ศาสตร์แห่งกระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพ: คู่มือฉบับสมบูรณ์

กระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพ (Downstream processing - DSP) เป็นขั้นตอนที่สำคัญอย่างยิ่งในการผลิตทางชีวภาพ ซึ่งครอบคลุมทุกหน่วยปฏิบัติการที่จำเป็นในการแยกและทำให้ผลิตภัณฑ์ที่สนใจบริสุทธิ์จากสารผสมทางชีวภาพที่ซับซ้อน กระบวนการนี้เกิดขึ้นหลังจากกระบวนการต้นน้ำ (Upstream processing - USP) ที่ซึ่งผลิตภัณฑ์ถูกสร้างขึ้นจากการเพาะเลี้ยงเซลล์หรือการหมัก ประสิทธิภาพและประสิทธิผลของ DSP ส่งผลโดยตรงต่อปริมาณผลผลิต ความบริสุทธิ์ และท้ายที่สุดคือความเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์ของชีวเภสัชภัณฑ์ เอนไซม์ เชื้อเพลิงชีวภาพ และผลิตภัณฑ์ชีวภาพอื่นๆ

ความเข้าใจพื้นฐานของกระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพ

DSP ประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆ ที่ออกแบบมาเพื่อแยกผลิตภัณฑ์ที่ต้องการออกจากเศษเซลล์ ส่วนประกอบของอาหารเลี้ยงเชื้อ และสิ่งเจือปนอื่นๆ ขั้นตอนเหล่านี้มักจะถูกจัดเรียงตามลำดับเพื่อเพิ่มความเข้มข้นและทำให้โมเลกุลเป้าหมายบริสุทธิ์ขึ้นเรื่อยๆ ขั้นตอนเฉพาะที่ใช้ใน DSP จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับลักษณะของผลิตภัณฑ์ ขนาดของการผลิต และระดับความบริสุทธิ์ที่ต้องการ

วัตถุประสงค์หลักของกระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพ:

• การแยก (Isolation): การแยกผลิตภัณฑ์ออกจากส่วนใหญ่ของน้ำหมักหรืออาหารเลี้ยงเชื้อ
• การทำให้บริสุทธิ์ (Purification): การกำจัดสารปนเปื้อนที่ไม่ต้องการ เช่น โปรตีนจากเซลล์เจ้าบ้าน (HCPs), DNA, เอนโดท็อกซิน และส่วนประกอบของอาหารเลี้ยงเชื้อ
• การเพิ่มความเข้มข้น (Concentration): การเพิ่มความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ให้อยู่ในระดับที่ต้องการสำหรับการเตรียมสูตรและการใช้งานขั้นสุดท้าย
• การเตรียมสูตร (Formulation): การเตรียมผลิตภัณฑ์ที่บริสุทธิ์ให้อยู่ในรูปแบบที่เสถียรและพร้อมใช้งาน

เทคนิคทั่วไปในกระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพ

มีการใช้เทคนิคที่หลากหลายใน DSP โดยแต่ละเทคนิคมีข้อดีเฉพาะสำหรับความท้าทายในการแยกและทำให้บริสุทธิ์ที่แตกต่างกันไป

1. การทำให้เซลล์แตก

สำหรับผลิตภัณฑ์ที่อยู่ภายในเซลล์ ขั้นตอนแรกคือการทำให้เซลล์แตกเพื่อปล่อยผลิตภัณฑ์ออกมา วิธีการทำให้เซลล์แตกที่พบบ่อย ได้แก่:

• การแตกเซลล์เชิงกล (Mechanical Lysis): การใช้เครื่องโฮโมจิไนเซอร์แรงดันสูง เครื่องบดเม็ดบีด หรือโซนิเคชันเพื่อทำให้เซลล์แตกออกทางกายภาพ ตัวอย่างเช่น ในการผลิตโปรตีนลูกผสมในเชื้อ *E. coli* มักใช้การโฮโมจิไนซ์เพื่อปลดปล่อยโปรตีนออกจากเซลล์ ในโรงงานขนาดใหญ่บางแห่งอาจมีการใช้เครื่องโฮโมจิไนเซอร์หลายเครื่องทำงานพร้อมกันเพื่อประมวลผลปริมาณมาก
• การแตกเซลล์เชิงเคมี (Chemical Lysis): การใช้สารซักฟอก ตัวทำละลาย หรือเอนไซม์เพื่อทำลายเยื่อหุ้มเซลล์ วิธีนี้มักใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูงซึ่งวิธีการทางกลที่รุนแรงอาจทำให้เกิดการเสื่อมสลายได้
• การแตกเซลล์โดยใช้เอนไซม์ (Enzymatic Lysis): การใช้เอนไซม์เช่นไลโซไซม์เพื่อย่อยสลายผนังเซลล์ วิธีนี้ใช้กันทั่วไปสำหรับเซลล์แบคทีเรีย ซึ่งเป็นแนวทางที่นุ่มนวลกว่าวิธีการทางกล

2. การแยกของแข็ง-ของเหลว

หลังจากการทำให้เซลล์แตก การแยกของแข็ง-ของเหลวเป็นสิ่งสำคัญในการกำจัดเศษเซลล์และอนุภาคอื่นๆ วิธีการทั่วไป ได้แก่:

• การเหวี่ยงแยก (Centrifugation): การใช้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเพื่อแยกของแข็งออกจากของเหลวตามความแตกต่างของความหนาแน่น วิธีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการทางชีวภาพขนาดใหญ่เนื่องจากมีกำลังการผลิตและประสิทธิภาพสูง มีการใช้เครื่องเหวี่ยงแยกประเภทต่างๆ เช่น เครื่องเหวี่ยงแบบจานซ้อน (disc-stack centrifuges) ขึ้นอยู่กับปริมาตรและลักษณะของสารที่ป้อนเข้ามา
• การกรองระดับไมโคร (Microfiltration): การใช้เมมเบรนที่มีขนาดรูพรุนตั้งแต่ 0.1 ถึง 10 ไมโครเมตรเพื่อกำจัดแบคทีเรีย เศษเซลล์ และอนุภาคอื่นๆ การกรองระดับไมโครมักใช้เป็นขั้นตอนการปรับสภาพก่อนการกรองระดับอัลตราหรือโครมาโทกราฟี
• การกรองเชิงลึก (Depth Filtration): การใช้เมทริกซ์ที่มีรูพรุนเพื่อดักจับอนุภาคของแข็งในขณะที่ของเหลวไหลผ่าน ตัวกรองเชิงลึกมักใช้สำหรับการทำให้น้ำหมักเพาะเลี้ยงเซลล์ที่มีความหนาแน่นของเซลล์สูงใสขึ้น

3. โครมาโทกราฟี

โครมาโทกราฟีเป็นเทคนิคการแยกที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งใช้ประโยชน์จากความแตกต่างในคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของโมเลกุลเพื่อให้ได้การทำให้บริสุทธิ์ที่มีความละเอียดสูง โครมาโทกราฟีหลายประเภทที่ใช้กันทั่วไปใน DSP ได้แก่:

• โครมาโทกราฟีแบบสัมพรรคภาพ (Affinity Chromatography): การใช้ปฏิสัมพันธ์การจับจำเพาะระหว่างโมเลกุลเป้าหมายและลิแกนด์ที่ถูกตรึงไว้บนตัวพยุงที่เป็นของแข็ง นี่เป็นวิธีการคัดเลือกสูงที่มักใช้เป็นขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ในเบื้องต้น ตัวอย่างเช่น โครมาโทกราฟีแบบสัมพรรคภาพ His-tag ใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำให้โปรตีนลูกผสมที่มีโพลีฮิสทิดีนแท็กบริสุทธิ์
• โครมาโทกราฟีแบบแลกเปลี่ยนไอออน (Ion Exchange Chromatography - IEX): การแยกโมเลกุลตามประจุสุทธิของมัน โครมาโทกราฟีแบบแลกเปลี่ยนไอออนบวกใช้เพื่อจับโมเลกุลที่มีประจุบวก ในขณะที่โครมาโทกราฟีแบบแลกเปลี่ยนไอออนลบจับโมเลกุลที่มีประจุลบ IEX ใช้กันทั่วไปในการทำให้โปรตีน เปปไทด์ และกรดนิวคลีอิกบริสุทธิ์
• โครมาโทกราฟีแบบคัดขนาด (Size Exclusion Chromatography - SEC): การแยกโมเลกุลตามขนาดของมัน วิธีนี้มักใช้สำหรับขั้นตอนการขัดเงา (polishing) เพื่อกำจัดกลุ่มโมเลกุลที่จับตัวกันหรือชิ้นส่วนของโมเลกุลเป้าหมาย
• โครมาโทกราฟีแบบอันตรกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ (Hydrophobic Interaction Chromatography - HIC): การแยกโมเลกุลตามความไม่ชอบน้ำ HIC มักใช้ในการทำให้โปรตีนที่มีความไวต่อการเสียสภาพบริสุทธิ์
• โครมาโทกราฟีแบบหลายโหมด (Multi-Mode Chromatography): การรวมกลไกปฏิสัมพันธ์หลายอย่างเข้าด้วยกันเพื่อเพิ่มความสามารถในการคัดเลือกและประสิทธิภาพในการทำให้บริสุทธิ์

4. การกรองด้วยเมมเบรน

เทคนิคการกรองด้วยเมมเบรนใช้สำหรับการเพิ่มความเข้มข้น ไดอะฟิลเตรชัน และการแลกเปลี่ยนบัฟเฟอร์

• อัลตราฟิลเตรชัน (Ultrafiltration - UF): การใช้เมมเบรนที่มีขนาดรูพรุนตั้งแต่ 1 ถึง 100 นาโนเมตรเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์และกำจัดสิ่งเจือปนที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ UF ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีน แอนติบอดี และชีวโมเลกุลอื่นๆ
• ไดอะฟิลเตรชัน (Diafiltration - DF): การใช้เมมเบรน UF เพื่อกำจัดเกลือ ตัวทำละลาย และโมเลกุลขนาดเล็กอื่นๆ ออกจากสารละลายผลิตภัณฑ์ DF มักใช้สำหรับการแลกเปลี่ยนบัฟเฟอร์และการกำจัดเกลือ
• นาโนฟิลเตรชัน (Nanofiltration - NF): การใช้เมมเบรนที่มีขนาดรูพรุนเล็กกว่า 1 นาโนเมตรเพื่อกำจัดไอออนสองเวเลนซ์และโมเลกุลขนาดเล็กที่มีประจุอื่นๆ
• รีเวิร์สออสโมซิส (Reverse Osmosis - RO): การใช้เมมเบรนที่มีขนาดรูพรุนเล็กมากเพื่อกำจัดตัวถูกละลายเกือบทั้งหมดออกจากน้ำ RO ใช้สำหรับการทำน้ำให้บริสุทธิ์และการเพิ่มความเข้มข้นของสารละลายที่มีความเข้มข้นสูง

5. การตกตะกอน

การตกตะกอนเกี่ยวข้องกับการเติมสารรีเอเจนต์ลงในสารละลายเพื่อลดความสามารถในการละลายของโมเลกุลเป้าหมาย ทำให้มันตกตะกอนออกจากสารละลาย สารตกตะกอนที่พบบ่อย ได้แก่:

• แอมโมเนียมซัลเฟต: สารตกตะกอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งสามารถตกตะกอนโปรตีนอย่างคัดเลือกตามความไม่ชอบน้ำของมัน
• ตัวทำละลายอินทรีย์: เช่น เอทานอลหรืออะซิโตน ซึ่งสามารถลดความสามารถในการละลายของโปรตีนโดยการเปลี่ยนแปลงค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของสารละลาย
• พอลิเมอร์: เช่น พอลิเอทิลีนไกลคอล (PEG) ซึ่งสามารถทำให้เกิดการตกตะกอนโดยการกีดกันโมเลกุลโปรตีน

6. การกำจัดไวรัส

สำหรับผลิตภัณฑ์ชีวเภสัชภัณฑ์ การกำจัดไวรัสเป็นข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่สำคัญ กลยุทธ์การกำจัดไวรัสมักประกอบด้วยการผสมผสานระหว่าง:

• การกรองไวรัส (Viral Filtration): การใช้ตัวกรองที่มีขนาดรูพรุนเล็กพอที่จะกำจัดไวรัสออกไปได้ทางกายภาพ
• การทำให้ไวรัสหมดฤทธิ์ (Viral Inactivation): การใช้วิธีการทางเคมีหรือกายภาพเพื่อทำให้ไวรัสหมดฤทธิ์ วิธีการทั่วไป ได้แก่ การบำบัดด้วยค่า pH ต่ำ การบำบัดด้วยความร้อน และการฉายรังสียูวี

ความท้าทายในกระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพ

DSP อาจเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและท้าทายเนื่องจากปัจจัยหลายประการ:

• ความไม่เสถียรของผลิตภัณฑ์: ชีวโมเลกุลจำนวนมากมีความไวต่ออุณหภูมิ ค่า pH และแรงเฉือน ทำให้จำเป็นต้องควบคุมสภาวะของกระบวนการอย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันการเสื่อมสลาย
• ความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ต่ำ: ความเข้มข้นของโมเลกุลเป้าหมายในน้ำหมักหรืออาหารเลี้ยงเชื่อมักจะต่ำ ทำให้ต้องมีขั้นตอนการเพิ่มความเข้มข้นอย่างมาก
• สารผสมที่ซับซ้อน: การมีอยู่ของสิ่งเจือปนจำนวนมาก เช่น โปรตีนจากเซลล์เจ้าบ้าน, DNA, และเอนโดท็อกซิน อาจทำให้การบรรลุความบริสุทธิ์สูงเป็นเรื่องยาก
• ต้นทุนสูง: DSP อาจมีราคาแพงเนื่องจากต้นทุนของอุปกรณ์ วัสดุสิ้นเปลือง และแรงงาน
• ข้อกำหนดด้านกฎระเบียบ: ผลิตภัณฑ์ชีวเภสัชภัณฑ์อยู่ภายใต้ข้อกำหนดด้านกฎระเบียบที่เข้มงวด ทำให้ต้องมีการตรวจสอบความถูกต้องของกระบวนการและการควบคุมคุณภาพอย่างครอบคลุม

กลยุทธ์ในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพ

สามารถใช้กลยุทธ์หลายอย่างเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ DSP และปรับปรุงปริมาณผลผลิตและความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์:

• การเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการ (Process Intensification): การใช้กลยุทธ์เพื่อเพิ่มกำลังการผลิตและประสิทธิภาพของการดำเนินงาน DSP เช่น โครมาโทกราฟีแบบต่อเนื่องและการออกแบบกระบวนการแบบบูรณาการ
• เทคโนโลยีการวิเคราะห์ในกระบวนการผลิต (Process Analytical Technology - PAT): การใช้การตรวจสอบและควบคุมแบบเรียลไทม์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของพารามิเตอร์ในกระบวนการและรับประกันคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ เครื่องมือ PAT อาจรวมถึงเซ็นเซอร์ออนไลน์สำหรับค่า pH, อุณหภูมิ, การนำไฟฟ้า และความเข้มข้นของโปรตีน
• เทคโนโลยีแบบใช้ครั้งเดียว (Single-Use Technologies): การใช้อุปกรณ์แบบใช้แล้วทิ้งเพื่อลดข้อกำหนดในการตรวจสอบความถูกต้องของการทำความสะอาดและลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนข้าม ถังปฏิกรณ์ชีวภาพ, ตัวกรอง, และคอลัมน์โครมาโทกราฟีแบบใช้ครั้งเดียวได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในการผลิตทางชีวภาพ
• การสร้างแบบจำลองและการจำลองสถานการณ์ (Modeling and Simulation): การใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อทำนายประสิทธิภาพของกระบวนการและเพิ่มประสิทธิภาพของพารามิเตอร์ในกระบวนการ พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) สามารถใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผสมและการถ่ายโอนมวลในถังปฏิกรณ์ชีวภาพและอุปกรณ์กระบวนการอื่นๆ
• ระบบอัตโนมัติ (Automation): การทำให้การดำเนินงาน DSP เป็นแบบอัตโนมัติเพื่อลดแรงงานคนและปรับปรุงความสม่ำเสมอของกระบวนการ ระบบโครมาโทกราฟีอัตโนมัติและหุ่นยนต์จัดการของเหลวถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตทางชีวภาพ

ตัวอย่างของกระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพในอุตสาหกรรมต่างๆ

หลักการของ DSP ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ:

• ชีวเภสัชภัณฑ์: การผลิตโมโนโคลนอลแอนติบอดี โปรตีนลูกผสม วัคซีน และยีนบำบัด ตัวอย่างเช่น การผลิตอินซูลินเกี่ยวข้องกับขั้นตอน DSP หลายขั้นตอน รวมถึงการทำให้เซลล์แตก โครมาโทกราฟี และอัลตราฟิลเตรชัน
• เอนไซม์: การผลิตเอนไซม์อุตสาหกรรมสำหรับใช้ในการแปรรูปอาหาร ผงซักฟอก และเชื้อเพลิงชีวภาพ ในอุตสาหกรรมอาหาร เอนไซม์เช่นอะไมเลสและโปรตีเอสถูกผลิตผ่านการหมักแล้วทำให้บริสุทธิ์โดยใช้เทคนิคการประมวลผลปลายน้ำ
• อาหารและเครื่องดื่ม: การผลิตวัตถุเจือปนอาหาร สารปรุงแต่งรส และส่วนผสมต่างๆ ตัวอย่างเช่น การสกัดและทำให้กรดซิตริกบริสุทธิ์จากน้ำหมักเกี่ยวข้องกับเทคนิค DSP เช่น การตกตะกอนและการกรอง
• เชื้อเพลิงชีวภาพ: การผลิตเอทานอล ไบโอดีเซล และเชื้อเพลิงชีวภาพอื่นๆ จากทรัพยากรหมุนเวียน การผลิตเอทานอลจากข้าวโพดเกี่ยวข้องกับการหมักตามด้วยขั้นตอนการกลั่นและการขจัดน้ำเพื่อทำให้เอทานอลบริสุทธิ์

แนวโน้มใหม่ในกระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพ

สาขาของ DSP มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยมีการพัฒนาเทคโนโลยีและแนวทางใหม่ๆ เพื่อจัดการกับความท้าทายของการผลิตทางชีวภาพ แนวโน้มที่เกิดขึ้นใหม่บางประการ ได้แก่:

• การผลิตแบบต่อเนื่อง (Continuous Manufacturing): การนำกระบวนการต่อเนื่องมาใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและลดต้นทุน โครมาโทกราฟีแบบต่อเนื่องและเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่องกำลังถูกนำมาใช้สำหรับการผลิตทางชีวภาพขนาดใหญ่
• กระบวนการทางชีวภาพแบบบูรณาการ (Integrated Bioprocessing): การรวมการดำเนินงานของ USP และ DSP เข้าเป็นกระบวนการเดียวที่บูรณาการกันเพื่อลดการจัดการด้วยมือและปรับปรุงการควบคุมกระบวนการ
• เทคนิคโครมาโทกราฟีขั้นสูง (Advanced Chromatography Techniques): การพัฒนาเรซินและวิธีการโครมาโทกราฟีใหม่ๆ เพื่อปรับปรุงความสามารถในการคัดเลือกและความละเอียดในการแยก
• ปัญญาประดิษฐ์และการเรียนรู้ของเครื่อง (Artificial Intelligence and Machine Learning): การใช้ AI และ ML เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ DSP และทำนายประสิทธิภาพของกระบวนการ อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องสามารถใช้ในการวิเคราะห์ชุดข้อมูลขนาดใหญ่และระบุพารามิเตอร์กระบวนการที่เหมาะสมที่สุด
• การพิมพ์สามมิติ (3D Printing): การใช้การพิมพ์สามมิติเพื่อสร้างอุปกรณ์แยกและคอลัมน์โครมาโทกราฟีที่ออกแบบเอง

อนาคตของกระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพ

อนาคตของ DSP จะถูกขับเคลื่อนโดยความต้องการกระบวนการผลิตทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพ คุ้มค่า และยั่งยืนมากขึ้น การพัฒนาเทคโนโลยีและแนวทางใหม่ๆ เช่น การผลิตแบบต่อเนื่อง กระบวนการทางชีวภาพแบบบูรณาการ และการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วย AI จะมีบทบาทสำคัญในการตอบสนองความต้องการนี้

บทสรุป

กระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของการผลิตทางชีวภาพ มีบทบาทสำคัญในการผลิตผลิตภัณฑ์ชีวภาพที่หลากหลาย โดยการทำความเข้าใจหลักการและเทคนิคของ DSP และโดยการนำกลยุทธ์นวัตกรรมมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการ ผู้ผลิตสามารถปรับปรุงปริมาณผลผลิต ความบริสุทธิ์ และท้ายที่สุดคือความเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์ของผลิตภัณฑ์ของตน ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยี DSP สัญญาว่าจะเพิ่มประสิทธิภาพและความยั่งยืนของการผลิตทางชีวภาพให้มากยิ่งขึ้นในอีกหลายปีข้างหน้า ตั้งแต่บริษัทยาขนาดใหญ่ไปจนถึงบริษัทสตาร์ทอัพด้านเทคโนโลยีชีวภาพขนาดเล็ก การทำความเข้าใจศาสตร์แห่งกระบวนการแยกและสกัดผลิตภัณฑ์ชีวภาพเป็นสิ่งสำคัญยิ่งสำหรับความสำเร็จในอุตสาหกรรมกระบวนการทางชีวภาพ