Qu'est-ce qu'un réacteur de bio-processus?

Pour répondre à la question fondamentale:Qu'est-ce qu'un réacteur de bioprocessus, et quelles caractéristiques de conception le distinguent d'un réacteur chimique standard?Un réacteur de bioprocessus (bioréacteur) est un réacteur conçu pour cultiver des cellules vivantes de micro-organismes (bactéries, levures), de mammifères (CHO, hybrideoma),ou la plante sous des conditions de température contrôlées avec précision (généralement 30-37°C)Les résultats de l'étude ont montré que les protéines sont utilisées dans la production de produits biologiques, notamment des protéines recombinantes, des anticorps monoclonaux, des vaccins, des acides organiques, des produits chimiques et des produits chimiques.et les biocarburantsLa distinction essentielle par rapport aux réacteurs chimiques est l'exigence d'un fonctionnement aseptique (stérile):le réacteur doit être stérilisé par vapeur propre à 121-134 °C pendant 15 à 30 minutes avant l'inoculationParmi les paramètres de conception clés figurent le coefficient de transfert d'oxygène volumétrique (kLa, typiquement de 0,01-0.3 s^-1 pour la fermentation aérobie), le système d'agitation pour la dispersion de l'oxygène et l'infrastructure de stérilisation en place (SIP) pour une décontamination fiable entre les lots.

1Principes de base de l'ingénierie des bioprocessus

·** Transfert d'oxygène et kLa:**La fermentation aérobie nécessite un apport continu d'oxygène pour maintenir la viabilité cellulaire et la formation du produit.le coefficient de transfert d'oxygène volumétrique kLa (s^-1) quantifie le taux de transfert d'oxygène des bulles de gaz vers le milieu liquide, régie par la puissance d'entrée de la roue (P/V = 0,5 à 5 kW/m^3) et le débit de gaz (0,5-2,0 vvm); l'équation de Monod mu = mu_max * C_O2 / (K_O2 + C_O2) rapporte le taux de croissance spécifique à l'oxygène dissous,avec des niveaux critiques de DO de 0.1-0.5 mg/l, au-dessous duquel la croissance est limitée par l'oxygène.

·** Conception stérile et SIP:**Toutes les surfaces mouillées doivent être stérilisées et exemptes de pattes mortes (L/D < 3) qui retiennent les contaminants; le réacteur est stérilisé sur place (SIP) avec de la vapeur propre à 121 à 134 °C pendant 15 à 30 minutes.,Le système est équipé d'un système d'aérosol, d'un système d'aérosol et d'un système d'aérosol, qui assure un niveau d'assurance de la stérilité (SAL) de 10^-6; après stérilisation, le système maintient une pression positive (0,05-0,1 MPa) avec de l'air stérile pour empêcher la pénétration, et tous les aliments (nutriments, base,Les dépôts de déchets de déchets de déchets de déchets de déchetsFiltres stérilisants de 0,2 micromètres.

·** Surveillance et contrôle des processus:**Les réacteurs de bio-processus utilisent des capteurs en ligne pour le DO (polarographique ou optique), le pH (électrode de verre stérilisée à la vapeur), la température (RTD) et la turbidité (pour la densité cellulaire);Les systèmes avancés ajoutent une spectrométrie de masse des gaz de sortie pour le quotient respiratoire (RQ) et des sondes de capacité pour la densité cellulaire viable (VCD); ceux-ci alimentent un système de contrôle qui maintient les points de réglage par contrôle en cascade (DO -> vitesse d'agitation -> débit de gaz -> enrichissement en oxygène) pour maintenir la réaction biologique.

2Les principaux types de réacteurs de bioprocessus

·**Fermentateur à réservoirs de stimulation (STF):Le bioréacteur standard pour la fermentation microbienne, doté d'un récipient en acier inoxydable (316L) avec 3-4 turbines Rushton, 4 déflecteurs, anneaux d'éclairage et refroidissement par jaquette; volumes de 50-200,000 l pour les produits incluant l'insuline, acide citrique, acides aminés et protéines recombinantes; atteint des densités cellulaires de 50 à 150 g/l de poids sec avec E. coli ou levure à kLa de 0,1-0,3 s^-1.

·** Bioréacteur de culture cellulaire de mammifères:**Conçus pour un mélange plus doux (vitesses de pointe inférieures à 1,5 m/s pour éviter les dommages causés par le cisaillement), avec rouleaux Rushton ou à lame inclinée, éclaboussure à micro-bulles (100-500 micromètres),et contrôle du pH par éclaboussure de CO2; volumes de 50 à 25 000 L pour les anticorps monoclonaux (mAbs) et les protéines recombinantes utilisant des cellules CHO, atteignant des densités cellulaires de 10 à 30 x 10^6 cellules/ml et des titres de produit de 2 à 10 g/l.

·**Bioréacteur à usage unique (SUB):sacs de film en polymère préstérilisé (EVA ou PE) placés dans un support en acier inoxydable avec agitation ou agitation intégrée; élimine la validation du SIP et le risque de contamination croisée,avec des volumes de 50-2, 000 L; largement utilisé pour la fabrication de fournitures cliniques et les installations multiproduits où le changement rapide et la validation réduite du nettoyage justifient le coût de consommation par lot plus élevé.

Matrice de comparaison des types de réacteurs de bio-processus

Questions fréquemment posées

Q: Quelle est la fonction principale d'un réacteur de bioprocessus?

R: Un réacteur de bioprocessus cultive des cellules vivantes (microbiennes, mammifères ou végétales) à température, pH, oxygène dissous,et l'approvisionnement en nutriments pour produire des produits biologiques, y compris des protéines recombinantes, des anticorps, des vaccins, des acides organiques et des biocarburants, avec une conception stérile assurant un fonctionnement aseptique tout au long de la culture.

Q: Pourquoi le kLa (coefficient de transfert d'oxygène) est-il essentiel dans la conception des bioréacteurs?

R: Les bioprocessus aérobes nécessitent un apport continu d'oxygène pour la respiration cellulaire et la formation du produit; kLa quantifie le taux de transfert d'oxygène des bulles de gaz vers le milieu liquide,et si le kLa est trop basDans le cas de la culture, la culture est limitée en oxygène, ce qui réduit le taux de croissance et le rendement du produit.

Q: Comment la stérilité est-elle maintenue dans les réacteurs de bioprocessus?

R: Le réacteur est stérilisé par vapeur propre à 121-134°C pendant 15 à 30 minutes (SIP, atteignant un SAL de 10^-6), puis maintenu sous pression positive (0,05-0,1 MPa) avec filtration stérile (0,05-0,1 MPa).2 micromètres) d'air; tous les additifs passent par des filtres stérilisants et toutes les surfaces sont sanitaires (Ra < 0,8 micromètres, pas de pattes mortes) pour éviter la contamination microbienne.

Q: Quel est l'avantage des bioréacteurs à usage unique?

A: Les bioréacteurs à usage unique éliminent la validation SIP, la validation de nettoyage et le risque de contamination croisée entre les lots et les produits, ce qui permet un changement rapide de produit pour les installations multiproduits;Cependant, ils limitent l'échelle de fonctionnement à 2 000 litres, ne peuvent pas égaler les kLa des bioréacteurs en acier inoxydable et entraînent des coûts de consommation par lot plus élevés qui doivent être justifiés par la flexibilité.