Cursussen over cellulair bioreactordesign, afgestemd op schuifgevoeligheid en celtype
Bioreactoren met lage schuifkracht voor zoogdiercellen en stamcellen
Zoogdierstamcellen en dergelijke zijn gevoelig voor bioreactoren met een hoge hydrodynamische schuifkracht en agressieve menging. Het gevolg is een verlies van 40% in cellevendigheid door membraanruptuur als gevolg van schuifkracht die wordt veroorzaakt door hoge celconcentraties. Om het verlies van levendigheid te voorkomen, zijn uitzettende, marine roerbladen ontworpen om axiale stromingspatronen te creëren, aangezien deze een willekeurige omtrekkende beweging van de stroming bieden. Systemen met gesegmenteerde, doorstromende roerbladen die zijn ontworpen als vervanging van de Rushton-roerbladen worden gebruikt voor de uitbreiding van stamcellen, wat leidt tot een vermindering van de schuifkracht met 60%. Tijdens het opschalen is validatie van hoge schuifkrachtverdraagzaamheid cruciaal en dient deze te geschieden met exacte locatiebepaling van de meest belaste onderdelen, om hoge schuifkracht en schadelijke spanningsverdeling in de reactor te voorkomen.
Microbiële fermentatie
Omdat de vereiste zuurstoftransferrate in de kamer >150 is, is robuuste turbulente menging vereist. In tegenstelling tot schaargevoelige culturen zijn bacteriële en gistculturen schaartolerant. Druppels die worden gegenereerd door spargers die een kolom water met hoge energie vormen, verbeteren de zuurstoftransferrate met 35%. Als de toegevoerde vermogensinbreng wordt verhoogd in de kolom met hoge energie, zal de temperatuur de meta-theoretische niveaus overschrijden; daarom dient een dicht metabool zeef van druppels met hoge energie te worden gebruikt.
Visstaartschijf versus Rushton-turbine
Visstaartschijven werken bijna laminair en leveren schaarsnelheden van minder dan 1 Pa, wat ideaal is voor zoogdier- en stamcelsystemen, terwijl Rushton-turbines een maximale zuurstofoplossing bieden, in overeenstemming met het systeem van hoge schaarbelasting voor micro-organismen, wat in tegenspraak is met het systeem van lage schaarbelasting.
In hybride toepassingen zoals de productie van CAR-T-cellen bieden bladmixers met schuine bladen bijna perfecte menging (85% efficiëntie) bij schuifkrachtniveaus die aanvaardbaar zijn voor gevoelige suspensieculturen. Schaalverkleinde modellen van 3 L voorspellen de prestaties van bioreactoren op productieschaal; daarom dragen transformatiebioreactoren met zekerheid bij aan de procesontwikkeling.
Bij het kiezen van een bioreactortype voor een bepaalde schaal en toepassing dient u rekening te houden met de van toepassing zijnde regelgeving:
Conforme, schaalbare, geroerde-tankbioreactoren voor de productie van mAb’s en vaccins
Roeikarbioreactoren (STR's) zijn de voorkeuroptie voor de productie van biologica op grote schaal, omdat ze goed afgestemd zijn op de regelgeving en hun schaalbaarheid is bewezen. Door hun modulaire ontwerp kan de productie worden opgeschaald terwijl optimale niveaus voor opgeloste zuurstof, pH en voedingsstoffen worden gehandhaafd voor de productie van monoklonale antilichamen (mAb) en vaccins volgens de Good Manufacturing Practice (GMP). Een extra voordeel van STR's is het bereiken van vergelijkbare hoge cel dichtheden in suspensieculturen (meer dan 20 miljoen cellen/mL), terwijl de uniforme menging wordt gewaarborgd door het roerdergestuurde proces van STR's. De mechanische complexiteit van STR's vereist dat STR-systemen worden gevalideerd, inclusief de regeling van waterstofopname en beluchting, om te voldoen aan de voorschriften van de FDA en de EMA.
De beste bioreactoralternatieven kiezen: Wave-, Airlift- en Packed-Bed-bioreactoren voor gespecialiseerde culturen
Wave-, Airlift- en Packed-Bed-bioreactoren bieden specifieke voordelen bij gespecialiseerde toepassingen:
Golf-gemengde zakken bieden een wiegende beweging voor lage-scherf ophanging, ideaal voor uitbreiding van zaadstammen, hoewel er ontwerpbeperkingen bestaan met betrekking tot schaalbaarheid, die beperkt is tot ongeveer 500 L.
Luchtverheffingsbioreactoren zijn energie-efficiënt voor microbiele fermentaties met een hoge overdrachtsratio van zuurstof (OTR), maar schaal-upbeperkingen bestaan vanwege ontwerpbeperkingen.
Gevulde-bedbioreactoren zijn systemen voor ultrahoge cel dichtheden, dankzij diverse ondersteunde matrixkweeksystemen, hoewel de complexe oogst, operationele kosten en verwerkingsmoeilijkheden hierdoor verhoogd zijn.
Geef prioriteit aan kritieke procesparameters boven automatiseringsfuncties
Opgelost zuurstof, pH, temperatuur en voedingsstofcontrole als essentiële criteria voor de keuze van bioreactoren
Bij de keuze van een bioreactor moet prioriteit worden gegeven aan het regelen van kritieke procesparameters (CPP’s), zoals opgeloste zuurstof (DO), pH, temperatuur en voedingsstoftoevoer, boven functies die geavanceerd zijn op het gebied van automatisering. Het handhaven van DO binnen smalle fysiologische grenzen ondersteunt aerobe culturen, evenals de groei en levensvatbaarheid van cellen, bij het behoud en het voorkomen van schade aan hun respectievelijke eigenschappen. Om de correcte conformatie en nauwkeurigheid van apoptose of metabolische stilstand te waarborgen, moet de pH voor proteasen binnen de gemiddelde waarden blijven. De regeling van temperatuur en de regeling van pH moeten strikt worden bewaakt. De real-time regeling van voedingsstoffen moet blijven binnen de grenzen van de ophoping van remmende bijproducten. De automatisering van deze processen belemmert de operationele efficiëntie minder dan een onvoldoende regeling en balans van de vier CPP’s. Wanneer deze geavanceerde regeling in evenwicht is, bedraagt het operationele verlies per batchincident $500.000–$2 miljoen (BioPlan Associates, 2023). Voordat automatisering wordt overwogen, moeten prioritaire macrosensoren optische macrosensoren voor opgeloste zuurstof omvatten, in plaats van hun polarografische tegenhangers, indien geen regeling aanwezig is.
Wat is het belang van het aanpassen van een bioreactordesign aan celtype en schuurgevoeligheid?
Het aanpassen van het ontwerp van een bioreactor aan het celtype en de schuurgevoeligheid is cruciaal voor het optimaliseren van de groei en het voorkomen van celdood door hoge schuarkrachten.
Hoe lossen bioreactoren het hoge zuurstofverbruik op bij microbiele fermentatie?
Bioreactoren, zoals Rushton-turbines, verhogen de zuurstofoverdracht naar microbiele cellen door gebruik te maken van een interne recirculatiepomp.
Wat zijn de voordelen en nadelen van hydrofoelplaten en Rushton-turbines?
Hydrofoelplaten veroorzaken minder schuurstroming, terwijl Rushton-turbineplaten de beste oplossing van zuurstof bevorderen, wat geschikt is voor microbiele systemen.
Waarom zijn roerbioreactoren de betere keuze voor GMP-conforme, schaalbare productie?
Omdat ze eenvoudig schaalbaar zijn, nauwkeurige controle van parameters mogelijk maken en voldoen aan de voorschriften van de FDA en de EMA.
Welke factoren zijn het belangrijkst bij de keuze van een bioreactor?
De belangrijkste factoren waarop de aandacht moet worden gericht, met uitsluiting van automatisering, zijn de gereguleerde parameters voor het onderhoud van de bioreactor, waaronder maar niet beperkt tot: opgeloste zuurstof, pH, temperatuur en de voedingsstoftoevoer.