Designet af fermentor-bioreaktoren som et enzymproduktionssystem
Fermentor-design, enzymproduktion og enzymkvalitet
Skibets form er især vigtig for designet af fermentere på grund af dens indflydelse på kontrol af fermenterens indre miljø, hvilket er vigtigt for syntesen af målenzymer. Hensyn til skibets højde-bredde-forhold viser, at et højere skib er bedre, da det kan øge opløst iltniveauet for mikrober, der kræver meget ilt, med op til 30 procent. Skibets materiale er også vigtigt for integriteten af det endelige produkt. De fleste plastmaterialer afgiver deres kemikalier og enzymer, mens borosilikatglas gør det i mindre grad. Det rigtige valg af propeller kan være afgørende for blandingen. For eksempel kan en standard-Rushton-turbine opnå 95 % blandingens ensartethed på under 10 sekunder, selv ved meget viskøse næringssubstrater. For optimal produktion af følsomme enzymer som lipaser og proteaser er omhyggelig temperaturkontrol nødvendig for at holde fermenterens temperatur inden for ±0,5 °C. Med de nødvendige kontroller kan moderne fermentere med automatisk tilsætning baseret på pH opretholde udbyttet inden for ±2 %, hvilket er optimalt for produktionen af målenzymer. Ved at placere baffle-sensorer omhyggeligt for at undgå døde zoner vil man undgå opsamling af materiale, der negativt påvirker kvaliteten af målenzymerne.
Luftning, blanding og styring af skærspænding i nedsænket fermentering.
God nedsænket fermentering handler helt og holdent om den rigtige afvejning mellem systemets iltforbrugsrate, omrøringens intensitet og kontrol af de mekaniske spændinger, der er forbundet med systemet. For stor skærspænding vil ødelægge de vigtige mycelielle netværk, mens for lidt omrøring vil resultere i områder, der er fri for ilt. Sparger-porerne, som typisk ligger i størrelsesintervallet 10–200 mikrometer, er af betydelig betydning. Mindre porer fører til bedre dispersion af gas og væske, men giver også øget skumdannelse. Ved svampefermentering ligger den optimale interval for volumetriske masseoverførselsrater mellem 20 og 150, hvilket også er intervallet med den største svampevækst. Disse rater svarer også til den største vækst af svampe-mycelium samt den største vækst af svampe-mycelium og den største vækst af svampe-mycelium og den største vækst af svampe-mycelium og den største vækst af svampe-mycelium. Der skal udvises forsigtighed ved håndtering af actinomycetter, da de er meget brødlige ved impeller-tips-hastigheder over 2,5 m/sek. I modsætning hertil yder Bacillus-stammerne bedst under turbulent strømningsbetingelser med baffleplader, men uden skadelige virvler. Nyere innovationer inden for anlægsdesign omfatter brugen af beregningsbaseret væskestrømningsdynamik (CFD) til at identificere områder med mekanisk spænding og designe omrøringsystemer til netop disse specifikke forhold. Specielle koaksiale omrørere er nødvendige for at håndtere den ikke-newtonske opførsel af væsker med højt indhold af polysaccharider. Måling af viskositeten i realtid giver operatørerne mulighed for at justere effekttilførslen for at opretholde den ønskede Casson-fluid-regime.
Når det kommer til skumkontrol, vælger mange anlæg antiskummidler uden silikone, fordi de håndterer skum uden at påvirke luftningseffektiviteten negativt eller utilsigtet fjerne enzymer fra opløsningen.
Fra laboratoriestamme til kommerciel skala: Fermentor-drevet procesintensivering
Termostabile enzymer: Batch-, tilførselsbatch- og kontinuerlige fermentordrift
Den valgte type gæring har betydning for mængden af thermostabile enzymer, der kan produceres, samt for, hvordan processen styres. Selvom batch-systemer er de nemmeste at styre og operere, er de også de mindst produktive på grund af den faldende produktivitet, der opstår efter den eksponentielle vækstfase. Denne udfordring løses ved fed-batch-drift, hvor næringsstoffer tilføjes gradvist for at understøtte højere stationære udbytter. Faktisk rapporterer nogle bioprocesseringslitteraturer op til 30–40 procent højere udbytter af thermostabile enzymer med fed-batch-metoden sammenlignet med batch-metoden. Kontinuerlig gæring er ideel for enzymer, der er aktive i længere tid, f.eks. visse proteaser, da den sikrer optimal produktivitet. Ulempen er, at lange kørsler af disse systemer ofte øger risikoen for forurening. Derfor vælger de fleste producenter det bedste kompromis mellem produktivitet og kontrol ved at anvende fed-batch-systemer, da de muliggør mere effektiv produktion i længere tid end andre metoder og samtidig giver god kontrol over stofskiftets hastighed samt en reduktion af risikoen for forurenede systemer.
Echtidovervågning med PAT: Sikrer bedre kontrol af fermentere og konsekvens af enzymer
Process Analytical Technology (PAT) giver realtidsovervågning af biokatalysatorfermentere, herunder opløst ilt, pH, biomasse og koncentrationer af flere andre metabolitter. Sensorer og feedbacksystemer giver operatørerne øjeblikkelig adgang til data, hvilket gør det muligt at justere lufttilførsel, næringsstoffer og omrøring. Denne type realtidsovervågning og styring reducerer variationen mellem partier med ca. 25 % og forbedrer produktionskonsistensen. I tilfælde af substrater med termostabile enzymer kan PAT-systemerne identificere subtile viskositetsændringer, hvilket indikerer det præcise tidspunkt for maksimal enzymekspresion. Dette gør det muligt at optimere og maksimere udbyttet uden unødigt forbrug af ressourcer. Desuden overvåger de automatiserede feedbackkontroller skærestress og hjælper med at bevare den strukturelle og funktionelle integritet af de producerede enzymer. Mest væsentligt er det, at PAT-systemer er unikke i deres evne til at indsamle flere styredata i de mål, der er nødvendige for at oprette en lukket styringsløkke. Dette er nøglen til konsistens i enzymkvaliteten, især ved skaleret produktion, og gør det også muligt at overholde GMP-vejledningerne (Good Manufacturing Practices).
Økonomiske og regulatoriske afvejninger ved valg af fermentere til GMP-enzymproduktion
Engangsanvendelige versus rustfrie stålfementere: Overvejelser om fleksibilitet, omkostninger og livscyklusafvejninger
Ved valg af fermentere mellem engangsanvendelige og rustfrie stålfementere skal der afvejes sikkerheden for sterilitet, kravene til skalerbarhed samt overvejelser om livscyklusomkostninger i henhold til GMP-reglerne.
Sterilitet: Der kan ikke opstå krydskontaminering i engangsanvendelige systemer, da der ikke er nogen rengørings- og steriliseringscyklus; der skal dog foretages en grundig validering af polymeren med hensyn til ekstraherbare og udvaskelige stoffer. Rustfrie ståltanke er afhængige af valideret SIP (sterilisering på plads) og CIP (rensning på plads) til mikrobiel kontrol.
Skalerbarhed: Store volumener og kontinuerlige fremstillingsoperationer er nødvendige for fremstilling med høj kapacitet, og her er rustfrit stål-infrastrukturen afgørende. På den anden side er engangsløsninger bedre til fleksibel, flerproduktsfremstilling, hvor hurtige kampagneændringer og kortere opsætningstid kræves.
Levetidsomkostninger: Selvom fermentorer af rustfrit stål kræver en kapitalinvestering, der er ca. 40 % højere end engangssystemer, giver de lavere driftsomkostninger pr. parti efter 5 år; med engangsløsninger er de indledende omkostninger ca. 60 % lavere, men omkostningerne til engangsartikler stiger hurtigt – især i kommerciel skala – ved lukket partifremstilling.
Hvor det angår engangssystemer, er det nødvendigt for virksomheder at håndtere materiale-dokumentation gennem hele produktionsprocessen for at teste for ekstraherbare stoffer, som også er klassificeret i henhold til GMP-vejledningerne. Metaludstyr kræver ligeledes dokumentation, der understøtter overvejelser vedrørende udstyrets korrosionsbestandighed, samt dokumentation til bekræftelse af, at udstyret er korrekt poleret/afsluttet. Regulerende myndigheder kræver også fuldstændig genvalidering i overensstemmelse med deres specifikke krav til F-, E- og M-instrumenter, hver gang virksomheder ønsker at øge kapaciteten af metaludstyret eller ændre udstyrets kapacitet for at inkludere engangssystemer. Det er tydeligt, at virksomhederne forstår disse faktorer, og de virksomheder, der udfører de bedste integrerede leverandørauditier og designet kvalitetssystemer med 'lukket kreds' på forhånd, sigter mod ICH Q5A(R2) og USP 665s begrænsede specifikationer for ekstraherbare og udvaskelige stoffer (EL) for procesmaterialer med hensyn til kontrol og specifikationer.
Ofte stillede spørgsmål
Hvordan påvirker designet af en fermentor biosyntesen af enzymer?
Fermentoren gør det muligt at præcist regulere de miljømæssige faktorer, der påvirker udbyttet og kvaliteten af det producerede enzym.
Hvordan kunne undervandsfermentation være mere effektiv?
Ved at have en velafbalanceret kontrol med lufttilførsel, omrøring og påførte spændinger. En effektiv kontrol af disse faktorer er vigtig for at opnå en ønsket viskositet, hvilket har direkte indflydelse på enzymproduktionen.
Hvad er forskellene mellem batch-, tilførselsbatch- og kontinuerlig fermentordrift?
Alle tre fermentorprocesser – batch, fed-batch og kontinuerlig – har hver deres fordele. Batch-systemer er enkle at håndtere, men produktiviteten falder efter den eksponentielle vækstfase. Fed-batch-systemer tillader tilsætning af næringssubstanser og understøtter dermed større udbytter. Kontinuerlige fermentorprocesser giver den største fermentationskapacitet, men medfører også en større risiko for forurening. Fed-batch-systemer ser ud til at ligge midt imellem med hensyn til produktivitet, selvom de stadig giver større proceskontrol.
Hvad er betydningen af Process Analytical Technology (PAT) i forbindelse med fermentorprocesser?
Realtime-overvågning af procesparametre kan anvendes til at foretage de nødvendige justeringer for at overholde GMP og opretholde det krævede konsistensniveau ved fremstilling af enzymer.
Hvad er fordelene og ulemperne ved engangsfermentorers og rustfrie stålfermentorers anvendelse ved fremstilling af enzymer?
Engangsgærdetankers indledende omkostninger er lavere, men omkostningerne pr. parti er højere i forhold til rustfrie gærdetanke, som har højere startomkostninger, men bliver billigere efter et større antal partier samt tillader større skalerbarhed til mere økonomisk fremstilling med høj kapacitet.