Fermentor biologiczny

Pojęcie biologicznych fermenterów znacznie ewoluowało od ich powstania. Wczesne projekty opierały się przede wszystkim na mieszanej fermentacji drobnoustrojowej, w której mikroorganizmy uprawiano w reaktorze zbiornika mieszanego. Z czasem przemysł był świadkiem pojawienia się różnych rodzajów fermenterów, w tym systemów mieszanych fal, wzniskowanych i orbitalnych. Każdy z tych typów obsługuje różne typy komórek i objętości operacyjne, odzwierciedlając różnorodność i złożoność produkcji biofarmaceutycznej.

Na przykład fermentory z mieszaniem falowym znalazły szerokie zastosowanie w ekspansji komórek nasiennych i hodowli komórek ssaczych wrażliwych na ścinanie. Ich delikatne działanie mieszające minimalizuje uszkodzenia komórek, promując zdrowszy wzrost komórek i wyższą wydajność produktu. Natomiast systemy z wytrząsaniem orbitalnym, choć rozwijają się stosunkowo wolniej, są wykorzystywane głównie do hodowli komórek zwierzęcych i roślinnych o niższym zapotrzebowaniu na tlen. Systemy te ograniczają się głównie do zastosowań na skalę laboratoryjną i stanowią istotną platformę badań i rozwoju na wczesnym etapie.

◆ Komora fermentacyjna: Jest to główny przedział, w którym zachodzi proces biologiczny. Zwykle jest wykonany ze stali nierdzewnej, aby zapewnić trwałość i sterylność.

◆ System mieszania: Aby zapewnić jednolite mieszanie i napowietrzanie w komorze fermentacyjnej, stosowane są agitatory, takie jak przeszkody lub mieszadły. Pomagają one w utrzymaniu jednorodnych warunków podczas procesu fermentacji.

◆ System napowietrzania: Dostarczanie tlenu ma kluczowe znaczenie dla organizmów tlenowych. Osiąga się to poprzez bełkotki lub dyfuzory powietrza, które wprowadzają sterylne powietrze do brzeczki fermentacyjnej.

◆ Układ chłodzenia: Regulacja temperatury odbywa się za pomocą płaszczy lub wężownic wypełnionych czynnikiem chłodzącym. Zapobiega to przegrzaniu i zapewnia optymalne warunki wzrostu.

◆ System kontroli pH: PH bulionu fermentacyjnego jest monitorowane i dostosowywane za pomocą kwasów, zasad lub buforów w celu utrzymania pożądanego zakresu.

◆ System zasilania składników odżywczych: Zapewniona jest kontrolowana podaż składników odżywczych, takich jak cukry, aminokwasy, witaminy i minerały, w celu podtrzymania wzrostu komórek i metabolizmu.

Uniwersalność fermentorów biologicznych sprawia, że ​​są one niezbędne na różnych etapach produkcji biofarmaceutycznej. Jednym z najważniejszych zastosowań jest produkcja rekombinowanych białek przy użyciu kultur komórek ssaczych. W przeciwieństwie do komórek drobnoustrojów, komórki ssaków mogą wytwarzać większe białka ze złożonymi modyfikacjami potranslacyjnymi, takimi jak glikozylacja, co czyni je idealnymi do wytwarzania białek terapeutycznych naśladujących białka ludzkie.

Zwierzęta transgeniczne, szczególnie transgeniczne kozy i króliki, pojawiły się jako obiecujące modele produkcji rekombinowanych białek. Integrując ludzkie geny z genomem zwierzęcia, naukowcy mogą wykorzystać naturalne systemy produkcji zwierząt w celu wytworzenia białek terapeutycznych w ich mleku lub innych płynach ciała. Takie podejście, znane jako „rolnictwo molekularne”, oferuje kilka zalet, w tym niższe koszty produkcji, wyższe plony i ulepszone profile bezpieczeństwa.

Na przykład ATYN, rekombinowane przeciwciało antytrombiny zatwierdzone przez FDA w 2009 r., Jest wytwarzane w mleku kóz transgenicznych. Podobnie, Ruconest, rekombinowany ludzki inhibitor esterazy C1, jest oczyszczany z mleka transgenicznych królików. Produkty te pokazują wykonalność i skuteczność transgenicznych reaktorów zwierząt w produkcji biofarmaceutycznej.

◆ Postępy w technologii hodowli komórkowej: Opracowanie nowych mediów hodowlanych, strategii pasz i systemów perfuzji znacznie poprawiło wydajność i jakość hodowli komórek zwierzęcych. Postępy te umożliwiły produkcję wyższych mian białek terapeutycznych i szczepionek, zmniejszając koszty i zwiększając dostępność tych produktów.

◆ Innowacje w projektowaniu bioreaktorów: Nowe projekty bioreaktorów, takie jak mieszane fali i orbitalnie wstrząśnięte bioreaktory, oferują lepsze właściwości mieszania i przenoszenia masy, umożliwiając uprawę wrażliwych typów komórek i wytwarzanie produktów wysokiej jakości. Ponadto zastosowanie jednorazowych bioreaktorów zmniejszyło ryzyko zanieczyszczenia i uproszczone procesy produkcyjne.

◆ Integracja automatyzacji bioprocesów: Integracja systemów automatyki i sterowania w bioreaktorach poprawiła powtarzalność procesu, ograniczyła błędy operatora oraz umożliwiła monitorowanie i kontrolę krytycznych parametrów procesu w czasie rzeczywistym. Doprowadziło to do zwiększenia produktywności, skrócenia przestojów i poprawy jakości produktów.

◆ Zrównoważony rozwój i wpływ na środowisko: Przemysł biotechnologiczny w coraz większym stopniu koncentruje się na ograniczaniu swojego wpływu na środowisko i poprawie zrównoważonego rozwoju. Doprowadziło to do rozwoju nowych bioprocesów, które wykorzystują zasoby odnawialne, minimalizują wytwarzanie odpadów i zmniejszają zużycie energii. Ponadto zastosowanie bioreaktorów jednorazowego użytku zmniejszyło potrzebę czyszczenia i sterylizacji, jeszcze bardziej zmniejszając wpływ na środowisko.