Koks yra skirtumas tarp fermentacinio indo ir bioreaktoriaus bioprodukcijoje?

Koks yra skirtumas tarp fermentacinio indo ir bioreaktoriaus bioprodukcijoje?

Bioprocesavimo srityje žodžiai „fermentatorius“ ir „bioreaktorius“ pasitaiko nuolat – kartais naudojami kaip sinonimai, kartais tarsi apibūdintų visiškai skirtingus įrenginius. Pirkimų komandos, procesų inžinieriai ir gamybos vadovai visi susiduria su tuo pačiu klausimu, nustatydami įrangą: ar indikatorius ant rezervuaro iš tikrųjų keičia tai, ką šis indas gali atlikti? Teisinga terminologija yra svarbi, nes ji lemia sistemą kaip suprojektuoti, patvirtinti ir galiausiai eksploatuoti GMP sąlygomis. A fermentatorius su vienu tikslu sukurtas įrenginys gali neatitikti ląstelių kultūros proceso valdymo reikalavimų, o be supratimo apie mikrobiologinę apkrovą nustatytas bioreaktorius gali būti pernelyg sudėtingas ir nepagrįstai brangus.

Suprasti pagrindinį skirtumą tarp fermenterio ir bioreaktoriaus

Kas iš tikrųjų yra fermenteris?

A fermentatorius yra uždaras indas, specialiai sukurtas mikroorganizmams – bakterijoms, mieliams, grybams – auginamiesiems kontroliuojamomis sąlygomis siekiant gauti norimą metabolitą. Šis terminas kilęs tiesiogiai iš fermentacijos proceso, kuriame mikroorganizmai substratus konvertuoja į produktus, pvz., etanolį, organines rūgštis, antibiotikus ar rekombinantus baltymus. Tipiškame nerūdijančiojo plieno fermentatorius , dėmesys sutelkiamas į greito mikrobinio augimo palaikymą: aukšti maišymo našumai, intensyvus oro tiekimas per skleidiklius (spargery) ir vidiniai aušinimo vamzdžiai ar apvalkalai, kad būtų galima pašalinti didelį metabolinį šilumos kiekį, kurį sukuria tankios bakterijų kultūros. Konstrukciniai slėgio reikalavimai ir sandarinimo specifikacijos projektuojami remiantis deguonies perdavimo poreikiais, kuriuos turi sparčiai augančios prokariotinės ląstelės. Viršutinės erdvės tūris, maišytuvo geometrija ir perturbatoriaus (baffle) išdėstymas viduje fermentatorius visi siejami su vienu pagrindiniu tikslu – maksimaliai padidinti biomasą ir produkto išeigą iš mikrobinės populiacijos.

Kas yra bioreaktorius bioprodukcijoje?

Bioreaktorius, palyginus, yra platesnė kategorija. Bet koks uždaras indas, kuris palaiko biologinę reakciją – mikrobinę, žinduolių ląstelių, vabzdžių ląstelių, augalų ląstelių ar net fermentinę – laikomas bioreaktoriumi. Tai reiškia, kad kiekvienas fermentatorius yra bioreaktorius, tačiau ne kiekvienas bioreaktorius yra fermentatorius pavyzdžiui, žinduolių ląstelių kultūros bioreaktorius veikia daug žemesniais maišymo greičiais, nes gyvūnų ląstelėms trūksta ląstelių sienelių, o mechaninės apkrovos gali jas suardyti. Dujinimo strategijos keičiamos nuo grublių oro burbulų įpurškinimo prie mikroburbulių ar net membraninio deguonies tiekimo, kad būtų išvengta putų ir ląstelių pažeidimų. Adherentinėms ląstelėms auginant naudojami bioreaktoriai įtraukia mikronešėjus arba fiksuotųjų lovos geometrijas, kurių mikroorganizmams reikia neįmanoma. fermentatorius ši skirtis susijusi su auginama biologine sistema – o ne tik su įranga. Šios hierarchijos supratimas padeda pirkimo komandoms išvengti netinkamos biologinės apkrovos sistemų užsakymo.

Techninis projektavimas ir valdymo architektūra

Indo projektavimas, medžiagos ir steriliškumo reikalavimai

Abiejų fermentatorius ir bioreaktorių indai farmacinės kokybės taikymo srityse paprastai gaminami iš 316L nerūdijančiojo plieno su elektropoliruotomis vidinėmis paviršiaus dalimis, kurių šiurkštumas Ra ≤ 0,5 μm arba geresnis, laikantis ASME BPE nurodymų. Skirtumai pasireiškia pagalbinių angų konstrukcijoje ir sandarinimo filosofijoje. Mikrobiologinis fermentatorius turi gebėti išlaikyti teigiamą slėgį sterilizuojant vietoje cikluose esant 121–135 °C temperatūrai, o maišymo veleno mechaniniai sandarinimai turi būti dvigubieji, kad būtų užkirstas kelias užteršimui aukšto greičio maišymo metu. Žinduolių ląstelių kultūroms skirti bioreaktoriai dažnai veikia žemesniu slėgiu, tačiau reikalauja daugiau ėminių ėmimo ir maitinimo angų, nes perfuzijos ir maitinamųjų partijų protokolai apima kelių skystų medžiagų tiekimo linijų vienu metu veikimą. Sterilizacijos ribos, aseptinės jungties vietos ir išleidimo vožtuvo pasirinkimas visi priklauso nuo auginamo organizmo užteršimo rizikos profilio – bakterijos, žinduolių ląstelės ar virusų gamybos platformos kiekviena turi skirtingus steriliškumo užtikrinimo reikalavimus.

Stebėjimo, valdymo ir automatizavimo sistemos

Šiuolaikinis procesų valdymas fermentatorius sukasi aplink parametrus, kurie veikia mikrobinį metabolizmą: tirpęs deguonis, kuris valdo maišymo intensyvumą ir dujų srautą, pH reguliavimas naudojant rūgšties ir šarmo siurblius, temperatūros palaikymas per išorinį šildymo ar aušinimo apvalkalą (arba vamzdelius), taip pat putų aptikimas ir putožolių įvedimas. Šių valdymo ciklų atsarginės schemos yra svarbios, nes, pvz., tirpmaus deguonies jutiklio gedimas aukštos ląstelių tankumo Escherichia coli kultūros metu gali sukelti kultūros žlugimą per keletą minučių. Ląstelinės kultūros bioreaktoriuje pridedami tiesioginio matavimo talpumo ar gyvų ląstelių tankio jutikliai, gliukozės ir pieno rūgšties stebėjimo prietaisai, o kartais – ir Ramano spektroskopija realiems metabolitų stebėjimams – jutikliai, kurių paprastame mikrobinėje fermentatorius gali nebūti reikalinga. FDA 21 CFR 11 dalies atitiktis elektroniniams įrašams ir auditų pėdsakuose yra vienodai svarbi abiem sistemų tipams, nes partijos įrašai turi įrodyti, kad kiekvienas valdymo veiksmas procese buvo vykdomas taip, kaip numatyta programoje. Valdymo platformos pasirinkimas, palaikančios tiek mikrobinius, tiek ląstelinių kultūrų receptūras, suteikia gamybos įmonei lankstumo, kai jos produktų katalogas vystosi.

Taikymas, pasirinkimas ir praktinis sprendimų priėmimas

Biologinių vaistų mastelio didinimo atvejis

Vidutinės apimties JAV Vidurio vakarų regione veikianti biologinių vaistų CDMO įmonė didino monokloninio antikūno gamybos procesą nuo 5 L stalo tipo stiklinio bioreaktoriaus iki 200 L vienkartinės panaudojimo pilotinės sistemos. Pradinis perkeliamasis bandymas nepavyko – produktyvumas sumažėjo maždaug 40 % lyginant su mažojo mastelio rezultatais. Tyrimas parodė, kad maišymo strategija buvo perkelta iš įmonės senesnių mikrobinės fermentatorius platforma. Menties galų greičiai buvo per dideli, todėl kyla nepriimtinas CHO ląstelių šerinimo pažeidimas. Ištirpusio deguonies valdymo grandinė buvo suprogramuota naudojant tuos pačius agresyvius PID parametrus, kurie buvo naudojami E. coli fermentacijai, dėl ko kilo svyruojantys deguonies lygiai, kurie sukėlė stresą žinduolių ląstelių kultūrai. Po to, kai mentė buvo pakeista į mažą šerinimą užtikrinančią jūrinę mentį, maišymas sumažintas iki 80–100 apsukų per minutę ir vietoj įprasto oro tiekimo įrenginio buvo naudojamas mikrooro tiekimo įrenginys (microsparger) švelnesniam deguonies tiekimui, procesas per tris ciklus atsigavo iki ±5 % nuo laboratorinio masto titrų. Pamoka buvo aiški: įranga, sukurtą remiantis vienu požiūriu, tiesiogiai negalima taikyti žinduolių ląstelių kultūrai be valdymo strategijos ir skysčių dinamikos persvarstymo. fermentatorius požiūrio įrangos konfigūracija tiesiogiai neperkeliamas į žinduolių ląstelių kultūrą be valdymo strategijos ir skysčių dinamikos persvarstymo.

Pagrindiniai veiksniai renkantis tinkamą įrangą

Kai komanda susirenka, kad nustatytų fermentatorius ar bioreaktorius, pirmasis klausimas nėra apie talpos tūrį – jis susijęs su organizmu. Mikrobiniai procesai reikalauja didelės deguonies perdavimo našumo, greito šilumos pašalinimo ir patikimos putų kontrolės. Žinduolių ląstelių procesams reikia švelnaus maišymo, tikslaus maistinių medžiagų tiekimo ir minimalaus sukimo įtempimo. Be biologinių aspektų, toliau pateikta patikrinimo sąrašo pagalba galima susiaurinti pasirinkimą:

• Medžiagų sekliškumo ir ASME BPE paviršiaus baigiamosios apdorojimo dokumentacija
• CIP ir SIP validavimo rinkiniai, apimančios blogiausias šaltas vietas
• Įrangos suderinamumas su jau naudojama proceso valdymo programine įranga
• Vartų skaičius ir konfigūracija dabartinėms ir būsimoms procesų papildomoms funkcijoms
• Agitatoriaus variklio galingumas, užtikrinantis pakankamą našumą esant aukščiausiai numatomai klampumui
• Vienkartinių sistemų priešinimas nešvariam plienui – priklauso nuo kampanijų lankstumo ir valymo validavimo naštos

Užduodant šiuos klausimus prieš susisiekiant su įrangos tiekėjais sutrumpinamas vertinimo ciklas ir sumažinamas rizika užsisakyti sistemą, kurią po šešių mėnesių reikės modifikuoti.

Techninė priežiūra ir operaciniai geriausi pratimai

A fermentatorius kasdieninėje gamybos veikloje susidaro nusidėvėjimas prognozuojamais būdais. Agitatoriaus mechaniniai sandarinimai turėtų būti tikrinami bent kartą ketvirtį — nedidelė nesuprantama nuotėka gali sukelti užteršimą, kuris sunaikina visą partiją po kelių savaičių trukmės procese. pH ir DO matavimo įtaisai laikui bėgant nukrypsta ir reikalauja periodinės perkalinimo pagal žinomus etalonus kas kelis ciklus, o ne tik tada, kai rodmenys atrodo įtartini. Elastomeriniai O-žiedai ir tarpinės jungtyse dėl dažnų garų sterilizacijų praranda savybes ir turėtų būti keičiami profilaktiškai, o ne laukiant gedimo. Vienkartiniuose bioreaktoriuose dėmesys perkeliamas į maišo vientisumo patikrinimą, vamzdžių suvirinimo kokybę ir jutiklių kalibravimą prieš kiekvieną kampaniją. Operatoriams reikia mokyti atpažinti ankstyvus sandarinimų nusidėvėjimo, jutiklių nukrypimo ar šildymo/aušinimo apvalkalo užteršimo požymius, kad būtų išvengta daugumos neplanuotų sustojimų. Profilaktinės techninės priežiūros žurnalas, susietas su partijų numeriais, leidžia lengvai susieti įrangos įvykius su technologinio proceso nuokrypiais tyrimų metu.

DAŽNIAUSIAI UŽDUODAMI KLAUSIMAI IR PARTNERIŲ PARINKIMAS

Dažniausiai užduodami klausimai

Ar fermentatorius gali būti naudojamas ląstelių kultūrai?

Standartinis mikrobinis fermentatorius dažniausiai netinka žinduolių ar vabzdžių ląstelių kultūrai be reikšmingų modifikacijų. Maišymo įrenginio geometrija, maišymo greičio diapazonas ir oro tiekimo įrenginio (sparger) tipas optimizuoti stipriems mikroorganizmams, kurie toleruoja didelį mechaninį apkrovimą. Bandomasis žmogaus kiaušinių ląstelių (CHO) ar HEK293 ląstelių auginimas neatitinkamame fermentatoriuje fermentatorius dažniausiai sukelia žemą ląstelių gyvybingumą dėl mechaninės žalos ir nepakankamo deguonies tiekimo esant švelnesniam maišymui.

Kodėl kai kurie gamintojai viską žymi kaip bioreaktorių?

Daugelis įrangos gamintojų naudoja terminą „bioreaktorius“ kaip bendrąją sąvoką, nes jis apima platesnę produktų grupę — mikrobines, ląstelių kultūros, vienkartinės naudotos ir hibridines sistemas — vienoje rinkodaros kategorijoje. Tai supaprastina jų katalogus, tačiau gali užmaskuoti konkrečius inžinerinius skirtumus, kurie yra svarbūs tam tikram procesui. Pirkėjai turėtų klausti apie numatytą organizmo tipą ir patvirtintus veiklos duomenis, o ne remtis vien tik produkto pavadinimu.

Kokie standartai taikomi fermenteriams ir bioreaktoriams?

ASME BPE pateikia pagrindinį bioprosesinės įrangos projektavimo standartą, apimantį paviršiaus baigiamąją apdailą, medžiagų parinkimą, suvirinimą ir valymo galimybę. FDA ir EMA įstatymų leidžiamos GMP taisyklės nustato, kaip įranga turi būti eksploatuojama, valoma ir dokumentuojama. ISO 9001 apima gamintojo kokybės valdymo sistemą. Šie standartai kartu užtikrina, kad fermentatorius ar bioreaktorius atitiktų reguliavimo institucijų inspektorių saugos ir kokybės reikalavimus.

Kaip vienkartiniai ir nerūdijančiojo plieno fermenteriai palyginami?

Vienkartiniai bioreaktoriai pašalina valymo patvirtinimo poreikį ir sumažina laukimo laiką tarp partijų, todėl jie ypač tinkami daugiaprodukčių gamybos įmonėms. Nerūdijančiojo plieno fermentatorius sistemos gali veikti esant didesniam slėgiui ir temperatūrai, palaiko agresyvesnius valymo ciklus ir paprastai ilgalaikiuose eksplotavimo sąnaudų modeliuose siūlo žemesnes sąnaudas vienam produktui skirtose gamybos linijose. Pasirinkimas priklauso nuo kampanijų įvairovės, įmonės infrastruktūros ir gyvavimo ciklo sąnaudų modeliavimo.

Kokio dydžio fermentacinė kolona tinka bandymų masto (pilotinio) plėtrai?

Bandymų mastas (pilotinis) fermentatorius dydis priklauso nuo žemyninės (downstream) gamybos galios ir kiekio medžiagos, reikalingos formulavimo tyrimams, stabilumo testavimui ir ankstyvosioms klinikinėms tiekimams. Paplitę pilotiniai tūriai mikrobiologiniams procesams svyruoja nuo 30 L iki 200 L, o ląstelių kultūroms – nuo 50 L iki 500 L. Dauguma plėtros komandų praktiškai siekia balanso tarp pakankamo gaminamo produkto kiekio ir per mažo atliekų kiekio.

Kaip dažnai reikia perkalibruoti pH ir tirpiosios deguonies (DO) jutiklius?

Gaminyne fermentatorius pH jutikliai paprastai reikalauja perkalibravimo po kiekvienos partijos arba kas dvi–tris partijas, priklausomai nuo ciklo trukmės ir jutiklio kokybės. Tirpiosios deguonies jutikliai dažnai gali būti naudojami ilgesnį laiką – iki penkių ar šešių ciklų – jei tarp ciklų palaikoma poliarizacija. Jei tarp planuotų kalibravimų stebima nuokrypis, viršijantis 0,1 pH vieneto arba 5 % tirpiosios deguonies sotinimo, tai reiškia, kad jutiklis artėja prie savo tarnavimo pabaigos, todėl jį reikėtų proaktyviai pakeisti.

Kas sukelia putų susidarymą fermenteryje ir kaip jis kontroliuojamas?

Putos mikrobinėje fermentatorius kyla iš baltymų ir paviršiaus aktyvių medžiagų, kurias išskiria ląstelės, kartu su mechaniniu maišymo ir dujų praplovimo veiksmu. Jei nekontroliuojamos, putos gali užsikimšti išleidimo filtrus, patekti į žemesniuosius technologinius procesus ir sukurti užteršimo kelius. Standartinis kontrolės metodas – mechaniniai putų skaidymo įrenginiai ir antiputų reagentai, dozuojami per peristaltinius siurblius; putų jutikliai įrengiami nustatytame viršutiniame erdvinės dalies lygyje, kad įjungtų reagentų pridėjimą.

Kiek laiko trunka naujos fermenterio sistemos įdiegimas ir kvalifikavimas?

Tipiškas nerūdijančiojo plieno fermentatorius diegimas — nuo gamyklinio priėmimo bandymų iki vietos pristatymo, mechaninio montavimo, naudmenų prijungimo ir IQ/OQ vykdymo — trunka apytiksliai 12–20 savaitės, priklausomai nuo objekto paruoštumo ir naudmenų prieinamumo. Technologinio proceso kvalifikavimas ir pirmieji inžineriniai bandymai prideda dar 4–8 savaites. Vienkartinių sistemų veikla gali būti pradėta per 6–10 savaitės, nes jos daugiausia apeina valymo vietoje (CIP) ir sterilizavimo vietoje (SIP) kvalifikavimo darbus.

Patikimo bioprodukcijos įrangos partnerio pasirinkimas

Teisingo bioprodukcijos indų įrangos tiekėjo pasirinkimas reiškia žvelgti toliau nei techninės specifikacijos lapas. Tiekejas, turintis dokumentuotą inžinerinę patirtį tiek mikrobiologinėje, tiek fermentatorius ir ląstelių kultūros bioreaktorių platformos suteikia praktinės įžvalgos, kurios sutrumpina projektų trukmes. Gamybos galimybės, įskaitant vidinį ASME BPE standartui atitinkantį suvirinimą, elektropoliravimą ir gamykloje vykdomą priėmimo bandymą procesui panašiomis sąlygomis, sumažina priklausomybę nuo trečiųjų šalių subrangos įmonių ir pagerina kokybės sekamumą. Globalios tiekimo grandinės galimybės yra svarbios, kai po pradinės įdiegimo praėjus mėnesiams ar net metams reikia keitiklių, papildomų indų ar plėtros modulių – partneris su įsitvirtinusia logistika gali pristatyti komponentus be projektą trikdančių pristatymo laikų. Pritaikymo lankstumas – nuo prijungimo vietų išdėstymo pakeitimų iki valdymo sistemos integracijos su esamomis visos gamyklos SCADA sistemomis – leidžia įrangai prisitaikyti prie proceso, o ne verčia proceso prisitaikyti prie standartinės įrangos ribotumų. RITAI siūlo susikaupusią inžinerinę patirtį bioprocesinės įrangos gamyboje, remdama farmacinės ir biotechnologinės pramonės klientus sistemomis, kurios suprojektuotos kiekvienos gamyklos specifiniam organizmui, mastui ir reguliavimo aplinkai.