficienten (kLa) är en avgörande parameter som beskriver hastigheten med vilken syre överförs från gasfasen till vätskefasen i en bioreaktor. Att bibehålla ett konstant kLa under uppskalning är avgörande för att säkerställa att cellerna får tillräckligt med syre för tillväxt och produktbildning. Detta kan uppnås genom att justera parametrar som omrörningshastighet, luftningshastighet och bioreaktorgeometri.

Till exempel, vid produktion av citronsyra med Aspergillus niger, kan syrebegränsning avsevärt minska utbytet av citronsyra. Att bibehålla ett tillräckligt kLa under hela fermenteringsprocessen är avgörande för att maximera produktionen av citronsyra. Olika strategier, som att använda syreberikad luft eller optimera impellerns design, kan användas för att förbättra syreöverföringen.

2. Bibehålla en konstant blandningstid

Effektiv blandning är avgörande för att säkerställa homogenitet i bioreaktorn, förhindra substrat- eller näringsbegränsningar och avleda värme. Att bibehålla en konstant blandningstid under uppskalning är viktigt för att säkerställa att cellerna upplever en enhetlig miljö och att gradienter av näringsämnen, pH och temperatur minimeras. Blandningstiden kan påverkas av faktorer som impellerdesign, impellerhastighet och bioreaktorgeometri.

Tänk på produktionen av rekombinanta proteiner i däggdjurscellodling. Däggdjursceller är skjuvkänsliga, och överdriven omrörning kan skada cellerna och minska proteinutbytet. Däremot kan otillräcklig blandning leda till näringsbegränsningar och cellklumpning. Att optimera blandningstiden för att balansera dessa konkurrerande faktorer är avgörande för en framgångsrik uppskalning.

3. Bibehålla en konstant skjuvhastighet

Skjuvhastighet, hastigheten med vilken intilliggande vätskeskikt rör sig i förhållande till varandra, kan ha en betydande inverkan på cellviabilitet och produktkvalitet, särskilt för skjuvkänsliga celler som däggdjursceller och växtceller. Att bibehålla en konstant skjuvhastighet under uppskalning är viktigt för att minimera cellskador och säkerställa konsekvent produktkvalitet. Skjuvhastigheten kan kontrolleras genom att justera parametrar som impellerhastighet och impellerdesign.

Till exempel, vid produktion av monoklonala antikroppar i CHO-celler kan överdriven skjuvspänning leda till cell-lys och frisättning av intracellulära proteaser, som kan bryta ner antikropparna. Att använda impellrar med låg skjuvning och optimera omrörningshastigheten kan hjälpa till att minimera skjuvspänningen och förbättra antikroppsproduktionen.

4. Bibehålla en konstant effekttillförsel per volymenhet (P/V)

Effekttillförseln per volymenhet (P/V) är ett mått på den energi som tillförs bioreaktorn för blandning och luftning. Att bibehålla ett konstant P/V under uppskalning kan hjälpa till att säkerställa att blandnings- och syreöverföringsegenskaperna hos bioreaktorn är liknande i olika skalor. Det är dock viktigt att notera att P/V inte är den enda faktorn som påverkar blandning och syreöverföring, och andra parametrar som impellerdesign och bioreaktorgeometri bör också beaktas.

I många bakteriella fermenteringar kan ett högre P/V vara acceptabelt på grund av bakteriecellernas mer robusta natur jämfört med däggdjursceller. Men även i bakteriella fermenteringar kan överdrivet P/V leda till ökad energiförbrukning och potentiellt till cellskador i vissa fall. Att optimera P/V i kombination med andra parametrar är därför avgörande.

5. Geometrisk likhet

Att bibehålla geometrisk likhet under uppskalning innebär att förhållandena mellan bioreaktorns dimensioner (t.ex. diameter, höjd, impellerdiameter) förblir konstanta. Detta kan hjälpa till att säkerställa att flödesmönster och blandningsegenskaper hos bioreaktorn är liknande i olika skalor. Det är dock ofta inte möjligt att bibehålla perfekt geometrisk likhet på grund av praktiska begränsningar som kostnads- och utrymmesbegränsningar. Dessutom garanterar perfekt geometrisk likhet inte identisk prestanda eftersom vätskedynamik inte enbart styrs av geometri.

Till exempel kan geometriskt lika bioreaktorer ha olika förhållanden mellan yta och volym, vilket kan påverka värmeöverföring och avdunstningshastigheter. Beräkningsströmningsdynamik (CFD)-modellering kan användas för att bedöma effekterna av avvikelser från geometrisk likhet på bioreaktorns prestanda.

Utmaningar vid uppskalning av fermentering

Att skala upp fermenteringsprocesser medför många utmaningar, vilket kräver noggrant övervägande av olika faktorer som kan påverka processens prestanda.

1. Begränsningar i syreöverföring

När skalan på bioreaktorn ökar blir det svårare att upprätthålla tillräcklig syreöverföring till cellerna. Detta beror på att förhållandet mellan yta och volym minskar, och diffusionsvägen för syre ökar. Syrebegränsning kan leda till minskad celltillväxt, produktbildning och till och med celldöd.

Lösningar:

2. Värmeavledning

Fermenteringsprocesser genererar värme på grund av metabolisk aktivitet och omrörning. När skalan på bioreaktorn ökar blir det svårare att avleda denna värme, vilket kan leda till ökad temperatur och minskad celltillväxt och produktbildning. Att upprätthålla optimal temperatur är avgörande för enzymaktivitet och övergripande cellhälsa.

Lösningar:

3. Inhomogeniteter i blandning

När skalan på bioreaktorn ökar blir det svårare att upprätthålla enhetlig blandning i hela kärlet. Detta kan leda till gradienter av näringsämnen, pH och temperatur, vilket kan påverka celltillväxt och produktbildning negativt. Döda zoner eller dåligt blandade regioner kan också främja ansamlingen av giftiga biprodukter.

Lösningar:

4. pH-kontroll

Att upprätthålla optimalt pH är avgörande för celltillväxt och produktbildning. När skalan på bioreaktorn ökar blir det svårare att upprätthålla ett enhetligt pH i hela kärlet. Detta kan leda till pH-gradienter, vilket kan påverka celltillväxt och produktbildning negativt. Metaboliska biprodukter kan avsevärt ändra pH, vilket kräver noggrann kontroll.

Lösningar:

5. Skumkontroll

Skumbildning är ett vanligt problem i fermenteringsprocesser, särskilt de som involverar proteiner eller ytaktiva ämnen. Skum kan leda till minskad arbetsvolym, kontaminering och igensättning av sensorer och filter. Det hindrar också syreöverföringen.

Lösningar:

6. Förändringar i morfologi eller fysiologi

Cellerna kan uppvisa förändrad morfologi eller fysiologi när skalan ökar. Skjuvspänning eller andra förändringar i bioreaktormiljön kan få celler att producera olika proteiner eller ha olika tillväxthastigheter. Dessa förändringar kan påverka produktutbyte och kvalitet. Detta är särskilt vanligt hos filamentösa organismer eller aggregerade cellkulturer.

Lösningar:

7. Upprätthålla sterilitet

Att upprätthålla sterilitet är avgörande för att förhindra kontaminering och säkerställa produktkvalitet. När skalan på bioreaktorn ökar blir det svårare att upprätthålla sterilitet på grund av den ökade ytan och det ökade antalet anslutningar och provtagningspunkter.

Lösningar:

Teknologier för uppskalning av fermentering

Flera teknologier finns tillgängliga för att hjälpa till med uppskalning och optimering av fermentering. Dessa teknologier kan hjälpa till att övervinna de utmaningar som är förknippade med att skala upp fermenteringsprocesser och förbättra processens prestanda.

1. Beräkningsströmningsdynamik (CFD)

CFD är ett kraftfullt verktyg för att simulera vätskeflöde, värmeöverföring och massöverföring i bioreaktorer. CFD kan användas för att optimera bioreaktordesign, förutsäga blandningsmönster och identifiera döda zoner. CFD-modellering kan hjälpa till att förutsäga förhållanden i större skalor baserat på småskaliga experiment, vilket minskar antalet kostsamma körningar i pilotskala som krävs.

Exempel: CFD kan användas för att optimera impellerdesign och placering i en storskalig bioreaktor för att säkerställa enhetlig blandning och syreöverföring. Det kan också identifiera områden där skjuvspänningen är hög, vilket gör att ingenjörer kan justera designen för att minimera cellskador.

2. Processanalytisk teknologi (PAT)

PAT är ett system för att designa, analysera och kontrollera tillverkning genom snabba mätningar (dvs. under bearbetning) av kritiska kvalitetsattribut och prestandaattribut för råmaterial och processmaterial samt processer med målet att säkerställa slutproduktens kvalitet. PAT-verktyg inkluderar sensorer för övervakning av pH, temperatur, löst syre, celltäthet och näringsnivåer. Datainsamling i realtid möjliggör omedelbara justeringar av fermenteringsprocessen, vilket leder till ökad effektivitet och reproducerbarhet.

Exempel: Att använda en online nära-infraröd (NIR) spektrometer för att övervaka glukosnivåer i fermenteringsbuljongen möjliggör realtidsjusteringar av matningshastigheten, vilket förhindrar glukosbegränsning eller övermatning, vilka båda kan påverka produktutbytet negativt.

3. Statistisk försöksplanering (DoE)

DoE (Design of Experiments) är ett systematiskt tillvägagångssätt för att planera och genomföra experiment för att identifiera de optimala driftförhållandena för en process. DoE kan användas för att optimera fermenteringsparametrar som temperatur, pH, näringsnivåer och luftningshastighet. DoE är ett mycket effektivare tillvägagångssätt än traditionell "en-faktor-i-taget"-experimentering.

Exempel: Att använda DoE för att optimera koncentrationerna av olika näringsämnen i fermenteringsmediet kan avsevärt förbättra produktutbytet. Det statistiska tillvägagångssättet möjliggör identifiering av interaktioner mellan näringsämnen som kanske inte är uppenbara genom traditionell experimentering.

4. Avancerade bioreaktordesigner

Flera avancerade bioreaktordesigner har utvecklats för att förbättra processens prestanda. Dessa inkluderar:

Exempel: Engångsbioreaktorer används alltmer inom den biofarmaceutiska industrin för produktion av monoklonala antikroppar. Dessa bioreaktorer erbjuder flera fördelar, inklusive minskad kapitalinvestering, snabbare omloppstider och lägre risk för kontaminering.

5. Nedskalningsmodeller

Nedskalningsmodeller är småskaliga bioreaktorer som är utformade för att efterlikna förhållandena i en storskalig bioreaktor. Nedskalningsmodeller kan användas för att studera effekterna av olika processparametrar på celltillväxt och produktbildning, utan att behöva genomföra experiment i den storskaliga bioreaktorn. Detta sparar tid och resurser.

Exempel: En nedskalningsmodell kan användas för att simulera begränsningarna i syreöverföring i en storskalig bioreaktor. Genom att studera effekterna av syrebegränsning på celltillväxt och produktbildning i nedskalningsmodellen kan ingenjörer utveckla strategier för att övervinna dessa begränsningar i den storskaliga bioreaktorn.

Strategier för framgångsrik uppskalning av fermentering

Framgångsrik uppskalning av fermentering kräver en välplanerad och genomförd strategi som adresserar utmaningarna och utnyttjar de tillgängliga teknologierna.

1. Grundlig processförståelse

En djup förståelse för fermenteringsprocessen är avgörande för en framgångsrik uppskalning. Detta inkluderar förståelse för de metaboliska vägarna, de optimala tillväxtförhållandena för cellerna och de kritiska processparametrarna som påverkar produktutbyte och kvalitet. Att förstå potentiella hämmande faktorer är också kritiskt. En solid grund byggd på välkarakteriserade småskaliga experiment är avgörande.

2. Utveckla en robust ympkedja

En robust ympkedja är avgörande för att säkerställa att cellerna är friska och aktivt växande när de överförs till den storskaliga bioreaktorn. Ympkedjan bör utformas för att gradvis anpassa cellerna till den större skalan. Detta innebär ofta att man börjar med ett litet inokulum i en skakkolv och gradvis ökar volymen på inokulumet genom en serie av successivt större bioreaktorer.

3. Implementera ett fas-anpassat tillvägagångssätt

Ett fas-anpassat tillvägagångssätt innebär att nivån på noggrannhet och dokumentation ska vara i proportion till utvecklingsstadiet. Tidig processutveckling kan fokusera på att identifiera de optimala fermenteringsparametrarna, medan senare processutveckling bör fokusera på att optimera och validera processen för att säkerställa konsekvent produktkvalitet och reproducerbarhet.

4. Genomför studier i pilotskala

Studier i pilotskala är ett viktigt steg i uppskalningsprocessen. Studier i pilotskala gör att du kan testa fermenteringsprocessen i en bioreaktor som är närmare i storlek till den storskaliga bioreaktorn. Detta gör att du kan identifiera potentiella problem och optimera processen innan du går över till fullskalig produktion. Studier i pilotskala kan avslöja problem med blandning, värmeöverföring eller pH-kontroll som inte var uppenbara i den mindre skalan.

5. Övervaka kritiska processparametrar

Kontinuerlig övervakning av kritiska processparametrar (CPP) är avgörande för att säkerställa konsekvent produktkvalitet och reproducerbarhet. CPP inkluderar temperatur, pH, löst syre, celltäthet och näringsnivåer. Realtidsövervakning möjliggör omedelbara justeringar av fermenteringsprocessen, vilket förhindrar avvikelser från de optimala driftförhållandena.

6. Implementera processtyrningsstrategier

Processtyrningsstrategier är avgörande för att hålla fermenteringsprocessen inom det önskade driftområdet. Detta inkluderar att implementera återkopplingsslingor för att automatiskt justera parametrar som temperatur, pH och löst syre. Avancerade styrstrategier, såsom modellprediktiv styrning (MPC), kan användas för att optimera fermenteringsprocessen i realtid.

7. Utveckla ett grundligt rengörings- och steriliseringsprotokoll

Ett grundligt rengörings- och steriliseringsprotokoll är avgörande för att förhindra kontaminering och säkerställa produktkvalitet. Protokollet bör innehålla detaljerade procedurer för rengöring och sterilisering av all utrustning och alla medier. Effektiviteten av rengörings- och steriliseringsprotokollet bör valideras för att säkerställa att det kan avlägsna alla kontaminanter.

8. Dokumentation och spårbarhet

Detaljerad dokumentation är avgörande för att visa att fermenteringsprocessen är välkontrollerad och att produkten uppfyller alla kvalitetskrav. Detta inkluderar dokumentation av alla processparametrar, råmaterial och analysresultat. En omfattande revisionshistorik bör upprätthållas för att säkerställa spårbarhet för all data.

Globala fallstudier i uppskalning av fermentering

Att undersöka framgångsrika uppskalningshistorier från hela världen ger värdefulla insikter och lärdomar.

1. Produktion av insulin i Danmark

Novo Nordisk, ett danskt läkemedelsföretag, är en global ledare inom produktion av insulin. Företaget har framgångsrikt skalat upp sina fermenteringsprocesser för produktion av rekombinant insulin i Saccharomyces cerevisiae. Nyckeln till deras framgång har varit implementeringen av avancerade processtyrningsstrategier och användningen av engångsbioreaktorer. De använder också avancerade nedströmsprocesser för att rena insulinet för att uppfylla stränga regulatoriska krav världen över.

2. Produktion av biobränslen i Brasilien

Brasilien är världsledande inom produktion av etanol från sockerrör. Brasilianska företag har utvecklat högeffektiva fermenteringsprocesser för produktion av etanol, som används som biobränsle. Uppskalningen av dessa processer har inneburit optimering av jäststammarna som används för fermentering, förbättring av fermenteringsprocessens effektivitet och utveckling av robusta nedströmsprocesser. Kontinuerlig fermentering används vanligtvis.

3. Produktion av antibiotika i Indien

Indien är en stor producent av antibiotika. Indiska läkemedelsföretag har framgångsrikt skalat upp sina fermenteringsprocesser för produktion av olika antibiotika, inklusive penicillin och cefalosporiner. Detta har inneburit optimering av fermenteringsförhållandena, förbättring av fermenteringsprocessens effektivitet och utveckling av robusta nedströmsprocesser. De har också fokuserat på kostnadseffektiva produktionsstrategier för att konkurrera på den globala marknaden.

4. Produktion av industriella enzymer i Kina

Kina är en betydande producent av industriella enzymer. Kinesiska företag har skalat upp sina fermenteringsprocesser för produktion av olika enzymer, inklusive amylaser, proteaser och lipaser. Dessa enzymer används i en mängd olika industrier, inklusive livsmedel och drycker, textilier och tvättmedel. Effektiv storskalig fermentering med genetiskt modifierade organismer (GMO) är vanlig praxis. Utmaningar inkluderar att hantera mångfalden av råmaterial och att upprätthålla kvalitetskontroll.

Framtiden för uppskalning av fermentering

Området för uppskalning av fermentering utvecklas ständigt, med nya teknologier och strategier som utvecklas för att förbättra processens prestanda och minska kostnaderna. Några av de viktigaste trenderna inom uppskalning av fermentering inkluderar:

Slutsats

Uppskalning av fermentering är en komplex och utmanande process, men den är avgörande för att kommersialisera bioteknologiska innovationer. Genom att förstå nyckelprinciperna för uppskalning av fermentering, hantera utmaningarna, utnyttja de tillgängliga teknologierna och implementera en välplanerad strategi kan företag framgångsrikt skala upp sina fermenteringsprocesser och få en konkurrensfördel på den globala marknaden. Kontinuerlig innovation och ett fokus på hållbarhet kommer att vara avgörande för framtiden för fermenteringsteknologi världen över.