बायोप्रोसेस रिएक्टर क्या है? सिद्धांत, प्रकार और औद्योगिक अनुप्रयोग

मुख्य प्रश्न का उत्तर: बायोप्रोसेस रिएक्टर क्या है, और कौन सी डिज़ाइन विशेषताएँ इसे एक मानक रासायनिक रिएक्टर से अलग करती हैं?एक बायोप्रोसेस रिएक्टर (बायोरिएक्टर) एक ऐसा पात्र है जिसे जीवित कोशिकाओं - सूक्ष्मजीवों (बैक्टीरिया, खमीर), स्तनधारी (सीएचओ, हाइब्रिडोमा), या पौधों - को तापमान (आमतौर पर 30-37 डिग्री सेल्सियस), पीएच (6.5-7.5), घुलित ऑक्सीजन (डीओ 20-30% संतृप्ति से ऊपर), और पोषक तत्व आपूर्ति की सटीक नियंत्रित परिस्थितियों में विकसित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, ताकि पुनः संयोजक प्रोटीन, मोनोक्लोनल एंटीबॉडी, टीके, कार्बनिक अम्ल और जैव ईंधन सहित जैविक उत्पादों का उत्पादन किया जा सके। रासायनिक रिएक्टरों से महत्वपूर्ण अंतर एसेप्टिक (बाँझ) संचालन की आवश्यकता है: इनोक्यूलेशन से पहले रिएक्टर को 121-134 डिग्री सेल्सियस पर 15-30 मिनट के लिए स्वच्छ भाप से स्टरलाइज़ किया जाना चाहिए, और बाद के सभी संचालन में संदूषक सूक्ष्मजीवों को बाहर रखा जाना चाहिए। प्रमुख डिज़ाइन मापदंडों में वॉल्यूमेट्रिक ऑक्सीजन ट्रांसफर गुणांक (केएलए, एरोबिक किण्वन के लिए आमतौर पर 0.01-0.3 एस^-1), ऑक्सीजन फैलाव के लिए आंदोलन प्रणाली, और बैचों के बीच विश्वसनीय परिशोधन के लिए स्टेरिल-इन-प्लेस (एसआईपी) अवसंरचना शामिल हैं।

1. मुख्य बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग सिद्धांत

**सिंगल-यूज़ बायोरिएक्टर (एसयूबी):**ऑक्सीजन ट्रांसफर और केएलए:**एरोबिक किण्वन के लिए कोशिका व्यवहार्यता और उत्पाद निर्माण को बनाए रखने के लिए निरंतर ऑक्सीजन आपूर्ति की आवश्यकता होती है; वॉल्यूमेट्रिक ऑक्सीजन ट्रांसफर गुणांक केएलए (एस^-1) गैस बुलबुले से तरल माध्यम में ऑक्सीजन ट्रांसफर की दर को मापता है, जो इम्पेलर पावर इनपुट (पी/वी = 0.5-5 किलोवाट/एम^3) और गैस प्रवाह दर (0.5-2.0 वीवीएम) द्वारा नियंत्रित होता है; मोनोड समीकरण म्यू = म्यू_मैक्स * सी_ओ2 / (के_ओ2 + सी_ओ2) घुलित ऑक्सीजन के लिए विशिष्ट विकास दर से संबंधित है, जिसमें महत्वपूर्ण डीओ स्तर 0.1-0.5 मिलीग्राम/एल होते हैं जिसके नीचे विकास ऑक्सीजन-सीमित होता है।

**सिंगल-यूज़ बायोरिएक्टर (एसयूबी):**बाँझ डिज़ाइन और एसआईपी:**सभी गीली सतहों को स्टरलाइज़ करने योग्य होना चाहिए और मृत पैरों (एल/डी < 3) से मुक्त होना चाहिए जो संदूषकों को फंसाते हैं; रिएक्टर को 121-134 डिग्री सेल्सियस पर 15-30 मिनट के लिए स्वच्छ भाप के साथ स्टेरलाइज़-इन-प्लेस (एसआईपी) से गुजरना पड़ता है, जिससे 10^-6 की स्टेरिलिटी एश्योरेंस लेवल (एसएएल) प्राप्त होती है; स्टरलाइज़ेशन के बाद, सिस्टम प्रवेश को रोकने के लिए बाँझ हवा के साथ सकारात्मक दबाव (0.05-0.1 एमपीए) बनाए रखता है, और सभी फीड (पोषक तत्व, आधार, एंटीफोम) 0.2-माइक्रोमीटर स्टरलाइज़िंग फिल्टर से गुजरते हैं।·

**सिंगल-यूज़ बायोरिएक्टर (एसयूबी):बायोप्रोसेस रिएक्टर डीओ (पोलरोग्राफिक या ऑप्टिकल), पीएच (भाप-स्टरलाइज़ करने योग्य ग्लास इलेक्ट्रोड), तापमान (आरटीडी), और टर्बिडिटी (कोशिका घनत्व के लिए) के लिए इन-लाइन सेंसर लागू करते हैं; उन्नत सिस्टम श्वसन भागफल (आरक्यू) के लिए ऑफ-गैस मास स्पेक्ट्रोमेट्री और व्यवहार्य कोशिका घनत्व (वीसीडी) के लिए कैपेसिटेंस जांच जोड़ते हैं; ये एक नियंत्रण प्रणाली में फ़ीड होते हैं जो जैविक प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए कैस्केड नियंत्रण (डीओ -> आंदोलन गति -> गैस प्रवाह -> ऑक्सीजन संवर्धन) के माध्यम से सेटपॉइंट बनाए रखता है।2. बायोप्रोसेस रिएक्टर के प्रमुख प्रकार

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**सिंगल-यूज़ बायोरिएक्टर (एसयूबी):सूक्ष्मजीव किण्वन के लिए मानक बायोरिएक्टर, जिसमें 3-4 रशटन टर्बाइन, 4 बैफल्स, स्पार्जर रिंग और जैकेट कूलिंग के साथ एक स्टेनलेस स्टील (316एल) पात्र होता है; इंसुलिन, साइट्रिक एसिड, अमीनो एसिड और पुनः संयोजक प्रोटीन सहित उत्पादों के लिए 50-200,000 लीटर की मात्रा; ई. कोली या खमीर के साथ 0.1-0.3 एस^-1 के केएलए पर 50-150 ग्राम/एल शुष्क वजन की कोशिका घनत्व प्राप्त करता है।·

**सिंगल-यूज़ बायोरिएक्टर (एसयूबी):नरम मिश्रण के लिए डिज़ाइन किया गया (कतरनी क्षति से बचने के लिए 1.5 मीटर/सेकंड से नीचे की टिप गति), रशटन या पिच-ब्लेड इम्पेलर, माइक्रो-बबल्स (100-500 माइक्रोमीटर) के साथ स्पार्जर, और CO2 स्पार्जर के माध्यम से पीएच नियंत्रण; सीएचओ कोशिकाओं का उपयोग करके मोनोक्लोनल एंटीबॉडी (एमएबी) और पुनः संयोजक प्रोटीन के लिए 50-25,000 लीटर की मात्रा, 10-30 x 10^6 कोशिकाओं/एमएल की कोशिका घनत्व और 2-10 ग्राम/एल के उत्पाद टाइटर्स प्राप्त करता है।·

**सिंगल-यूज़ बायोरिएक्टर (एसयूबी):एक स्टेनलेस स्टील होल्डर में रखे गए पूर्व-स्टरलाइज़्ड पॉलिमर (ईवीए या पीई) फिल्म बैग, जिसमें रॉकिंग या स्टिर्र्ड आंदोलन एकीकृत होता है; एसआईपी सत्यापन और क्रॉस-संदूषण जोखिम को समाप्त करता है, 50-2,000 लीटर की मात्रा के साथ; नैदानिक ​​आपूर्ति निर्माण और बहु-उत्पाद सुविधाओं के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है जहां तेजी से परिवर्तन और कम सफाई सत्यापन उच्च प्रति-बैच उपभोज्य लागत को उचित ठहराते हैं।बायोप्रोसेस रिएक्टर प्रकार तुलना मैट्रिक्स

रिएक्टर प्रकार

प्र: बायोप्रोसेस रिएक्टर का प्राथमिक कार्य क्या है?

उ: एक बायोप्रोसेस रिएक्टर पुनः संयोजक प्रोटीन, एंटीबॉडी, टीके, कार्बनिक अम्ल और जैव ईंधन सहित जैविक उत्पादों का उत्पादन करने के लिए नियंत्रित तापमान, पीएच, घुलित ऑक्सीजन और पोषक तत्व आपूर्ति के तहत जीवित कोशिकाओं (सूक्ष्मजीव, स्तनधारी, या पौधे) को विकसित करता है, जिसमें बाँझ डिज़ाइन पूरे संवर्धन के दौरान एसेप्टिक संचालन सुनिश्चित करता है।

प्र: बायोरिएक्टर डिज़ाइन में केएलए (ऑक्सीजन ट्रांसफर गुणांक) क्यों महत्वपूर्ण है?

उ: एरोबिक बायोप्रोसेस को कोशिका श्वसन और उत्पाद निर्माण के लिए निरंतर ऑक्सीजन आपूर्ति की आवश्यकता होती है; केएलए गैस बुलबुले से तरल माध्यम में ऑक्सीजन ट्रांसफर दर को मापता है, और यदि केएलए बहुत कम है, तो संस्कृति ऑक्सीजन-सीमित हो जाती है, जिससे विकास दर और उत्पाद उपज कम हो जाती है - सूक्ष्मजीवों के लिए 0.1-0.3 एस^-1 और स्तनधारी कोशिका संस्कृति के लिए 0.01-0.05 एस^-1 के केएलए के विशिष्ट डिज़ाइन लक्ष्य हैं।

प्र: बायोप्रोसेस रिएक्टरों में बाँझपन कैसे बनाए रखा जाता है?

उ: रिएक्टर को 121-134 डिग्री सेल्सियस पर 15-30 मिनट (एसआईपी, एसएएल 10^-6 प्राप्त करना) के लिए स्वच्छ भाप से स्टरलाइज़ किया जाता है, फिर बाँझ-फ़िल्टर (0.2 माइक्रोमीटर) हवा के साथ सकारात्मक दबाव (0.05-0.1 एमपीए) के तहत बनाए रखा जाता है; सभी जोड़ स्टरलाइज़िंग फिल्टर से गुजरते हैं, और सभी सतहों में सूक्ष्मजीव संदूषण को रोकने के लिए सैनिटरी डिज़ाइन (आरए < 0.8 माइक्रोमीटर, कोई मृत पैर नहीं) होता है।

प्र: सिंगल-यूज़ बायोरिएक्टर (एसयूबी) का क्या लाभ है?उ: सिंगल-यूज़ बायोरिएक्टर एसआईपी सत्यापन, सफाई सत्यापन और बैचों और उत्पादों के बीच क्रॉस-संदूषण जोखिम को समाप्त करते हैं, जिससे बहु-उत्पाद सुविधाओं के लिए तेजी से उत्पाद परिवर्तन संभव होता है; हालांकि, वे 2,000 लीटर तक के ऑपरेटिंग स्केल को सीमित करते हैं, स्टेनलेस स्टील बायोरिएक्टर के केएलए से मेल नहीं खा सकते हैं, और उच्च प्रति-बैच उपभोज्य लागतें होती हैं जिन्हें लचीलेपन द्वारा उचित ठहराया जाना चाहिए।