การขยายขนาด: คู่มือฉบับสมบูรณ์สำหรับการหมักเชิงพาณิชย์

การหมักเป็นรากฐานที่สำคัญของอุตสาหกรรมมากมาย ตั้งแต่อาหารและเครื่องดื่มไปจนถึงยาและเชื้อเพลิงชีวภาพ แม้ว่าความสำเร็จในการหมักในระดับห้องปฏิบัติการจะเป็นความสำเร็จที่สำคัญ แต่การเปลี่ยนความสำเร็จนั้นไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์จำเป็นต้องมีการวางแผน การดำเนินการ และการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างรอบคอบ คู่มือนี้จะให้ภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับข้อควรพิจารณาที่สำคัญและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการขยายขนาดกระบวนการหมักเชิงพาณิชย์

เหตุใดการขยายขนาดการหมักจึงเป็นเรื่องท้าทาย?

การขยายขนาดกระบวนการหมักไม่ใช่แค่การเพิ่มปริมาตร ปัจจัยหลายอย่างที่ควบคุมได้ง่ายในระดับเล็กจะซับซ้อนขึ้นอย่างมากเมื่อกระบวนการเติบโตขึ้น ซึ่งรวมถึง:

• การถ่ายเทความร้อน: การรักษาอุณหภูมิที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์และการสร้างผลิตภัณฑ์ ถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่มีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรน้อยกว่า ทำให้การระบายความร้อนทำได้ยากขึ้น การระบายความร้อนที่ไม่เพียงพออาจนำไปสู่ความร้อนสูงเกินไปและการตายของเซลล์ ในขณะที่การระบายความร้อนที่มากเกินไปอาจทำให้กระบวนการหมักช้าลง
• การถ่ายโอนมวล: การถ่ายโอนออกซิเจนมักเป็นปัจจัยจำกัดในการหมักแบบใช้ออกซิเจน เมื่อความหนาแน่นของเซลล์เพิ่มขึ้น ความต้องการออกซิเจนก็สูงขึ้น การรับประกันว่ามีออกซิเจนเพียงพอทั่วทั้งถังปฏิกรณ์ชีวภาพจะทำได้ยากขึ้นในขนาดที่ใหญ่ขึ้น การผสม การเป่าอากาศ และการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์มีบทบาทสำคัญในประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจน
• การผสม: การผสมที่มีประสิทธิภาพเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการรักษาความสม่ำเสมอ การกระจายสารอาหาร และการกำจัดผลิตภัณฑ์พลอยได้จากการเผาผลาญ การผสมที่ไม่ดีอาจนำไปสู่การเกิดความแตกต่างของค่า pH อุณหภูมิ และความเข้มข้นของสารอาหาร ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อการเจริญเติบโตของเซลล์และการสร้างผลิตภัณฑ์ ประเภทและการกำหนดค่าของใบพัด การออกแบบแผ่นกั้น และความเร็วในการผสมต้องได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบ
• ความเค้นเฉือน: ความเค้นเฉือนที่มากเกินไปจากใบพัดอาจทำลายเซลล์ได้ โดยเฉพาะเซลล์ที่ไวต่อแรงเฉือน การปรับการออกแบบใบพัดและความเร็วในการผสมให้เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญเพื่อลดความเค้นเฉือนในขณะที่ยังคงการผสมที่เพียงพอ เซลล์บางชนิด (เช่น เชื้อราเส้นใย) มีความไวต่อความเสียหายจากแรงเฉือนมากกว่าเซลล์ชนิดอื่น
• ความปราศจากเชื้อ: การรักษาความปราศจากเชื้อเป็นสิ่งสำคัญยิ่งในกระบวนการหมัก ความเสี่ยงของการปนเปื้อนจะเพิ่มขึ้นตามขนาดและความซับซ้อนของถังปฏิกรณ์ชีวภาพ ขั้นตอนการฆ่าเชื้อที่เข้มงวด เทคนิคปลอดเชื้อ และระบบปิดเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันการปนเปื้อนและรับประกันคุณภาพของผลิตภัณฑ์
• การควบคุมค่า pH: การรักษาระดับค่า pH ที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับกิจกรรมของเอนไซม์และความอยู่รอดของเซลล์ เมื่อการหมักดำเนินไป การผลิตกรดหรือเบสอาจทำให้ค่า pH เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ การควบคุมค่า pH ที่แม่นยำต้องใช้ระบบตรวจสอบและควบคุมที่ซับซ้อน
• การตรวจสอบและควบคุมกระบวนการ: การตรวจสอบและควบคุมพารามิเตอร์ที่สำคัญของกระบวนการอย่างมีประสิทธิภาพ (เช่น อุณหภูมิ, pH, ออกซิเจนละลายน้ำ, ระดับสารอาหาร) เป็นสิ่งสำคัญสำหรับประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ระบบการตรวจสอบแบบเรียลไทม์และระบบควบคุมอัตโนมัติเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการหมักขนาดใหญ่
• การเปลี่ยนแปลงทางเมตาบอลิซึมที่ขึ้นอยู่กับขนาด: เซลล์อาจมีพฤติกรรมแตกต่างกันในถังหมักขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับการเพาะเลี้ยงขนาดเล็ก ปัจจัยต่างๆ เช่น ความพร้อมของออกซิเจน ความเค้นเฉือน และความแตกต่างของสารอาหาร สามารถเปลี่ยนแปลงวิถีเมตาบอลิซึมและส่งผลต่อผลผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จำเป็นต้องได้รับการศึกษาและจัดการอย่างรอบคอบในระหว่างการขยายขนาด

ขั้นตอนการขยายขนาดการหมัก

กระบวนการขยายขนาดโดยทั่วไปประกอบด้วยหลายขั้นตอน แต่ละขั้นตอนมีวัตถุประสงค์และความท้าทายของตัวเอง:

1. การพัฒนาหัวเชื้อ (Seed Culture)

หัวเชื้อทำหน้าที่เป็นเชื้อเริ่มต้นสำหรับถังหมักที่ใช้ในการผลิต สิ่งสำคัญคือต้องพัฒนาหัวเชื้อที่แข็งแรง เติบโตอย่างแข็งขัน และปราศจากการปนเปื้อน โดยปกติจะเกี่ยวข้องกับขั้นตอนการเจริญเติบโตหลายขั้นตอน เริ่มจากเซลล์เพาะเลี้ยงที่เก็บรักษาด้วยความเย็นและพัฒนาต่อไปในขวดเขย่า (shake flasks) ถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดเล็ก และสุดท้ายไปยังถังหมักหัวเชื้อ หัวเชื้อควรมีลักษณะทางสรีรวิทยาคล้ายกับเซลล์ที่ต้องการในถังหมักที่ใช้ในการผลิต

ตัวอย่าง: บริษัทยาที่พัฒนายาปฏิชีวนะใหม่อาจเริ่มต้นจากสต็อกจุลินทรีย์ผู้ผลิตที่แช่แข็ง สต็อกนี้จะถูกนำมาทำให้ฟื้นตัวในขวดเขย่า จากนั้นถ่ายโอนไปยังถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดเล็ก (เช่น 2 ลิตร) มวลชีวภาพจากถังปฏิกรณ์ชีวภาพนี้จะถูกใช้เป็นเชื้อเริ่มต้นสำหรับถังหมักหัวเชื้อที่ใหญ่ขึ้น (เช่น 50 ลิตร) ซึ่งจะให้เชื้อเริ่มต้นสำหรับถังหมักที่ใช้ในการผลิตต่อไป

2. การหมักระดับนำร่อง (Pilot-Scale)

การหมักระดับนำร่องเป็นสะพานเชื่อมระหว่างห้องปฏิบัติการและการผลิตในระดับอุตสาหกรรม ช่วยให้คุณสามารถทดสอบและปรับปรุงกระบวนการหมักภายใต้สภาวะที่คล้ายคลึงกับสภาพแวดล้อมการผลิตเต็มรูปแบบมากขึ้น การศึกษาระดับนำร่องช่วยระบุปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในการขยายขนาดและปรับปรุงพารามิเตอร์การทำงาน การทดลองเหล่านี้มักใช้ถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดตั้งแต่ 50 ลิตร ถึง 500 ลิตร

ตัวอย่าง: บริษัทเชื้อเพลิงชีวภาพอาจใช้ถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 100 ลิตร เพื่อประเมินประสิทธิภาพของยีสต์สายพันธุ์ใหม่ที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรมสำหรับการผลิตเอทานอล พวกเขาจะปรับพารามิเตอร์ต่างๆ ให้เหมาะสม เช่น อุณหภูมิ ค่า pH และอัตราการป้อนสารอาหาร เพื่อให้ได้ผลผลิตและผลิตภาพของเอทานอลสูงสุด

3. การหมักระดับการผลิต (Production-Scale)

ขั้นตอนสุดท้ายคือการหมักระดับการผลิต ซึ่งผลิตภัณฑ์จะถูกผลิตในปริมาณมากเพื่อการขายเชิงพาณิชย์ ถังปฏิกรณ์ชีวภาพระดับการผลิตอาจมีขนาดตั้งแต่หลายพันลิตรไปจนถึงหลายแสนลิตร การรักษาประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ในระดับนี้จำเป็นต้องให้ความสำคัญกับรายละเอียดและระบบควบคุมกระบวนการที่แข็งแกร่ง

ตัวอย่าง: โรงเบียร์อาจใช้ถังหมักขนาด 10,000 ลิตร เพื่อผลิตเบียร์ในระดับการค้า พวกเขาจะตรวจสอบอุณหภูมิ ค่า pH และระดับออกซิเจนละลายน้ำอย่างใกล้ชิดเพื่อให้ได้รสชาติและคุณภาพที่สม่ำเสมอ

ข้อควรพิจารณาที่สำคัญสำหรับการขยายขนาดการหมัก

1. การออกแบบถังปฏิกรณ์ชีวภาพ

ถังปฏิกรณ์ชีวภาพเป็นหัวใจของกระบวนการหมัก การเลือกการออกแบบถังปฏิกรณ์ชีวภาพที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความสำเร็จในการขยายขนาด ข้อควรพิจารณาที่สำคัญ ได้แก่:

• ประเภทของถังปฏิกรณ์ชีวภาพ: ถังปฏิกรณ์ชีวภาพประเภทต่างๆ เหมาะสมกับการใช้งานที่แตกต่างกัน ถังปฏิกรณ์แบบกวน (Stirred-tank reactors) เป็นประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด แต่ก็มีตัวเลือกอื่นๆ เช่น ถังปฏิกรณ์แบบ Air-lift, ถังปฏิกรณ์แบบ Bubble column และถังปฏิกรณ์แบบ Packed-bed การเลือกขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของกระบวนการหมัก เช่น ชนิดของจุลินทรีย์ ความต้องการออกซิเจน และความไวต่อความเค้นเฉือน
• ระบบการผสม: ระบบการผสมต้องให้การผสมที่เพียงพอเพื่อความสม่ำเสมอ การกระจายสารอาหาร และการถ่ายโอนออกซิเจน ประเภทของใบพัดที่นิยมใช้ ได้แก่ Rushton turbines, pitched-blade turbines และ marine propellers จำนวนและการกำหนดค่าของใบพัด การออกแบบแผ่นกั้น และความเร็วในการผสมต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมกับถังปฏิกรณ์ชีวภาพและกระบวนการหมักที่เฉพาะเจาะจง
• ระบบการเป่าอากาศ (Sparging System): ระบบการเป่าอากาศจะนำอากาศหรือออกซิเจนเข้าสู่ถังปฏิกรณ์ชีวภาพ ประเภทและขนาดของหัวเป่าอากาศ (sparger) อัตราการไหลของก๊าซ และส่วนประกอบของก๊าซต้องได้รับการควบคุมอย่างรอบคอบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจนโดยไม่ทำให้เกิดฟองมากเกินไปหรือทำลายเซลล์
• ระบบการถ่ายเทความร้อน: ระบบการถ่ายเทความร้อนต้องรักษาอุณหภูมิของถังปฏิกรณ์ชีวภาพให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์และการสร้างผลิตภัณฑ์ โดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับภาชนะที่มีผนังสองชั้น (jacketed vessel) ที่มีของเหลวทำความเย็นหรือทำความร้อนหมุนเวียน ความสามารถในการถ่ายเทความร้อนต้องเพียงพอที่จะระบายความร้อนที่เกิดจากกระบวนการหมัก
• เครื่องมือวัดและการควบคุม: ถังปฏิกรณ์ชีวภาพต้องติดตั้งเซ็นเซอร์และระบบควบคุมเพื่อตรวจสอบและควบคุมพารามิเตอร์ที่สำคัญของกระบวนการ เช่น อุณหภูมิ ค่า pH ออกซิเจนละลายน้ำ และระดับสารอาหาร ระบบควบคุมอัตโนมัติเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการรักษาประสิทธิภาพและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ

2. การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเกี่ยวข้องกับการระบุและปรับปรุงพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญซึ่งส่งผลต่อการเจริญเติบโตของเซลล์ การสร้างผลิตภัณฑ์ และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ โดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับการผสมผสานระหว่างการศึกษาเชิงทดลองและการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์

• การปรับปรุงอาหารเลี้ยงเชื้อ (Medium Optimization): อาหารเลี้ยงเชื้อต้องให้สารอาหารทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์และการสร้างผลิตภัณฑ์ การปรับปรุงส่วนประกอบของอาหารเลี้ยงเชื้อสามารถปรับปรุงผลผลิตและผลิตภาพของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของแหล่งคาร์บอน แหล่งไนโตรเจน วิตามิน และแร่ธาตุ การออกแบบการทดลองทางสถิติ เช่น ระเบียบวิธีพื้นผิวตอบสนอง (Response Surface Methodology - RSM) สามารถใช้เพื่อปรับปรุงส่วนประกอบของอาหารเลี้ยงเชื้อได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• การปรับปรุงอุณหภูมิ: อุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์และการสร้างผลิตภัณฑ์ขึ้นอยู่กับจุลินทรีย์แต่ละชนิด อุณหภูมิอาจส่งผลต่อกิจกรรมของเอนไซม์ ความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์ และความเสถียรของโปรตีน ควรกำหนดอุณหภูมิที่เหมาะสมโดยการทดลอง
• การปรับปรุงค่า pH: ช่วงค่า pH ที่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์และการสร้างผลิตภัณฑ์ก็ขึ้นอยู่กับจุลินทรีย์แต่ละชนิดเช่นกัน ค่า pH อาจส่งผลต่อกิจกรรมของเอนไซม์ การซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์ และการละลายของโปรตีน การควบคุมค่า pH ที่แม่นยำเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับประสิทธิภาพการหมักที่ดีที่สุด
• การปรับปรุงออกซิเจนละลายน้ำ: การรักษาระดับออกซิเจนละลายน้ำที่เพียงพอเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการหมักแบบใช้ออกซิเจน ระดับออกซิเจนละลายน้ำที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับความต้องการออกซิเจนของจุลินทรีย์และความสามารถในการถ่ายโอนออกซิเจนของถังปฏิกรณ์ชีวภาพ ระดับออกซิเจนละลายน้ำสามารถควบคุมได้โดยการปรับความเร็วในการกวน อัตราการเติมอากาศ และการเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจน
• กลยุทธ์การป้อนสารอาหาร (Feed Strategies): สำหรับการหมักแบบกึ่งต่อเนื่อง (fed-batch) และแบบต่อเนื่อง (continuous) อัตราการป้อนและส่วนประกอบของสารอาหารต้องได้รับการปรับปรุงอย่างรอบคอบเพื่อเพิ่มผลผลิตและผลิตภาพของผลิตภัณฑ์ให้สูงสุด สามารถใช้กลยุทธ์การควบคุมแบบป้อนกลับ (feedback control) เพื่อปรับอัตราการป้อนโดยอิงจากการวัดความเข้มข้นของกลูโคส ค่า pH หรือออกซิเจนละลายน้ำแบบเรียลไทม์

3. การตรวจสอบและควบคุม

การตรวจสอบและควบคุมพารามิเตอร์ที่สำคัญของกระบวนการอย่างมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ซึ่งต้องใช้เซ็นเซอร์ ระบบควบคุม และเทคนิคการวิเคราะห์ข้อมูลที่เหมาะสม

• เซ็นเซอร์: มีเซ็นเซอร์ต่างๆ สำหรับการตรวจสอบพารามิเตอร์ที่สำคัญของกระบวนการ รวมถึงอุณหภูมิ, pH, ออกซิเจนละลายน้ำ, ความเข้มข้นของกลูโคส, ความเข้มข้นของมวลชีวภาพ และความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ การเลือกเซ็นเซอร์ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ที่ต้องการวัดและความต้องการของกระบวนการหมัก
• ระบบควบคุม: ระบบควบคุมอัตโนมัติใช้เพื่อควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการโดยอาศัยการป้อนกลับจากเซ็นเซอร์ ระบบควบคุมที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ตัวควบคุม PID (proportional-integral-derivative) ซึ่งจะปรับตัวแปรที่ถูกควบคุม (เช่น อุณหภูมิ, pH, ความเร็วในการกวน) เพื่อรักษาค่าที่ตั้งไว้ (setpoints)
• การวิเคราะห์ข้อมูล: ข้อมูลที่รวบรวมจากเซ็นเซอร์และระบบควบคุมสามารถนำมาวิเคราะห์เพื่อระบุแนวโน้ม ตรวจจับความผิดปกติ และเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการ เทคนิคการควบคุมกระบวนการทางสถิติ (Statistical Process Control - SPC) สามารถใช้เพื่อตรวจสอบความแปรปรวนของกระบวนการและระบุปัญหาที่อาจเกิดขึ้นก่อนที่จะส่งผลกระทบต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์
• เทคโนโลยีการวิเคราะห์กระบวนการ (Process Analytical Technology - PAT): PAT เป็นกรอบการทำงานสำหรับการออกแบบ วิเคราะห์ และควบคุมกระบวนการผลิตผ่านการวัดคุณลักษณะคุณภาพที่สำคัญ (Critical Quality Attributes - CQAs) และพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญ (Critical Process Parameters - CPPs) อย่างทันท่วงที PAT มีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงความเข้าใจในกระบวนการ ลดความแปรปรวน และเพิ่มคุณภาพของผลิตภัณฑ์

4. การรับประกันความปราศจากเชื้อ

การรักษาความปราศจากเชื้อเป็นสิ่งสำคัญยิ่งในกระบวนการหมัก การปนเปื้อนอาจนำไปสู่การเน่าเสียของผลิตภัณฑ์ ผลผลิตลดลง และแม้กระทั่งความล้มเหลวของกระบวนการทั้งหมด การใช้ขั้นตอนการฆ่าเชื้อที่เข้มงวดและเทคนิคปลอดเชื้อเป็นสิ่งจำเป็น

• การฆ่าเชื้ออุปกรณ์: อุปกรณ์ทั้งหมดที่สัมผัสกับน้ำหมัก รวมถึงถังปฏิกรณ์ชีวภาพ ท่อ และเซ็นเซอร์ ต้องได้รับการฆ่าเชื้ออย่างทั่วถึงก่อนใช้งาน การฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำเป็นวิธีที่พบบ่อยที่สุด แต่ก็มีตัวเลือกอื่นๆ เช่น การนึ่งฆ่าเชื้อ (autoclaving) การกรอง และการฆ่าเชื้อด้วยสารเคมี
• การฆ่าเชื้ออาหารเลี้ยงเชื้อ: อาหารเลี้ยงเชื้อต้องได้รับการฆ่าเชื้อเพื่อกำจัดจุลินทรีย์ที่ปนเปื้อน ซึ่งโดยทั่วไปจะทำโดยการนึ่งฆ่าเชื้อหรือการกรองฆ่าเชื้อ (filter sterilization)
• เทคนิคปลอดเชื้อ: การดำเนินการทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการเปิดถังปฏิกรณ์ชีวภาพหรือการนำวัสดุเข้าสู่น้ำหมักต้องดำเนินการโดยใช้เทคนิคปลอดเชื้อ ซึ่งรวมถึงการใช้อุปกรณ์ที่ปราศจากเชื้อ การสวมถุงมือที่ปราศจากเชื้อ และการทำงานในสภาพแวดล้อมที่สะอาด
• การกรองอากาศ: อากาศที่เข้าสู่ถังปฏิกรณ์ชีวภาพต้องผ่านการกรองผ่านตัวกรองที่ปราศจากเชื้อเพื่อกำจัดจุลินทรีย์ในอากาศ
• ระบบปิด: การใช้ระบบปิดช่วยลดความเสี่ยงของการปนเปื้อน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่ออุปกรณ์และท่อทั้งหมดในวงจรปิดและหลีกเลี่ยงการถ่ายโอนวัสดุแบบเปิด

5. การควบคุมฟอง

การเกิดฟองเป็นปัญหาทั่วไปในกระบวนการหมัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับโปรตีนหรือสารลดแรงตึงผิว ฟองที่มากเกินไปอาจทำให้การถ่ายโอนออกซิเจนลดลง เกิดการปนเปื้อน และการสูญเสียผลิตภัณฑ์ สามารถควบคุมฟองได้โดยการเติมสารป้องกันการเกิดฟอง (antifoam agents) หรือใช้เครื่องทำลายฟองเชิงกล

• สารป้องกันการเกิดฟอง: สารป้องกันการเกิดฟองเป็นสารเคมีที่ลดแรงตึงผิวของน้ำหมัก ป้องกันการเกิดฟอง สารป้องกันการเกิดฟองที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ซิลิโคน น้ำมันพืช และกรดไขมัน การเลือกสารป้องกันการเกิดฟองขึ้นอยู่กับกระบวนการหมักที่เฉพาะเจาะจงและความไวของจุลินทรีย์
• เครื่องทำลายฟองเชิงกล: เครื่องทำลายฟองเชิงกลใช้ใบพัดหมุนหรืออุปกรณ์อื่นๆ เพื่อทำลายฟองทางกายภาพ มักใช้ร่วมกับสารป้องกันการเกิดฟอง

กลยุทธ์เพื่อการขยายขนาดที่ประสบความสำเร็จ

1. แนวทาง QbD (Quality by Design)

QbD เป็นแนวทางที่เป็นระบบในการพัฒนาซึ่งเริ่มต้นด้วยวัตถุประสงค์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าและเน้นความเข้าใจในผลิตภัณฑ์และกระบวนการ รวมถึงการควบคุมกระบวนการ การใช้หลักการ QbD กับการขยายขนาดการหมักช่วยให้มั่นใจได้ถึงคุณภาพและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ

องค์ประกอบสำคัญของ QbD ได้แก่:

• การกำหนดโปรไฟล์คุณภาพผลิตภัณฑ์เป้าหมาย (QTPP): QTPP อธิบายถึงคุณลักษณะที่ต้องการของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เช่น ความบริสุทธิ์ ความแรง และความเสถียร
• การระบุคุณลักษณะคุณภาพที่สำคัญ (CQAs): CQAs คือคุณสมบัติทางกายภาพ เคมี ชีวภาพ หรือจุลชีววิทยาที่ต้องควบคุมเพื่อให้แน่ใจว่าได้คุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ
• การระบุพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญ (CPPs): CPPs คือพารามิเตอร์ของกระบวนการที่สามารถส่งผลกระทบต่อ CQAs
• การสร้างพื้นที่การออกแบบ (Design Space): พื้นที่การออกแบบคือการผสมผสานและปฏิสัมพันธ์หลายมิติของตัวแปรอินพุต (เช่น CPPs) และพารามิเตอร์ของกระบวนการที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถรับประกันคุณภาพได้ การทำงานภายในพื้นที่การออกแบบช่วยให้มั่นใจได้ว่าผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติตามคุณภาพที่ต้องการ
• การใช้กลยุทธ์การควบคุม: กลยุทธ์การควบคุมอธิบายว่าจะมีการตรวจสอบและควบคุม CPPs อย่างไรเพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการยังคงอยู่ในพื้นที่การออกแบบและผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติตามคุณภาพที่ต้องการ

2. พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD)

CFD เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการจำลองการไหลของของเหลว การถ่ายเทความร้อน และการถ่ายโอนมวลในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ การจำลอง CFD สามารถใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบถังปฏิกรณ์ชีวภาพ ระบบการผสม และระบบการเป่าอากาศ นอกจากนี้ยังสามารถช่วยระบุปัญหาที่อาจเกิดขึ้น เช่น จุดอับ (dead zones) และจุดที่มีความเค้นเฉือนสูง (shear stress hotspots) CFD สามารถลดจำนวนการทดลองระดับนำร่องที่มีราคาแพงและใช้เวลานานซึ่งจำเป็นสำหรับการขยายขนาด

3. โมเดลย่อส่วน (Scale-Down Models)

โมเดลย่อส่วนคือถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดเล็กที่ออกแบบมาเพื่อเลียนแบบสภาวะในถังปฏิกรณ์ชีวภาพการผลิตขนาดใหญ่ โมเดลย่อส่วนสามารถใช้เพื่อศึกษาผลกระทบของพารามิเตอร์กระบวนการต่างๆ ต่อการเจริญเติบโตของเซลล์ การสร้างผลิตภัณฑ์ และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นระหว่างการขยายขนาด โมเดลย่อส่วนที่มีลักษณะเฉพาะที่ชัดเจนสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีค่าและเร่งกระบวนการพัฒนาได้

4. การสร้างแบบจำลองและการจำลองกระบวนการ

การสร้างแบบจำลองและการจำลองกระบวนการสามารถใช้เพื่อคาดการณ์พฤติกรรมของกระบวนการหมักในขนาดต่างๆ และภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน แบบจำลองทางคณิตศาสตร์สามารถพัฒนาขึ้นโดยใช้หลักการพื้นฐานของการถ่ายโอนมวล การถ่ายเทความร้อน และจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา แบบจำลองเหล่านี้สามารถใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์ของกระบวนการ ออกแบบกลยุทธ์การควบคุม และแก้ไขปัญหา เครื่องมือเช่น MATLAB, gPROMS และ Aspen Plus สามารถใช้สำหรับการสร้างแบบจำลองและการจำลองกระบวนการได้

ข้อควรพิจารณาในกระบวนการปลายน้ำ (Downstream Processing)

ข้อควรพิจารณาในการขยายขนาดขยายไปไกลกว่าตัวกระบวนการหมักเอง กระบวนการปลายน้ำ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการแยกและทำให้ผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์จากน้ำหมัก ก็ต้องมีการขยายขนาดเช่นกัน การเลือกเทคนิคกระบวนการปลายน้ำขึ้นอยู่กับลักษณะของผลิตภัณฑ์ ความเข้มข้น และความบริสุทธิ์ที่ต้องการ เทคนิคกระบวนการปลายน้ำที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่:

• การแยกเซลล์: การกำจัดเซลล์ออกจากน้ำหมักมักเป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการปลายน้ำ สามารถทำได้โดยการเหวี่ยงแยก (centrifugation) การกรอง (filtration) หรือการกรองระดับไมโคร (microfiltration)
• การทำให้เซลล์แตก: หากผลิตภัณฑ์อยู่ภายในเซลล์ (intracellular) จะต้องทำให้เซลล์แตกเพื่อปล่อยผลิตภัณฑ์ออกมา สามารถทำได้ด้วยวิธีทางกล (เช่น การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน, การบดด้วยลูกปัด) หรือวิธีทางเคมี (เช่น การย่อยสลายด้วยเอนไซม์)
• การแยกผลิตภัณฑ์: ผลิตภัณฑ์สามารถแยกออกจากน้ำหมักได้ด้วยเทคนิคหลากหลายวิธี รวมถึงการตกตะกอน (precipitation) การสกัด (extraction) และการดูดซับ (adsorption)
• การทำให้ผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์: โดยทั่วไปผลิตภัณฑ์จะถูกทำให้บริสุทธิ์โดยใช้เทคนิคโครมาโทกราฟี เช่น โครมาโทกราฟีแบบสัมพรรคภาพ (affinity chromatography) โครมาโทกราฟีแบบแลกเปลี่ยนไอออน (ion exchange chromatography) และโครมาโทกราฟีแบบคัดขนาด (size exclusion chromatography)
• การเตรียมสูตรผลิตภัณฑ์: ขั้นตอนสุดท้ายในกระบวนการปลายน้ำคือการเตรียมสูตรผลิตภัณฑ์ให้อยู่ในรูปแบบที่เสถียรและใช้งานได้ ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับการเพิ่มสารปรุงแต่ง (excipients) สารเพิ่มความคงตัว (stabilizers) และสารกันบูด (preservatives)

ตัวอย่างความสำเร็จในการขยายขนาดการหมักทั่วโลก

หลายอุตสาหกรรมทั่วโลกต้องพึ่งพาการขยายขนาดการหมักที่ประสบความสำเร็จเป็นอย่างมาก นี่คือตัวอย่างบางส่วน:

• อุตสาหกรรมยา (ทั่วโลก): การผลิตยาปฏิชีวนะ วัคซีน และชีวเภสัชภัณฑ์อื่นๆ ต้องอาศัยการหมักจุลินทรีย์หรือการเพาะเลี้ยงเซลล์ในขนาดใหญ่ บริษัทอย่าง Pfizer, Roche และ Novartis ดำเนินการโรงงานหมักขนาดใหญ่ทั่วโลก
• อุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม (ยุโรป, อเมริกาเหนือ, เอเชีย): การผลิตเบียร์ ไวน์ โยเกิร์ต ชีส และอาหารและเครื่องดื่มหมักดองอื่นๆ ต้องอาศัยกระบวนการหมักที่มีการควบคุม บริษัทอย่าง Anheuser-Busch InBev (เบลเยียม), Danone (ฝรั่งเศส) และ Kirin Brewery (ญี่ปุ่น) ได้พัฒนากระบวนการขยายขนาดการหมักจนสมบูรณ์แบบมานานหลายปี
• อุตสาหกรรมเชื้อเพลิงชีวภาพ (บราซิล, สหรัฐอเมริกา): การผลิตเอทานอลจากอ้อย (บราซิล) และข้าวโพด (สหรัฐอเมริกา) เกี่ยวข้องกับการหมักน้ำตาลขนาดใหญ่โดยยีสต์ บริษัทอย่าง Raizen (บราซิล) และ Archer Daniels Midland (สหรัฐอเมริกา) ดำเนินการโรงงานผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพขนาดใหญ่
• เทคโนโลยีชีวภาพอุตสาหกรรม (เดนมาร์ก, เยอรมนี, จีน): การผลิตเอนไซม์ พลาสติกชีวภาพ และผลิตภัณฑ์จากชีวภาพอื่นๆ ต้องอาศัยการหมักของจุลินทรีย์ที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรม บริษัทอย่าง Novozymes (เดนมาร์ก), BASF (เยอรมนี) และ Amyris (สหรัฐอเมริกา) เป็นผู้นำในสาขานี้

การแก้ไขปัญหาที่พบบ่อยในการขยายขนาด

แม้จะมีการวางแผนและการดำเนินการอย่างรอบคอบ แต่ปัญหาก็ยังสามารถเกิดขึ้นได้ระหว่างการขยายขนาดการหมัก นี่คือปัญหาทั่วไปบางประการและแนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้:

• ผลผลิตของผลิตภัณฑ์ลดลง: อาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงในวิถีเมตาบอลิซึม การจำกัดสารอาหาร หรือการสะสมของผลิตภัณฑ์พลอยได้ที่เป็นพิษ ทบทวนส่วนประกอบของอาหารเลี้ยงเชื้อ ปรับกลยุทธ์การป้อนสารอาหารให้เหมาะสม และตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการถ่ายโอนออกซิเจนที่เพียงพอ
• ความเสี่ยงในการปนเปื้อนเพิ่มขึ้น: อาจเกิดจากขั้นตอนการฆ่าเชื้อที่ไม่เพียงพอหรือการละเมิดเทคนิคปลอดเชื้อ ทบทวนระเบียบวิธีการฆ่าเชื้อ ปรับปรุงการกรองอากาศ และใช้ขั้นตอนปลอดเชื้อที่เข้มงวดขึ้น
• การเกิดฟองมากเกินไป: อาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงในส่วนประกอบของอาหารเลี้ยงเชื้อหรือสรีรวิทยาของเซลล์ ปรับการเติมสารป้องกันการเกิดฟองให้เหมาะสม หรือติดตั้งเครื่องทำลายฟองเชิงกล
• การเปลี่ยนแปลงในสัณฐานวิทยาของเซลล์: อาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของความเค้นเฉือนหรือความแตกต่างของสารอาหาร ปรับการออกแบบใบพัด ความเร็วในการผสม และกลยุทธ์การป้อนสารอาหารให้เหมาะสม
• ความไม่เสถียรของผลิตภัณฑ์: อาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของค่า pH, อุณหภูมิ หรือการมีอยู่ของเอนไซม์ที่ย่อยสลาย ปรับพารามิเตอร์ของกระบวนการให้เหมาะสมและเพิ่มสารเพิ่มความคงตัวลงในอาหารเลี้ยงเชื้อ

แนวโน้มในอนาคตของการขยายขนาดการหมัก

สาขาการหมักมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง แนวโน้มสำคัญบางประการที่กำลังกำหนดอนาคตของการขยายขนาดการหมัก ได้แก่:

• การหมักแบบต่อเนื่อง: การหมักแบบต่อเนื่องมีข้อดีหลายประการเหนือการหมักแบบกะ (batch fermentation) รวมถึงผลิตภาพที่สูงขึ้น ต้นทุนการดำเนินงานที่ต่ำลง และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอมากขึ้น
• ถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียว: ถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียวช่วยลดความจำเป็นในการทำความสะอาดและการฆ่าเชื้อ ลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนและทำให้การดำเนินงานง่ายขึ้น
• การควบคุมกระบวนการขั้นสูง: เทคนิคการควบคุมกระบวนการขั้นสูง เช่น การควบคุมเชิงคาดการณ์แบบจำลอง (Model Predictive Control - MPC) และการเรียนรู้ของเครื่อง (machine learning) กำลังถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการหมักแบบเรียลไทม์
• ชีววิทยาสังเคราะห์: ชีววิทยาสังเคราะห์กำลังถูกนำมาใช้เพื่อออกแบบจุลินทรีย์ที่มีความสามารถทางเมตาบอลิซึมและผลิตภาพที่ดีขึ้น
• ชุมชนจุลินทรีย์: การใช้ประโยชน์จากชุมชนจุลินทรีย์และสมาคมจุลินทรีย์สามารถปลดล็อกวิถีเมตาบอลิซึมใหม่ๆ และปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการชีวภาพ

บทสรุป

การขยายขนาดกระบวนการหมักเชิงพาณิชย์เป็นขั้นตอนที่ซับซ้อนแต่จำเป็นในการนำผลิตภัณฑ์ชีวภาพออกสู่ตลาด โดยการพิจารณาปัจจัยสำคัญที่กล่าวถึงในคู่มือนี้อย่างรอบคอบ รวมถึงการออกแบบถังปฏิกรณ์ชีวภาพ การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ การตรวจสอบและควบคุม การรับประกันความปราศจากเชื้อ และการควบคุมฟอง บริษัทต่างๆ จะสามารถขยายขนาดกระบวนการหมักของตนได้สำเร็จและบรรลุคุณภาพและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ การนำเทคโนโลยีและวิธีการใหม่ๆ มาใช้ เช่น QbD, CFD, โมเดลย่อส่วน และการควบคุมกระบวนการขั้นสูง จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทานของการดำเนินงานการหมักเชิงพาณิชย์ทั่วโลกต่อไป