Українська

Ознайомтеся з основними принципами та найкращими практиками масштабування комерційних процесів ферментації, від лабораторії до промислового виробництва. Дізнайтеся про дизайн біореакторів, оптимізацію та усунення несправностей.

Масштабування: Комплексний посібник з комерційної ферментації

Ферментація є наріжним каменем багатьох галузей промисловості, від харчової та напоїв до фармацевтики та біопалива. Хоча успішна ферментація в лабораторних масштабах є значним досягненням, перенесення цього успіху на комерційне виробництво вимагає ретельного планування, виконання та оптимізації. Цей посібник надає комплексний огляд ключових аспектів та найкращих практик для масштабування комерційних процесів ферментації.

Чому масштабування ферментації є складним завданням?

Масштабування процесу ферментації — це не просто збільшення об'єму. Декілька факторів, які легко контролювати в малому масштабі, стають значно складнішими зі зростанням процесу. До них належать:

Етапи масштабування ферментації

Процес масштабування зазвичай включає кілька етапів, кожен з яких має свої цілі та виклики:

1. Розробка посівної культури

Посівна культура служить інокулятом для виробничого ферментера. Важливо розробити здорову, активно зростаючу та вільну від контамінації посівну культуру. Це зазвичай включає кілька стадій росту, починаючи з кріоконсервованої вихідної культури та переходячи через колби для струшування, малі біореактори і, нарешті, до посівного ферментера. Посівна культура повинна бути фізіологічно схожою на клітини, які бажано отримати у виробничому ферментері.

Приклад: Фармацевтична компанія, що розробляє новий антибіотик, може почати із замороженого стоку мікроорганізму-продуцента. Цей сток відновлюють у колбі для струшування, потім переносять у малий (наприклад, 2 л) біореактор. Біомаса з цього біореактора потім інокулює більший (наприклад, 50 л) посівний ферментер, який забезпечує інокулят для виробничого ферментера.

2. Пілотна ферментація

Пілотна ферментація є мостом між лабораторією та промисловим виробництвом. Вона дозволяє тестувати та оптимізувати процес ферментації в умовах, які більше нагадують повномасштабне виробниче середовище. Дослідження на пілотному рівні допомагають виявити потенційні проблеми масштабування та вдосконалити робочі параметри. Ці експерименти зазвичай включають біореактори об'ємом від 50 до 500 літрів.

Приклад: Компанія з виробництва біопалива може використовувати 100-літровий біореактор для оцінки продуктивності нового генетично модифікованого штаму дріжджів для виробництва етанолу. Вони б оптимізували такі параметри, як температура, pH та швидкість подачі поживних речовин, щоб максимізувати вихід та продуктивність етанолу.

3. Промислова ферментація

Завершальною стадією є промислова ферментація, де продукт виробляється у великих кількостях для комерційного продажу. Біореактори промислового масштабу можуть мати об'єм від кількох тисяч до сотень тисяч літрів. Підтримка стабільної продуктивності та якості продукту на цьому рівні вимагає ретельної уваги до деталей та надійних систем контролю процесу.

Приклад: Пивоварня може використовувати 10 000-літровий ферментер для виробництва пива в комерційних масштабах. Вони б ретельно контролювали рівні температури, pH та розчиненого кисню, щоб забезпечити стабільний смак та якість.

Ключові аспекти масштабування ферментації

1. Дизайн біореактора

Біореактор — це серце процесу ферментації. Вибір правильного дизайну біореактора є вирішальним для успішного масштабування. Ключові аспекти включають:

2. Оптимізація процесу

Оптимізація процесу включає виявлення та оптимізацію ключових параметрів процесу, які впливають на ріст клітин, утворення продукту та його якість. Зазвичай це включає комбінацію експериментальних досліджень та математичного моделювання.

3. Моніторинг та контроль

Ефективний моніторинг та контроль критичних параметрів процесу є необхідними для стабільної продуктивності та якості продукту. Це вимагає використання відповідних датчиків, систем контролю та методів аналізу даних.

4. Забезпечення стерильності

Підтримка стерильності є першочерговою у процесах ферментації. Контамінація може призвести до псування продукту, зниження виходу та навіть повного провалу процесу. Впровадження надійних процедур стерилізації та асептичних методів є необхідним.

5. Контроль піноутворення

Утворення піни є поширеною проблемою в процесах ферментації, особливо тих, що включають білки або поверхнево-активні речовини. Надмірна піна може призвести до зниження перенесення кисню, контамінації та втрати продукту. Піну можна контролювати шляхом додавання піногасників або використання механічних піноломок.

Стратегії успішного масштабування

1. Підхід QbD (Якість через дизайн)

QbD — це систематичний підхід до розробки, який починається з попередньо визначених цілей і наголошує на розумінні продукту та процесу, а також на контролі процесу. Застосування принципів QbD до масштабування ферментації допомагає забезпечити стабільну якість продукту та продуктивність.

Ключові елементи QbD включають:

2. Обчислювальна гідродинаміка (CFD)

CFD — це потужний інструмент для моделювання потоку рідини, теплообміну та масообміну в біореакторах. Симуляції CFD можна використовувати для оптимізації дизайну біореактора, систем перемішування та систем барботування. Вони також можуть допомогти виявити потенційні проблеми, такі як мертві зони та гарячі точки зсувного напруження. CFD може зменшити кількість дорогих та трудомістких пілотних експериментів, необхідних для масштабування.

3. Моделі зменшеного масштабу (Scale-Down)

Моделі зменшеного масштабу — це маломасштабні біореактори, розроблені для імітації умов у великомасштабному виробничому біореакторі. Моделі зменшеного масштабу можна використовувати для вивчення впливу різних параметрів процесу на ріст клітин, утворення продукту та його якість. Їх також можна використовувати для усунення проблем, що виникають під час масштабування. Добре охарактеризовані моделі зменшеного масштабу можуть надати цінні знання та прискорити процес розробки.

4. Моделювання та симуляція процесів

Моделювання та симуляція процесів можуть використовуватися для прогнозування поведінки процесу ферментації в різних масштабах та за різних умов експлуатації. Математичні моделі можуть бути розроблені на основі фундаментальних принципів масообміну, теплообміну та кінетики реакцій. Ці моделі можна використовувати для оптимізації параметрів процесу, розробки стратегій контролю та усунення несправностей. Для моделювання та симуляції процесів можна використовувати такі інструменти, як MATLAB, gPROMS та Aspen Plus.

Аспекти даунстрім-процесингу (подальшої обробки)

Аспекти масштабування виходять за рамки самого процесу ферментації. Даунстрім-процесинг, що включає виділення та очищення продукту з ферментаційного бульйону, також потребує масштабування. Вибір методів даунстрім-процесингу залежить від природи продукту, його концентрації та бажаної чистоти. Поширені методи даунстрім-процесингу включають:

Глобальні приклади успішного масштабування ферментації

Декілька галузей у всьому світі значною мірою залежать від успішного масштабування ферментації. Ось кілька прикладів:

Усунення поширених проблем масштабування

Незважаючи на ретельне планування та виконання, під час масштабування ферментації все ще можуть виникати проблеми. Ось деякі поширені проблеми та можливі рішення:

Майбутні тенденції у масштабуванні ферментації

Сфера ферментації постійно розвивається. Деякі з ключових тенденцій, що формують майбутнє масштабування ферментації, включають:

Висновок

Масштабування комерційних процесів ферментації є складним, але важливим кроком у виведенні біопродуктів на ринок. Ретельно враховуючи ключові фактори, обговорені в цьому посібнику, включаючи дизайн біореактора, оптимізацію процесу, моніторинг та контроль, забезпечення стерильності та контроль піноутворення, компанії можуть успішно масштабувати свої процеси ферментації та досягати стабільної якості продукту та продуктивності. Використання нових технологій та методологій, таких як QbD, CFD, моделі зменшеного масштабу та розширений контроль процесів, ще більше підвищить ефективність та надійність комерційних ферментаційних операцій у всьому світі.