Gevoeligheid van materialen in glazen bioreactoren
Reinigingsmiddelen voor glazen reactoren, borosilicaatglas en glycol
Glasbioreactoren maken doorgaans gebruik van borosilicaatglas, dat structurele stabiliteit biedt dankzij een lineaire uitzettingscoëfficiënt van 3,3 × 10⁻⁶/°C. De kiezelzuurbinding in borosilicaatglas kan echter worden aangetast door chemische stoffen. Zo kunnen reinigingsmiddelen met een basische pH (>9) de kiezelzuurbindingen breken, terwijl reinigingsmiddelen met een zure pH (<5) de natrium- en boorbindingen kunnen breken, wat microputjes veroorzaakt. Een extra risico vormen geformuleerde schuurmiddelen, omdat deze microkrassen veroorzaken die onder bedrijfsdruk tot wel 70 procent intenser kunnen worden. Gegevens uit de industrie tonen aan dat het gebruik van pH-neutrale reinigingsmiddelen met een pH tussen 6 en 8 de snelheid van microschade aan het glasoppervlak met 40 procent kan verminderen ten opzichte van corrosieve alternatieven. pH-neutrale reinigingsmiddelen kunnen ook de optische helderheid van het glas behouden en daardoor de nucleatieplaatsen voor biofilms verminderen, wat leidt tot een betere regulatie van de celcultuureconomie.
Effecten van thermische schok en chemische werking op microscheuren in borosilicaatglas
Thermische schokken van ±50 °C/min kunnen leiden tot ongelijkmatige uitzetting van de glasvaten, wat op zijn beurt kan leiden tot microscheuren en spanningsbreuken. Chemische agressie in combinatie met een pH-afwijking beïnvloedt ook het siliciumdioxide-substraat door een pH-afwijking te veroorzaken, waardoor microscheuren zich kunnen uitbreiden. Bij een pH-afwijking breiden zich zowel thermische als chemische microscheuren uit. Wanneer thermische spanning samengaat met chemische spanning, kunnen scheuren tot 300 keer sneller uitbreiden dan bij thermische spanning alleen. Onder deze omstandigheden van stressverstoring en drukcyclus in de omgeving zullen subsurface microscheuren zich verder uitbreiden tot het punt waarop de bioreactor zijn sterielheid niet meer kan behouden. Door spoeling met pH-neutraal water en temperatuurregeling binnen ±5 °C/min kan de levensduur van een bioreactor met 60 procent worden verlengd dankzij een vermindering van het fractuurpercentage.
Geoptimaliseerde Cleaning-in-Place-protocollen (CIP) voor glasbioreactoren
Plaatsing van de sproeiers, stroomsnelheid (≥1,5 m/s) en turbulentieontwerp om stilstaande zones te elimineren
Geoptimaliseerde Cleaning-in-Place (CIP)-protocollen voor glazen bioreactoren vereisen consistentie en grondigheid om de ontwerputdagingen van stilstaande zones op te lossen. Het bereiken van een stroomsnelheid van ≥1,5 m/s genereert voldoende turbulentie en schuifspanning om biofilms van oppervlakken te verwijderen die weerstand bieden tegen stroming en stilstaande zones. De plaatsing van de sproeiers dient ook te worden afgestemd op de geometrie van de bioreactor. Verticale sproeiers zorgen ervoor dat de stroming gelijkmatig over de oppervlakken wordt verdeeld, terwijl schuin geplaatste sproeiers de stroming richten op hoeken en verticale lasnaden. CFD-modellering toont aan dat een drempelsnelheid van 1,5 m/s 15–25% van de biofilm zou moeten elimineren. Een zorgvuldige plaatsing van de sproeiers verhoogt het Reynolds-getal tot boven de 4000, wat resulteert in een uniforme stroming en turbulentie over de oppervlakken.
Temperatuurverloopregeling (±5 °C/min) tijdens CIP-verwarmings- en -koelcycli
Een zorgvuldig ontwerp leidt tot een grote veiligheidsmarge om te garanderen dat thermische CIP veilig is voor bioreactoren. Thermische regelgeving die de stroming en snelheid van de thermische CIP voorschrijft, vermindert de kans op barsting van de bioreactor in hoge mate, terwijl tegelijkertijd een consistente en reproduceerbare oplossing van het biofilm wordt gewaarborgd.
Onderhoudsschema’s aangestuurd door de productie in plaats van door de kalender
Inspecties op basis van het aantal cycli, conform de regelgeving (USP <1043>, ISO 20957)
Onderhoudsschema's op basis van kalenderdata houden geen rekening met de werkelijke slijtage die een glazen bioreactor heeft opgelopen nadat de bioreactor een bepaald aantal cycli heeft doorlopen (bijv. fermentatie, SIP, CIP). Net als traditionele onderhoudsprocedures lijden inspecties op basis van gebruik aan het evenwichtsprobleem van onjuistheid, te vroeg of te laat uitvoeren. Dit onderwerp wordt aangesproken in regelgevende richtlijnen: risicobeoordeling van verlies van integriteit van apparatuur wordt gesteund door USP <1043>, en ISO 20957 stelt een vereiste vast voor de rechtvaardiging van inspectie-intervallen, alsook een vereiste voor een historie van mechanische belasting van componenten. De integratie van cyclusaftellers, via PLC-logboekregistratie of een sensorgebaseerde aanpak, verbetert de naleving en het onderhoud van de bioreactor met 30–40% ten opzichte van tijdgebaseerde inspecties.
Vroegtijdige detectie van gebreken in de glazen voering
Detectie van verlies van glasintegriteit: inspecties met meervoudige modi met gebruikmaking van fotoluminescentie
De ontwikkeling van microscheurtjes in de glazen bioreactor is onvermijdelijk. Het is van het grootste belang dat vroegtijdige detectie wordt uitgevoerd om de integriteit van de glazen bioreactor te waarborgen. Een methode hiervoor is het uitvoeren van meerdere inspecties, die zijn onderverdeeld in de volgende categorieën.
Vertroebeling- en/of wazigheidsgebreken kunnen worden waargenomen in het glas nadat er met hoogintensief licht op het glas is geschenen.
Oppervlakken en onderliggende lagen kunnen worden gevisualiseerd met behulp van borescoopbeelden onder een hoek van 360 graden en met een vergroting tot 50x.
Bij de kleurstofdoordringingstest wordt een fluorescerende tracer vloeistof gebruikt in combinatie met UV-licht om de test uit te voeren; hierbij dringen de dienstabscessen en/of microkerven door in het materiaal en worden onderoppervlakken en oppervlakken blootgelegd. Deze scheurtjes kunnen kleiner zijn dan 0,1 mm en zijn vrijwel onzichtbaar voor het blote oog.
Het combineren van alle methoden resulteert in een reductie van 76% van de fout-negatieve detectie ten opzichte van een enkelvoudige modaliteitstest. Rapid helpt niet alleen bij het identificeren en ontmoedigen van verontreiniging, maar draagt ook bij aan het verlengen van de levensduur van de apparatuur met 3–5 jaar doordat ongeplande stilstanden worden voorkomen. Dit voldoet ook aan de proactieve apparatuurintegriteit zoals beschreven in USP <1043> en Bijlage 1.
Veelgestelde vragen
Waarom moeten reinigingsmiddelen pH-neutraal zijn bij het reinigen van borosilicaatglas?
Borosilicaatglas mag niet pH-zuur zijn. Als een silicaatrijk glasnetwerk moeten pH-neutrale reinigingsmiddelen (pH 6–8) het silicaatnetwerk niet aantasten en de glas-sacrosilicaatintegriteit optimaliseren.
Wat zijn de effecten van temperatuurveranderingen op CIP?
Kleine, gecontroleerde temperatuurveranderingen (±5 °C/min) veroorzaken geen thermische spanningen door microkletsen in het glas van de bioreactor.
Waarom gebaseerd op onderhoud uitgevoerde cycli voor glasbioreactoren?
Onderhoud op basis van het cumulatieve aantal cycli elimineert onnodige interventies en optimaliseert het tijdige onderhoud op basis van operationele slijtage.
Hoe zorgt multi-modale inspectie voor de kwaliteit van de bioreactor?
Visuele inspectie, boroscopische inspectie en kleurstofdoordringingsinspectie elimineren het grootste deel van de potentiële contaminatielevenscyclus door de integriteit van het glas te detecteren en te beoordelen.