Kurser i cellulär bioreaktordesign anpassade för skärskänslighet och celltyp
Bioreaktorer med låg skärbelastning för däggdjurs- och stamceller
Däggdjursstamceller och liknande är känslomässiga för bioreaktorer med hög hydrodynamisk skjuvspänning och intensiv omrörning. Resultatet blir en förlust av cellöverlevnad på 40 % till följd av membranbristningar orsakade av skjuvspänning vid höga celldensiteter. För att undvika förlust av överlevnad har svällbara marinimpeller utvecklats för att skapa axiala flödesmönster, eftersom de ger slumpmässig cirkulär rörelse i flödet. System med segmenterade, genomströmningsimpeller som är utformade för att ersätta Rushton-impeller används vid stamcellexpansion för att minska skjuvspänningen med 60 %. Vid skaluppskalning är validering av hög skjuvtålighet avgörande och bör utföras med exakt lokalisering av de mest belastade komponenterna för att undvika hög skjuvspänning och skadlig spänningsfördelning i behållaren.
Mikrobiell fermentation
Eftersom den syreöverföringshastighet som krävs i kammaren är >150 krävs kraftfull turbulent blandning. Till skillnad från skärkänsliga kulturer är bakterie- och jästodlingar skärtåliga. Droppar som genereras av spargrar som skapar en högenergikolumn av vatten förbättrar syreöverföringshastigheten med 35 %. Om effektinmatningen ökas till högenergikolumnen kommer temperaturen att överskrida metateoretiska nivåer; därför bör en tät metabolisk sil genom högenergidroppar användas.
Fisksvansskiva jämfört med Rushton-turbin
Fisksvansskivor är nästan laminära och ger skärhastigheter på mindre än 1 Pa, vilket är idealiskt för däggdjurs- och stamcellssystem, medan Rushton-turbiner ger maximal syrlösning i enlighet med det höga skärsystemet för mikroorganismer – motsatsen till det låga skärsystemet.
I hybridapplikationer som CAR-T-cellproduktion ger bladpådrivna omrörare nästan perfekt blandning (85 % effektivitet) vid skärvärden som är acceptabla för känslomliga suspensionskulturer. Skalmodeller på 3 L förutsäger prestandan hos bioreaktorer i tillverkningsstorlek, vilket innebär att transformerbioreaktorer bidrar till processutveckling med säkerhet.
När du väljer en typ av bioreaktor för en given skala och applikation bör du ta hänsyn till de tillämpliga reglerna:
Regleringsenliga, skalbara, omrörda tankbioreaktorer för produktion av monoklonala antikroppar och vacciner
Rörmixade bioreaktorer (STR) är det föredragna valet för stor-skale tillverkning av biologiska läkemedel, eftersom de är väl anpassade till regler och har bevisats vara skalbara. Deras modulära design möjliggör skalförstoring av produktionen samtidigt som optimala nivåer för upplöst syre, pH och näringssubstanser bibehålls vid tillverkning av monoklonala antikroppar (mAb) och vaccin enligt god tillverkningspraxis (GMP). En ytterligare fördel med STR är att de ger jämförbara höga celldensiteter i suspensionskulturer (över 20 miljoner celler/mL), samt att den enhetliga blandningen som uppnås genom STR:s propellordrivna process. STR:s mekaniskt komplexa natur kräver att STR-system valideras, inklusive vikning, vätebaserad luftning och reglering, för att uppfylla FDA:s och EMA:s krav.
Att välja den bästa alternativa bioreaktorn: Wave-, luftlyfts- och packad-bädd-bioreaktorer för specialiserade kulturer
Wave-, luftlyfts- och packad-bädd-bioreaktorer erbjuder specifika fördelar i specialiserade applikationer:
Vågblandade påsar ger en gungande rörelse för suspension med låg skärkraft, vilket är idealiskt för utvidgning av fröodling, även om designbegränsningar finns vad gäller skalbarhet, som är begränsad till ca 500 L.
Luftlyftbioreaktorer är energieffektiva för mikrobiella fermentationsprocesser med hög sympåverkan (OTR), men det finns begränsningar vid skalning på grund av designmässiga restriktioner.
Fyllningsbioreaktorer är system för extremt höga celldensiteter tack vare olika stödmatrisbaserade odlingssystem, även om de på grund av komplex inhämtning leder till högre driftkostnader och processvanskligheter.
Prioritera kritiska processparametrar framför automatiseringsfunktioner
Upplöst syre, pH, temperatur och näringskontroll som avgörande kriterier vid val av bioreaktor
Valet av bioreaktor måste prioritera kontrollen av kritiska processparametrar (CPP) som löst syre (DO), pH, temperatur och näringstillförsel framför funktioner som är sofistikerade vad gäller automatisering. Att hålla DO inom smala fysiologiska gränser främjar aeroba kulturer samt tillväxt och överlevnad hos celler, vilket bevarar och undviker skador på deras respektive funktioner. För att säkerställa korrekt konformation och trohet hos apoptos eller metabolisk nedstängning måste proteas-pH hållas inom genomsnittliga värden. Kontrollen av temperatur och kontrollen av pH måste hållas under strikt kontroll. Den realtidsbaserade kontrollen av näringsförsörjning måste hållas inom gränserna för ackumulering av hämmande biprodukter. Automatiseringen av dessa processer hindrar inte driftseffektiviteten i lika hög grad som kontrollen och balansen av de fyra CPP:erna. Med sofistikerad kontroll i balans uppgår den operativa förlusten per batchincident till en kostnad av 500 000–2 miljoner USD (BioPlan Associates 2023). Innan automatisering övervägs måste prioriterade makrosensorer inkludera optiska makrosensorer för löst syre framför deras polografiska motsvarigheter i avsaknad av kontroll.
Vad är vikten av att anpassa en bioreaktorutformning till celltyp och skärsensitivitet?
Att anpassa bioreaktorns utformning till celltyp och skärsensitivitet är avgörande för att optimera tillväxten och förhindra celldöd orsakad av hög skärpåverkan.
Hur hanterar bioreaktorer höga syrförbrukningskrav vid mikrobiell jämning?
Bioreaktorer, såsom Rushton-turbiner, ökar syreöverföringen till mikrobiella celler genom användning av en intern återcirkulationspump.
Vilka fördelar och nackdelar har hydrofoilskivor respektive Rushton-turbiner?
Hydrofoilskivor ger lägre skärvågor, medan Rushton-turbiner främjar den bästa syrlösningen och är lämpliga för mikrobiella system.
Varför är omrörda tankbioreaktorer det bättre valet för GMP-kompatibel och skalbar produktion?
Eftersom de är lätt skalbara, möjliggör noggrann kontroll av parametrar och uppfyller kraven i FDA:s och EMA:s regelverk.
Vilka faktorer är mest viktiga för valet av en bioreaktor?
De främsta faktorerna som bör fokuseras på – med undantag för automatisering – är de reglerade parametrarna för underhållet av bioreaktorn, inklusive men inte begränsat till: löst syre, pH, temperatur och näringstillförsel.