Мистецтво проєктування біореакторів: комплексний посібник

Біореактори, також відомі як ферментери, є серцем багатьох біопроцесів, забезпечуючи контрольоване середовище для протікання біологічних реакцій. Їхнє проєктування — це мультидисциплінарне мистецтво, що поєднує принципи хімічної інженерії, мікробіології, біохімії та машинобудування. Цей посібник має на меті надати комплексний огляд аспектів проєктування біореакторів, задовольняючи потреби світової аудиторії, залученої до біопроцесної інженерії, від студентів до досвідчених фахівців.

Основи проєктування біореакторів

По суті, проєктування біореактора полягає у створенні середовища, яке оптимально підтримує ріст і метаболічну активність мікроорганізмів або клітин. Це вимагає ретельного врахування кількох ключових факторів:

• Перемішування: Забезпечення однорідності поживних речовин, температури та pH у всьому реакторі.
• Аерація: Постачання достатньої кількості кисню для аеробних організмів з одночасним видаленням вуглекислого газу.
• Контроль температури: Підтримання оптимальної температури для біологічної реакції.
• Контроль pH: Регулювання pH для запобігання інгібуванню або пошкодженню клітин.
• Стерильність: Запобігання забрудненню небажаними мікроорганізмами.

Основні компоненти біореактора

Типовий біореактор складається з наступних компонентів:

• Корпус (посудина): Контейнер, що містить культуру. Зазвичай використовуються такі матеріали, як нержавіюча сталь, скло та одноразовий пластик.
• Система перемішування: Імпелер або мішалка для перемішування вмісту реактора.
• Система аерації: Барботер для подачі повітря або кисню в культуру.
• Система контролю температури: Сорочка або внутрішні змійовики для підтримки бажаної температури.
• Система контролю pH: Датчики та насоси для додавання кислоти або основи для підтримки бажаного pH.
• Датчики та система керування: Моніторинг та контроль ключових параметрів, таких як температура, pH, розчинений кисень (DO) та концентрація біомаси.
• Система відбору проб: Пристрій для відбору зразків для аналізу.

Типи біореакторів

Біореактори мають різноманітні конструкції, кожна з яких підходить для різних застосувань та організмів. Ось деякі з найпоширеніших типів:

Біореактори з перемішуванням (STR)

Біореактори з перемішуванням є найпоширенішим типом. Вони складаються з циліндричного корпусу з імпелером, що забезпечує перемішування. STR є універсальними і можуть використовуватися для широкого спектра застосувань, від мікробної ферментації до культивування клітин ссавців.

Переваги:

• Добре перемішуване середовище
• Хороший контроль температури
• Відносно легко масштабувати

Недоліки:

• Високе напруження зсуву може пошкодити чутливі клітини
• Може бути складним для очищення та стерилізації

Ерліфтні біореактори

Ерліфтні біореактори використовують повітря для перемішування та аерації культури. Вони особливо добре підходять для клітин, чутливих до зсуву, оскільки не мають механічних імпелерів.

Переваги:

• Низьке напруження зсуву
• Проста конструкція
• Підходять для клітин, чутливих до зсуву

Недоліки:

• Менш ефективне перемішування, ніж у STR
• Складно масштабувати

Бульбашкові колонні біореактори

Бульбашкові колонні біореактори схожі на ерліфтні, але не мають внутрішньої циркуляційної труби. Повітря подається безпосередньо в нижню частину колони, забезпечуючи перемішування та аерацію.

Переваги:

• Проста конструкція
• Низька вартість

Недоліки:

• Погане перемішування
• Складність керування

Біореактори з насадковим шаром

Біореактори з насадковим шаром містять тверду матрицю, таку як кульки або волокна, яка забезпечує поверхню для прикріплення клітин. Поживні речовини циркулюють через шар, забезпечуючи клітини ресурсами для росту.

Переваги:

• Висока щільність клітин
• Підходять для іммобілізованих клітин

Недоліки:

• Складно масштабувати
• Можуть бути схильні до засмічення

Біореактори з псевдозрідженим шаром

Біореактори з псевдозрідженим шаром схожі на біореактори з насадковим шаром, але тверда матриця суспендована в потоці рідини. Це забезпечує краще перемішування та масообмін.

Переваги:

• Хороше перемішування та масообмін
• Висока щільність клітин

Недоліки:

• Складна конструкція
• Може бути складним для керування

Фотобіореактори

Фотобіореактори призначені для культивування фотосинтезуючих організмів, таких як водорості та ціанобактерії. Вони зазвичай прозорі, щоб світло могло проникати в культуру.

Переваги:

• Ефективне використання світла
• Контрольоване середовище

Недоліки:

• Висока вартість
• Складно масштабувати

Одноразові біореактори (SUB)

Одноразові біореактори — це попередньо стерилізовані біореактори, які усувають необхідність в очищенні та стерилізації. Вони стають все більш популярними у біофармацевтичному виробництві.

Переваги:

• Зниження витрат на очищення та стерилізацію
• Зменшення ризику забруднення
• Швидший оборот

Недоліки:

• Вища вартість на партію
• Екологічні проблеми, пов'язані з пластиковими відходами

Ключові аспекти проєктування

При проєктуванні біореактора необхідно враховувати декілька факторів. До них належать:

Тип клітин

Тип культивованих клітин значно впливає на конструкцію біореактора. Наприклад, чутливі до зсуву клітини ссавців вимагають інших конструкцій біореакторів, ніж стійкі бактерії.

• Мікробна ферментація: Зазвичай вимагає високої аерації та перемішування для підтримки швидкого росту. Часто підходять STR.
• Культура клітин ссавців: Вимагає більш м'якого перемішування та аерації, щоб уникнути пошкодження клітин. Перевага надається ерліфтним біореакторам або модифікованим STR з імпелерами з низьким зсувом.
• Культура рослинних клітин: Вимагає специфічних поживних сумішей і може виграти від спеціалізованих конструкцій біореакторів, таких як аерозольні біореактори.
• Культура водоростей: Вимагає проникнення світла та ефективної подачі CO2. Фотобіореактори спеціально розроблені для цієї мети.

Масштаб виробництва

Масштаб виробництва також впливатиме на конструкцію біореактора. Маломасштабні біореактори можуть бути простими і недорогими, тоді як великомасштабні вимагають більш складної інженерії.

Перемішування та аерація

Ефективне перемішування та аерація є вирішальними для продуктивності біореактора. Перемішування забезпечує рівномірний розподіл поживних речовин по всій культурі, а аерація забезпечує кисень, необхідний для росту клітин.

Стратегії перемішування:

• Конструкція імпелера: Зазвичай використовуються турбіни Раштона, турбіни з похилими лопатями та морські пропелери. Вибір залежить від в'язкості культури та бажаної інтенсивності перемішування.
• Конструкція відбійних перегородок: Перегородки використовуються для запобігання утворенню вихорів та покращення ефективності перемішування.
• Швидкість перемішування: Швидкість перемішування повинна бути оптимізована для забезпечення адекватного перемішування без створення надмірного напруження зсуву.

Стратегії аерації:

• Конструкція барботера: Барботери подають повітря або кисень у культуру. Для створення бульбашок різного розміру можна використовувати різні конструкції барботерів, наприклад, пористі або соплові.
• Швидкість потоку газу: Швидкість потоку газу повинна бути оптимізована для забезпечення достатньої кількості кисню без видалення летких сполук.
• Збагачення киснем: У деяких випадках може знадобитися збагачення повітря киснем для задоволення потреби клітин у кисні.

Контроль температури та pH

Підтримання оптимальної температури та pH є важливим для росту клітин та утворення продукту. Температура зазвичай контролюється за допомогою сорочки або внутрішніх змійовиків, а pH — шляхом додавання кислоти або основи.

Системи контролю температури:

• Нагрівальні та охолоджувальні сорочки: Циркуляція нагрітої або охолодженої води навколо корпусу біореактора.
• Внутрішні змійовики: Забезпечують більш ефективний теплообмін, ніж сорочки.
• ПІД-регулятори: Використовуються для автоматичного регулювання температури на основі зворотного зв'язку від датчика температури.

Системи контролю pH:

• pH-датчики: Вимірюють pH культури.
• Насоси для кислоти та основи: Додають кислоту або основу для регулювання pH.
• ПІД-регулятори: Використовуються для автоматичного регулювання додавання кислоти та основи на основі зворотного зв'язку від pH-датчика.

Стерилізація

Стерилізація є вирішальною для запобігання забрудненню. Біореактори зазвичай стерилізують автоклавуванням або за допомогою хімічних стерилізантів.

Методи стерилізації:

• Автоклавування: Використання пари під високим тиском для знищення мікроорганізмів.
• Хімічна стерилізація: Використання хімічних стерилізантів, таких як перекис водню або надоцтова кислота.
• Фільтрація: Використання фільтрів для видалення мікроорганізмів з рідин та газів.

Моніторинг та керування процесом

Передові стратегії моніторингу та керування процесом є життєво важливими для оптимізації продуктивності біореактора та забезпечення якості продукту. Ці стратегії включають використання датчиків, програмного забезпечення та алгоритмів керування для моніторингу та регулювання ключових параметрів процесу в режимі реального часу.

Ключові параметри для моніторингу:

• Температура
• pH
• Розчинений кисень (DO)
• Концентрація біомаси
• Концентрації поживних речовин
• Концентрація продукту
• Аналіз відпрацьованих газів (CO2, O2)

Стратегії керування:

• Керування за зворотним зв'язком: Регулювання параметрів процесу на основі зворотного зв'язку від датчиків.
• Прогнозуюче керування: Регулювання параметрів процесу на основі прогнозованих змін у системі.
• Модельне прогнозуюче керування (MPC): Використання математичних моделей для прогнозування майбутньої поведінки системи та оптимізації дій керування.

Аспекти масштабування

Масштабування біопроцесу з лабораторного до промислового рівня може бути складним. Важливо підтримувати схожі умови у великомасштабному біореакторі, як і в маломасштабному.

Стратегії масштабування:

• Геометрична подібність: Підтримання однакових пропорцій у великомасштабному біореакторі, як і в маломасштабному.
• Постійна вхідна потужність на одиницю об'єму: Підтримання однакової вхідної потужності на одиницю об'єму у великомасштабному біореакторі, як і в маломасштабному.
• Постійна кінцева швидкість: Підтримання однакової кінцевої швидкості імпелера у великомасштабному біореакторі, як і в маломасштабному.
• Обчислювальна гідродинаміка (CFD): Використання CFD для моделювання потоків у біореакторі та оптимізації конструкції.

Новітні тенденції у проєктуванні біореакторів

Сфера проєктування біореакторів постійно розвивається, з'являються нові технології та підходи для покращення продуктивності біопроцесів. Деякі з новітніх тенденцій включають:

Безперервне біовиробництво

Безперервне біовиробництво передбачає постійну подачу поживних речовин та видалення продукту з біореактора. Це може призвести до вищої продуктивності та нижчих витрат порівняно з періодичним процесом.

Інтенсифікація процесу

Інтенсифікація процесу передбачає розробку більш компактних та ефективних біопроцесів. Це може бути досягнуто за допомогою використання нових конструкцій біореакторів, таких як мікрореактори та мембранні біореактори.

Автоматизація біореакторів

Автоматизація біореакторів передбачає використання роботів та інших автоматизованих систем для контролю та моніторингу біореактора. Це може покращити відтворюваність та знизити витрати на робочу силу.

Аналітика даних та машинне навчання

Аналітика даних та машинне навчання використовуються для аналізу даних біореактора та оптимізації продуктивності процесу. Це може призвести до покращення якості продукту та вищих врожаїв.

Проєктування біореакторів для конкретних застосувань: світові приклади

Проєктування біореакторів — це не універсальний підхід. Конкретні застосування вимагають індивідуальних рішень. Ось кілька прикладів, що демонструють глобальні інновації:

• Виробництво біосимілярів (Індія): Індійські біофармацевтичні компанії активно інвестують у великомасштабні STR з нержавіючої сталі з передовими системами керування для виробництва доступних біосимілярів для світового ринку. Проєкт робить акцент на економічній ефективності та дотриманні суворих нормативних вимог.
• Біопаливо на основі водоростей (Австралія): Австралійські дослідницькі інститути є піонерами у використанні відкритих басейнів та закритих фотобіореакторів для вирощування водоростей для виробництва біопалива. Проєкти зосереджені на максимізації поглинання сонячного світла, утилізації CO2 та виробництві ліпідів.
• М'ясо на основі клітин (Нідерланди): Нідерландські компанії є лідерами у розробці біореакторів для виробництва культивованого м'яса. Ці біореактори, часто перфузійні системи, повинні ефективно підтримувати культуру клітин ссавців високої щільності, мінімізуючи витрати та забезпечуючи безпеку продукту.
• Виробництво антибіотиків (Китай): Китай є великим виробником антибіотиків. Багато виробників використовують великомасштабні процеси ферментації в STR для виробництва цих життєво важливих ліків. Оптимізація цих біореакторів зосереджена на максимізації титру антибіотиків та мінімізації утворення побічних продуктів.
• Виробництво моноклональних антитіл (Швейцарія): Швейцарські фармацевтичні гіганти є лідерами у виробництві моноклональних антитіл з використанням культури клітин ссавців. Їхні біореактори, як правило, є передовими одноразовими системами зі складними системами керування та високим рівнем автоматизації для забезпечення узгодженості та якості продукції.

Висновок

Проєктування біореакторів — це складна та відповідальна галузь, але вона також є надзвичайно важливою для багатьох ключових індустрій, включаючи біофармацевтику, харчову промисловість та виробництво біопалива. Розуміючи фундаментальні принципи проєктування біореакторів та слідкуючи за останніми тенденціями, інженери та науковці можуть розробляти біореактори, які є більш ефективними, надійними та економічно вигідними.

Цей посібник надав загальний огляд мистецтва проєктування біореакторів. Для тих, хто прагне глибше зрозуміти цю критично важливу галузь, рекомендується подальше вивчення конкретних типів біореакторів, стратегій керування та методологій масштабування.