Конструкция ферментера-биореактора как системы производства ферментов
Конструирование ферментера, производство ферментов и качество ферментов
Форма сосуда особенно важна при проектировании ферментёров из-за её влияния на контроль внутренней среды ферментёра, что имеет ключевое значение для синтеза целевых ферментов. С точки зрения соотношения высоты и диаметра сосуда (aspect ratio), более высокий сосуд предпочтительнее, поскольку он может повысить уровень растворённого кислорода для микроорганизмов, требующих большого количества кислорода, до 30 %. Материал сосуда также важен для сохранения целостности конечного продукта. Большинство пластиков выделяют химические вещества и ферменты, тогда как боросиликатное стекло обладает значительно меньшей склонностью к этому. Правильный выбор мешалки может быть критически важным для перемешивания. Например, стандартная турбина Раштона обеспечивает однородность перемешивания на уровне 95 % менее чем за 10 секунд, даже при работе с очень вязкими питательными средами. Для оптимального получения чувствительных ферментов, таких как липазы и протеазы, необходим тщательный контроль температуры, чтобы поддерживать температуру в ферментёре в пределах отклонения не более ±0,5 °C. При наличии соответствующих систем управления современные ферментёры с автоматической подачей питательных веществ по показаниям pH способны поддерживать выход продукта в пределах отклонения ±2 %, что является оптимальным показателем для производства целевых ферментов. Тщательное размещение датчиков-перегородок с целью исключения «мёртвых зон» поможет предотвратить накопление материала, негативно влияющего на качество целевых ферментов.
Аэрация, перемешивание и управление сдвиговыми напряжениями в погружной ферментации.
Хорошая субмергентная ферментация основана на правильном балансе между скоростью поглощения кислорода системой, интенсивностью перемешивания и контролем механических напряжений в системе. Избыточные сдвиговые напряжения разрушают важные мицелиальные сети, тогда как недостаточное перемешивание приводит к образованию зон, лишенных кислорода. Поры спаргера, обычно имеющие размер от 10 до 200 мкм, имеют существенное значение. Более мелкие поры обеспечивают лучшую дисперсию газа и жидкости, но одновременно усиливают пенообразование. Для фунгальной ферментации оптимальный диапазон объёмных скоростей массопередачи составляет 20–150, что совпадает с диапазоном, обеспечивающим максимальный рост грибов. Эти же значения соответствуют максимальному росту грибного мицелия, максимальному росту грибного мицелия, максимальному росту грибного мицелия, максимальному росту грибного мицелия и максимальному росту грибного мицелия. При работе с актиномицетами требуется особая осторожность, поскольку они становятся чрезвычайно хрупкими при окружной скорости лопастей мешалки свыше 2,5 м/с. Напротив, штаммы Bacillus лучше всего растут в условиях турбулентного потока при наличии перегородок и отсутствии разрушительных вихрей. К недавним инновациям в проектировании производственных мощностей относится применение вычислительной гидродинамики для выявления зон механических напряжений и проектирования систем перемешивания, адаптированных к этим конкретным условиям. Для управления неньютоновским поведением бульонов с высоким содержанием полисахаридов требуются специальные коаксиальные мешалки. Измерения вязкости в реальном времени позволяют операторам корректировать подводимую мощность для поддержания требуемого режима текучести по Кассону.
Когда речь заходит о контроле пены, многие предприятия выбирают антипенные агенты без содержания силикона, поскольку они эффективно устраняют пену, не снижая эффективности аэрации и не вызывая непреднамеренного удаления ферментов из раствора.
От лабораторного штамма к промышленному масштабу: интенсификация процесса с помощью ферментёра
Термостабильные ферменты: работа в режимах периодического, полу периодического и непрерывного ферментёра
Выбранный тип процесса ферментации имеет важное значение для определения количества термостабильных ферментов, которые могут быть получены, а также для способа контроля этого процесса. Хотя периодические (батчевые) системы проще всего контролировать и эксплуатировать, они являются наименее продуктивными из-за снижения продуктивности после фазы экспоненциального роста. Эту проблему решают с помощью полунепрерывного (фид-батч) режима работы, при котором питательные вещества добавляются постепенно, чтобы поддерживать более высокие стационарные выходы. Фактически, в некоторых публикациях по биопроцессам сообщается о повышении выхода термостабильных ферментов на 30–40 % при использовании фид-батч-метода по сравнению с батч-методом. Непрерывная ферментация идеально подходит для ферментов, обладающих длительной активностью, например, для некоторых протеаз, поскольку обеспечивает оптимальную продуктивность. Однако недостатком является то, что продолжительная работа таких систем повышает вероятность загрязнения. Поэтому большинство производителей достигают наилучшего баланса между продуктивностью и управляемостью с помощью фид-батч-систем, поскольку они обеспечивают стабильное производство в течение более длительного времени по сравнению с другими методами, а также позволяют хорошо контролировать скорость метаболизма и снижают риск загрязнения систем.
Мониторинг в реальном времени с использованием PAT: обеспечение более точного контроля ферментеров и стабильности ферментов
Технология анализа процессов (PAT) обеспечивает мониторинг биокаталитических ферментеров в реальном времени, включая концентрацию растворённого кислорода, pH, биомассу и концентрации множества других метаболитов. Датчики и системы обратной связи предоставляют операторам немедленный доступ к данным, позволяя им корректировать подачу воздуха, питательных веществ и интенсивность перемешивания. Такой мониторинг и управление в реальном времени снижают вариабельность между отдельными партиями примерно на 25 % и повышают стабильность производственного процесса. В случае субстратов, содержащих термостабильные ферменты, системы PAT способны выявлять незначительные изменения вязкости, что указывает на конкретный момент максимальной экспрессии ферментов. Это позволяет оптимизировать и максимизировать сбор продукта без избыточного расхода ресурсов. Кроме того, автоматизированные системы обратной связи контролируют механическое напряжение сдвига и способствуют сохранению структурной и функциональной целостности получаемых ферментов. Наиболее важно то, что системы PAT уникальны тем, что они собирают данные по нескольким параметрам управления в объёме, необходимом для реализации замкнутого контура управления. Именно это является залогом стабильного качества ферментов, особенно при масштабировании производства, а также позволяет соблюдать требования GMP (надлежащая производственная практика).
Экономические и регуляторные компромиссы при выборе ферментёров для производства ферментов в условиях GMP
Одноразовые и стальные ферментёры: аспекты гибкости, стоимости и компромиссов в течение жизненного цикла
При выборе между одноразовыми и стальными ферментёрами необходимо учитывать гарантию стерильности, требования к масштабируемости и соображения об общей стоимости жизненного цикла в рамках требований GMP.
Стерильность: в одноразовых системах невозможна перекрёстная контаминация, поскольку отсутствует цикл очистки и стерилизации; однако полимер должен быть тщательно валидирован с точки зрения выщелачиваемых и экстрагируемых веществ. Стальные сосуды полагаются на валидированные процессы SIP (стерилизация на месте паром) и CIP (очистка на месте) для контроля микробной загрязнённости.
Масштабируемость: Для высокопроизводительного производства необходимы крупномасштабные и непрерывные производственные операции, и именно здесь критически важна инфраструктура из нержавеющей стали. С другой стороны, одноразовые платформы лучше подходят для гибкого многопродуктового производства, где требуются быстрые смены производственных кампаний и минимальные затраты времени на подготовку.
Стоимость жизненного цикла: Хотя стоимость ферментёров из нержавеющей стали составляет примерно на 40 % больше первоначальных капитальных вложений по сравнению с одноразовыми системами, через пять лет они обеспечивают более низкие эксплуатационные затраты на одну партию; при использовании одноразовых систем первоначальные затраты ниже примерно на 60 %, однако расходы на одноразовые компоненты быстро возрастают — особенно в коммерческом масштабе — при закрытом производстве партий.
Что касается одноразовых систем, компании обязаны вести документацию по материалам на протяжении всего производственного процесса для проведения испытаний на извлекаемые вещества, которые также классифицируются в соответствии с руководящими принципами GMP. Для металлического оборудования также требуется документация, подтверждающая его устойчивость к коррозии, а также документация, подтверждающая правильную полировку/отделку оборудования. Регуляторные органы также требуют полной повторной валидации F-, E- и M-инструментов в соответствии со своими конкретными требованиями всякий раз, когда компании намереваются увеличить производственную мощность металлического оборудования или изменить её с целью включения одноразовых систем. Очевидно, что компании осознают эти факторы, и те из них, которые заблаговременно проводят комплексные аудиты поставщиков и проектируют замкнутые системы обеспечения качества, ориентируются на ограничения по извлекаемым и вымываемым веществам (EL), установленные в руководствах ICH Q5A(R2) и USP 665, применительно к технологическим материалам в части их контроля и спецификаций.
Часто задаваемые вопросы
Как конструкция ферментера влияет на биосинтез ферментов?
Ферментер обеспечивает точный контроль над экологическими факторами, влияющими на выход и качество получаемого фермента.
Каким образом субмерная ферментация может быть более эффективной?
Благодаря хорошо сбалансированному контролю аэрации, перемешивания и приложенных нагрузок. Эффективный контроль этих параметров важен для достижения требуемой вязкости, которая напрямую влияет на выработку ферментов.
В чём различия между периодическим, полу-периодическим и непрерывным режимами работы ферментера?
Все три режима работы ферментера — периодический, полу периодический (с подачей питательных веществ) и непрерывный — обладают своими преимуществами. Периодические системы просты в эксплуатации, однако их производительность снижается после фазы экспоненциального роста. В полу периодических системах возможна подача питательных веществ, что способствует повышению выхода продукта. Непрерывные ферментационные системы обеспечивают наибольшую интенсивность ферментации, однако сопряжены с более высоким риском загрязнения. Полу периодические системы, по-видимому, занимают промежуточное положение по производительности, при этом сохраняя более высокий уровень контроля.
Каково значение технологии анализа процессов (PAT) применительно к работе ферментеров?
Контроль параметров процесса в реальном времени позволяет вносить необходимые корректировки для соблюдения требований GMP и поддержания требуемого уровня воспроизводимости при производстве ферментов.
Каковы преимущества и недостатки одноразовых и стальных ферментеров при производстве ферментов?
Одноразовые ферментеры обходятся дешевле на начальном этапе, однако стоимость каждой партии у них выше по сравнению со стальными ферментерами, которые имеют более высокую первоначальную стоимость, но становятся экономически выгоднее после производства большего количества партий, а также обеспечивают более высокую масштабируемость для экономически эффективного высокопроизводительного производства.