ما هو مفاعل العمليات الحيوية؟ المبادئ والأنواع والتطبيقات الصناعية

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو مفاعل العمليات الحيوية، وما هي ميزات التصميم التي تميزه عن المفاعل الكيميائي القياسي؟مفاعل العمليات الحيوية (مفاعل حيوي) هو وعاء مصمم لزراعة الخلايا الحية - ميكروبية (بكتيريا، خميرة)، حيوانية (خلايا CHO، هبريدوما)، أو نباتية - تحت ظروف خاضعة للرقابة الدقيقة لدرجة الحرارة (عادة 30-37 درجة مئوية)، ودرجة الحموضة (6.5-7.5)، والأكسجين المذاب (DO فوق 20-30٪ تشبع)، وإمدادات المغذيات، لإنتاج منتجات بيولوجية بما في ذلك البروتينات المؤتلفة، والأجسام المضادة وحيدة النسيلة، واللقاحات، والأحماض العضوية، والوقود الحيوي. التمييز الحاسم عن المفاعلات الكيميائية هو الحاجة إلى تشغيل معقم (معقم): يجب تعقيم المفاعل بالبخار النظيف عند 121-134 درجة مئوية لمدة 15-30 دقيقة قبل التلقيح، ويجب أن تستبعد جميع العمليات اللاحقة الكائنات الحية الدقيقة الملوثة. تشمل معلمات التصميم الرئيسية معامل نقل الأكسجين الحجمي (kLa، عادة 0.01-0.3 ثانية^-1 للتخمير الهوائي)، ونظام التحريك لتشتيت الأكسجين، والبنية التحتية للتعقيم في المكان (SIP) لإزالة التلوث الموثوق به بين الدفعات.

1. مبادئ هندسة العمليات الحيوية الأساسية

**مفاعل الاستخدام الواحد (SUB):****نقل الأكسجين و kLa:**يتطلب التخمير الهوائي إمدادًا مستمرًا بالأكسجين للحفاظ على حيوية الخلايا وإنتاج المنتج؛ يحدد معامل نقل الأكسجين الحجمي kLa (ثانية^-1) معدل نقل الأكسجين من فقاعات الغاز إلى الوسط السائل، ويحكمه مدخل طاقة المروحة (P/V = 0.5-5 كيلوواط/متر مكعب) ومعدل تدفق الغاز (0.5-2.0 vvm)؛ تربط معادلة مونود mu = mu_max * C_O2 / (K_O2 + C_O2) معدل النمو المحدد بالأكسجين المذاب، مع مستويات حرجة للأكسجين المذاب تبلغ 0.1-0.5 ملغم/لتر والتي يقل النمو عندها بسبب نقص الأكسجين.

**مفاعل الاستخدام الواحد (SUB):****التصميم المعقم و SIP:**يجب أن تكون جميع الأسطح المبللة قابلة للتعقيم وخالية من الأرجل الميتة (L/D < 3) التي تحبس الملوثات؛ يخضع المفاعل للتعقيم في المكان (SIP) بالبخار النظيف عند 121-134 درجة مئوية لمدة 15-30 دقيقة، ويحقق مستوى ضمان التعقيم (SAL) البالغ 10^-6؛ بعد التعقيم، يحافظ النظام على ضغط إيجابي (0.05-0.1 ميجا باسكال) بالهواء المعقم لمنع الدخول، وتمر جميع الإضافات (المغذيات، القاعدة، مضاد الرغوة) عبر مرشحات تعقيم بحجم 0.2 ميكرومتر.•

**مفاعل الاستخدام الواحد (SUB):**تطبق مفاعلات العمليات الحيوية مستشعرات داخلية للأكسجين المذاب (قطبية أو بصرية)، ودرجة الحموضة (قطب زجاجي قابل للتعقيم بالبخار)، ودرجة الحرارة (RTD)، والعكارة (لكثافة الخلايا)؛ تضيف الأنظمة المتقدمة قياس الطيف الكتلي للغاز الخارج لحساب نسبة التنفس (RQ) ومسابير السعة لكثافة الخلايا الحيوية (VCD)؛ تغذي هذه الأنظمة نظام تحكم يحافظ على نقاط الضبط عبر التحكم المتتالي (DO -> سرعة التحريك -> تدفق الغاز -> إثراء الأكسجين) للحفاظ على التفاعل البيولوجي.2. الأنواع الرئيسية لمفاعلات العمليات الحيوية

•

**مفاعل الاستخدام الواحد (SUB):**المفاعل الحيوي القياسي للتخمير الميكروبي، يتميز بوعاء من الفولاذ المقاوم للصدأ (316L) مع 3-4 توربينات راشستون، و 4 حواجز، وحلقة بخاخ، وتبريد بالسترة؛ أحجام من 50-200,000 لتر لمنتجات تشمل الأنسولين، وحمض الستريك، والأحماض الأمينية، والبروتينات المؤتلفة؛ يحقق كثافات خلوية تبلغ 50-150 جرام/لتر وزن جاف مع E. coli أو الخميرة عند kLa تبلغ 0.1-0.3 ثانية^-1.•

**مفاعل الاستخدام الواحد (SUB):**مصمم لخلط ألطف (سرعات طرفية أقل من 1.5 متر/ثانية لتجنب تلف القص)، مع مراوح راشستون أو ذات شفرات مائلة، وبخاخ بفقاعات دقيقة (100-500 ميكرومتر)، والتحكم في درجة الحموضة عبر بخاخ CO2؛ أحجام من 50-25,000 لتر للأجسام المضادة وحيدة النسيلة (mAbs) والبروتينات المؤتلفة باستخدام خلايا CHO، ويحقق كثافات خلوية تبلغ 10-30 × 10^6 خلية/مل وعوائد منتج تبلغ 2-10 جرام/لتر.•

**مفاعل الاستخدام الواحد (SUB):**أكياس فيلم بوليمر (EVA أو PE) معقمة مسبقًا موضوعة في حامل من الفولاذ المقاوم للصدأ مع تحريك متأرجح أو محرك مدمج؛ يلغي الحاجة إلى التحقق من صحة SIP وخطر التلوث المتبادل، بأحجام من 50-2,000 لتر؛ يستخدم على نطاق واسع لتصنيع الإمدادات السريرية والمرافق متعددة المنتجات حيث يبرر التغيير السريع وتقليل التحقق من التنظيف تكلفة استهلاكية أعلى لكل دفعة.مصفوفة مقارنة أنواع مفاعلات العمليات الحيوية

نوع المفاعل

س: ما هي الوظيفة الأساسية لمفاعل العمليات الحيوية؟

ج: يقوم مفاعل العمليات الحيوية بزراعة الخلايا الحية (ميكروبية، حيوانية، أو نباتية) تحت ظروف خاضعة للرقابة لدرجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والأكسجين المذاب، وإمدادات المغذيات لإنتاج منتجات بيولوجية بما في ذلك البروتينات المؤتلفة، والأجسام المضادة، واللقاحات، والأحماض العضوية، والوقود الحيوي، مع تصميم معقم يضمن التشغيل المعقم طوال عملية الزراعة.

س: لماذا يعتبر معامل نقل الأكسجين (kLa) حاسمًا في تصميم المفاعل الحيوي؟

ج: تتطلب العمليات الحيوية الهوائية إمدادًا مستمرًا بالأكسجين لتنفس الخلايا وإنتاج المنتج؛ يحدد kLa معدل نقل الأكسجين من فقاعات الغاز إلى الوسط السائل، وإذا كان kLa منخفضًا جدًا، يصبح المزرع محدودًا بالأكسجين، مما يقلل من معدل النمو وإنتاجية المنتج - الأهداف التصميمية النموذجية هي kLa تبلغ 0.1-0.3 ثانية^-1 للميكروبات و 0.01-0.05 ثانية^-1 لزراعة الخلايا الحيوانية.

س: كيف يتم الحفاظ على التعقيم في مفاعلات العمليات الحيوية؟

ج: يتم تعقيم المفاعل بالبخار النظيف عند 121-134 درجة مئوية لمدة 15-30 دقيقة (SIP، تحقيق SAL يبلغ 10^-6)، ثم يتم الحفاظ عليه تحت ضغط إيجابي (0.05-0.1 ميجا باسكال) بالهواء المفلتر معقمًا (0.2 ميكرومتر)؛ تمر جميع الإضافات عبر مرشحات تعقيم، وجميع الأسطح تتميز بتصميم صحي (Ra < 0.8 ميكرومتر، لا توجد أرجل ميتة) لمنع التلوث الميكروبي.

س: ما هي ميزة مفاعلات الاستخدام الواحد (SUB)؟ج: تلغي مفاعلات الاستخدام الواحد الحاجة إلى التحقق من صحة SIP، والتحقق من صحة التنظيف، وخطر التلوث المتبادل بين الدفعات والمنتجات، مما يتيح التغيير السريع للمنتج للمرافق متعددة المنتجات؛ ومع ذلك، فإنها تحد من نطاق التشغيل إلى 2,000 لتر، ولا يمكنها مطابقة kLa لمفاعلات الفولاذ المقاوم للصدأ، وتتحمل تكاليف استهلاكية أعلى لكل دفعة يجب تبريرها بالمرونة.