अनुकूलित बायो-रिएक्टर क्या हैं? डिज़ाइन विकल्प, सामग्री और नियंत्रण

अनुकूलित बायो-रिएक्टर क्या है, और सेल कल्चर बनाम माइक्रोबियल ड्यूटी के लिए अनुकूलन कैसे भिन्न होता है?सेल कल्चर के लिए एक अनुकूलित बायो-रिएक्टर चार बाधाओं के आसपास इंजीनियर किया गया है जो माइक्रोबियल किण्वन में शायद ही कभी मायने रखती हैं: अत्यधिक कतरनी संवेदनशीलता, प्रति इकाई मात्रा में कम ऑक्सीजन मांग, तंग शारीरिक नियंत्रण, और पूर्ण डेटा अखंडता। स्तनधारी कोशिकाएं लगभग 1.5 मीटर/सेकंड से ऊपर इम्पेलर टिप की गति पर क्षतिग्रस्त हो जाती हैं, इसलिए जहाजों में माइक्रोबियल सेवा के विशिष्ट 0.5-5 किलोवाट/एम3 के बजाय 0.01-0.10 किलोवाट/एम3 के पावर इनपुट पर बड़े-व्यास वाले अक्षीय हाइड्रोफॉइल का उपयोग किया जाता है। घुलित ऑक्सीजन को हवा संतृप्ति के 20-50% पर, पीएच को 6.8-7.4 के भीतर ±0.05 पर, तापमान को 36.5-37.0 डिग्री सेल्सियस पर, और घुलित CO2 को 100-150 mmHg से नीचे रखा जाता है।

1. कतरनी-संवेदनशील और उच्च-घनत्व संस्कृति के लिए डिज़ाइन विकल्प

सेल कल्चर के लिए अनुकूलन चार उप-प्रणालियों पर केंद्रित है। प्रत्येक का एक मापने योग्य लक्ष्य और एक परिभाषित विफलता मोड है:

• कम-कतरनी आंदोलन और गैस स्थानांतरण: इम्पेलर चयन हावी है। 0.40-0.50 के D/T पर एक बड़े-व्यास वाला अक्षीय हाइड्रोफॉइल या एक समुद्री प्रोपेलर, 0.5-1.5 मीटर/सेकंड की टिप गति पर थोक मिश्रण प्रदान करता है, जिसकी तुलना बैक्टीरिया और खमीर द्वारा सहन की जाने वाली 3-7 मीटर/सेकंड से की जाती है। चूंकि ऑक्सीजन की मांग कम होती है, आमतौर पर 0.5-2 एमएमओएल ओ2/एल·एच के बजाय 50-150, 0.01-0.10 वीवीएम पर एक रिंग स्पार्जर पर्याप्त होता है, और गैस-तरल इंटरफ़ेस पर बुलबुला-प्रेरित कोशिका क्षति थोक कतरनी के बजाय सीमित तंत्र बन जाती है। प्लुरोनिक एफ-68 के 0.5-2.0 ग्राम/एल जोड़ने से बुलबुला टूटने से कोशिकाओं की रक्षा होती है, और एक सिंटर्ड एक के बजाय एक छिद्रित-छेद स्पार्जर का उपयोग करने से इंटरफेशियल कतरनी को कम करने के लिए बुलबुला आकार पर्याप्त बड़ा रहता है।
• सतह फिनिश और सामग्री: सेल कल्चर जहाजों को 316L में कम कार्बन और नियंत्रित सल्फर के साथ बनाया जाता है, यांत्रिक रूप से पॉलिश किया जाता है और ASME-BPE SF4 या बेहतर के अनुसार Ra 0.4 माइक्रोन या उससे कम तक इलेक्ट्रोपॉलिश किया जाता है। इलेक्ट्रोपॉलिशिंग यहां दो कारणों से मायने रखती है, सफाई से परे: यह माइक्रो-क्रेविस को हटाता है जहां माइकोप्लाज्मा और बैक्टीरियोफेज अभियानों के बीच जीवित रह सकते हैं, और यह एक क्रोमियम-समृद्ध निष्क्रिय परत का उत्पादन करता है जो एक मल्टीप्रोडक्ट सुविधा के बार-बार कास्टिक और एसिड चक्रों का प्रतिरोध करता है। जहां क्लोराइड-युक्त फ़ीड या उच्च-लवणता मीडिया का उपयोग किया जाता है, डुप्लेक्स 2205 या 904L को प्रतिस्थापित किया जाता है, और सभी इलास्टोमर्स को USP क्लास VI और पशु-व्युत्पन्न-घटक-मुक्त होना चाहिए।
• परफ्यूजन और सेल प्रतिधारण: उच्च-घनत्व प्रक्रियाएं लगातार कटाई करके फेड-बैच से आगे बढ़ती हैं जबकि कोशिकाओं को बनाए रखती हैं। एक अनुकूलित परफ्यूजन बायो-रिएक्टर एक वैकल्पिक स्पर्शरेखा प्रवाह या स्पर्शरेखा प्रवाह निस्पंदन लूप को पूर्ण कटाई दर के लिए रेटेड प्रतिधारण उपकरण के साथ एकीकृत करता है। विशिष्ट परफ्यूजन दर आमतौर पर 0.02-0.10 एनएल/सेल/दिन होती है, जो प्रति दिन 1-3 जहाज संस्करणों के बराबर होती है, जो 90% से ऊपर की व्यवहार्यता पर 20-80 x 10^6 कोशिकाओं/एमएल की व्यवहार्य कोशिका घनत्व को बनाए रखती है। जहाज को प्रतिधारण लूप के लिए अतिरिक्त नोजल, कम-कतरनी हेड वाले हार्वेस्ट पंप और नियंत्रण तर्क की आवश्यकता होती है जो उत्पाद वापस लेने के दौरान निरंतर जहाज वजन बनाए रखता है।
• घुलित CO2 प्रबंधन: उच्च कोशिका घनत्व पर, घुलित कार्बन डाइऑक्साइड जमा हो जाता है और लगभग 100-150 mmHg से ऊपर वृद्धि और ग्लाइकोसिलेशन को रोकता है। अनुकूलन इसे CO2 को स्ट्रिप करने के लिए जहाज के आधार पर हवा या ऑक्सीजन की उच्च स्पार्जर दर, गैस निवास समय बढ़ाने वाले बढ़े हुए निचले क्लीयरेंस, या झिल्ली संपर्ककर्ता के साथ एक बाहरी लूप के माध्यम से संबोधित करता है। चूंकि केवल आंदोलन बढ़ाने से कतरनी बढ़ जाती है, सही प्रतिक्रिया आमतौर पर कम आंदोलन पर अधिक गैस होती है, जो एक डिजाइन निर्णय है जिसे जहाज ज्यामिति तय होने पर किया जाना चाहिए, न कि कमीशनिंग के दौरान।

2. नियंत्रण वास्तुकला और अनुपालन

विनियमित उत्पादों के लिए, नियंत्रण प्रणाली जहाज के रूप में एक अनुपालन वितरण योग्य है। तीन परतें इसे परिभाषित करती हैं:

• उपकरण और पीएटी: मानक लूप तापमान, पीएच, डीओ, दबाव, स्तर और गैस प्रवाह को कवर करते हैं, जिसमें आंदोलन, फिर गैस प्रवाह, फिर ऑक्सीजन संवर्धन के माध्यम से कैस्केड डीओ नियंत्रण होता है। उन्नत प्रतिष्ठान ऑन-लाइन व्यवहार्य कोशिका मात्रा के लिए कैपेसिटेंस माप, ग्लूकोज, लैक्टेट, ग्लूटामेट और टाइटर के लिए रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, और ओयूआर और सीटीआर के लिए ऑफ-गैस विश्लेषण जोड़ते हैं। ये प्रक्रिया विश्लेषणात्मक प्रौद्योगिकी उपकरण ICH Q8 से Q11 में परिभाषित QbD ढांचे के तहत वास्तविक समय रिलीज परीक्षण का समर्थन करते हैं, और वे नियंत्रण को निश्चित सेटपॉइंट से मॉडल-आधारित फीडिंग में स्थानांतरित करते हैं जो संस्कृति की वास्तविक चयापचय स्थिति के अनुकूल होता है।
• रेसिपी संरचना और डेटा अखंडता: नियंत्रण सॉफ्टवेयर को ISA-88 का पालन करना चाहिए, सामान्य रेसिपी, साइट रेसिपी, मास्टर रेसिपी और नियंत्रण रेसिपी को अलग करना चाहिए ताकि प्रयोगशाला पैमाने पर परिभाषित प्रक्रिया को तर्क को फिर से लिखे बिना उत्पादन में स्थानांतरित किया जा सके। संयुक्त राज्य अमेरिका में जीएमपी निर्माण के लिए, 21 सीएफआर भाग 11 के लिए मान्य सॉफ्टवेयर की आवश्यकता होती है जिसमें सुरक्षित, कंप्यूटर-जनित, समय-मुद्रांकित ऑडिट ट्रेल्स, भूमिका-आधारित पहुंच के माध्यम से प्राधिकरण जांच, और उनके रिकॉर्ड से जुड़े इलेक्ट्रॉनिक हस्ताक्षर हों। यूरोपीय संघ में, अनुलग्नक 11 समान आवश्यकताएं लागू करता है, और दोनों मांग करते हैं कि सिस्टम को औपचारिक रूप से एक लिखित विनिर्देश के खिलाफ प्रलेखित परीक्षण के साथ मान्य किया जाए।
• सिंगल-यूज बनाम स्टेनलेस हाइब्रिड: अनुकूलन तेजी से यह चुनने का मतलब है कि पुन: प्रयोज्य और निपटान योग्य के बीच सीमा कहां रखी जाए। एक हाइब्रिड सुविधा उत्पादन बायो-रिएक्टर के लिए स्टेनलेस जहाज रखती है जबकि मीडिया तैयारी, बफर होल्ड और कटाई के लिए एकल-उपयोग बैग का उपयोग करती है, जो स्टील की दबाव क्षमता और गर्मी हस्तांतरण को बनाए रखते हुए सबसे बड़े सफाई सत्यापन बोझ को हटा देता है। पूरी तरह से एकल-उपयोग ट्रेनें 2,000 लीटर से नीचे मल्टीप्रोडक्ट क्लिनिकल निर्माण के लिए उपयुक्त हैं। चुनाव अभियान गणना और परिवर्तन आवृत्ति से प्रेरित होना चाहिए: प्रति वर्ष लगभग आठ से दस उत्पाद परिवर्तनों से ऊपर, एकल-उपयोग आमतौर पर माल की कुल लागत पर जीतता है।

सेल प्रकार के अनुसार अनुकूलित बायो-रिएक्टर प्राथमिकताएं

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (एफएक्यू)

प्र: अनुकूलित बायो-रिएक्टर और अनुकूलित किण्वक के बीच क्या अंतर है?

उ: व्यवहार में अंतर सहनशीलता बैंड और प्रलेखन बोझ है। शराब बनाने, इथेनॉल या एंजाइम उत्पादन के लिए एक अनुकूलित किण्वक को थ्रूपुट, सफाई क्षमता और पूंजी लागत के लिए अनुकूलित किया जाता है, जिसमें लगभग Ra 0.8 माइक्रोन की सतह फिनिश, यांत्रिक सील और औद्योगिक उपकरण होते हैं। स्तनधारी या स्टेम सेल कल्चर के लिए एक अनुकूलित बायो-रिएक्टर को शारीरिक नियंत्रण और डेटा अखंडता के लिए अनुकूलित किया जाता है, जिसमें Ra 0.4 माइक्रोन या उससे कम पर इलेक्ट्रोपॉलिश सतहें, कम-कतरनी हाइड्रोफॉइल इम्पेलर, परफ्यूजन क्षमता, घुलित CO2 प्रबंधन और 21 सीएफआर भाग 11 के लिए मान्य नियंत्रण प्रणाली पूर्ण ऑडिट ट्रेल और इलेक्ट्रॉनिक हस्ताक्षर के साथ होती है। जहाज का खोल समान है; इंजीनियरिंग प्रयास दो से तीन के कारक से भिन्न होता है।

प्र: सेल कल्चर के लिए प्रति मात्रा शक्ति माइक्रोबियल किण्वन की तुलना में इतनी कम क्यों है?

उ: क्योंकि पशु कोशिकाओं में कोशिका भित्ति नहीं होती है और वे बैक्टीरिया की तुलना में लगभग 10-50 गुना बड़ी होती हैं, जिससे वे हाइड्रोडायनामिक और बुलबुला-प्रेरित कतरनी के प्रति बहुत अधिक संवेदनशील होती हैं। कोशिका क्षति इम्पेलर के पास स्थानीय अशांत ऊर्जा अपव्यय दर और गैस-तरल इंटरफ़ेस पर बुलबुला टूटने से संबंधित है, न कि जहाज-औसत शक्ति इनपुट से। व्यावहारिक परिणाम: माइक्रोबियल जहाज 0.5-5 किलोवाट/एम3 पर चलते हैं, जबकि स्तनधारी जहाज 0.01-0.10 किलोवाट/एम3 पर चलते हैं, जो 50 गुना की कमी है। ऑक्सीजन की मांग तदनुसार कम होती है, इसलिए कम मिश्रण तीव्रता अभी भी द्रव्यमान हस्तांतरण आवश्यकता को पूरा करती है। सेल कल्चर में मिश्रण समस्या को हल करने के लिए आंदोलन को उच्च करने से लगभग हमेशा कोशिका lysis के माध्यम से अधिक नुकसान होता है जितना कि यह हल करता है।

प्र: परफ्यूजन बायो-रिएक्टर को फेड-बैच जहाज से अलग तरीके से कैसे अनुकूलित किया जाता है?

उ: एक परफ्यूजन जहाज को तीन अतिरिक्त की आवश्यकता होती है। पहला, एक सेल प्रतिधारण लूप: वैकल्पिक स्पर्शरेखा प्रवाह या स्पर्शरेखा प्रवाह निस्पंदन सर्किट के लिए अतिरिक्त नोजल, एक कम-कतरनी हार्वेस्ट पंप, और डाउनस्ट्रीम कैप्चर के लिए एक फिल्टर लाइन। दूसरा, वजन-आधारित स्तर नियंत्रण जो हार्वेस्ट को लगातार वापस लेने और ताजा माध्यम को खिलाए जाने के दौरान निरंतर जहाज द्रव्यमान बनाए रखता है, आमतौर पर स्तर को ±2% के भीतर रखता है। तीसरा, विस्तारित संस्कृति अवधि का मतलब है कि 10-20 के बजाय 30-60 दिनों के लिए बाँझ अखंडता बनाए रखनी चाहिए, जो सील, बाँझ कनेक्टर और फिल्टर अखंडता परीक्षण पर विनिर्देश को बढ़ाता है, और उल्लंघन के बिना लंबे अभियानों के लिए डिज़ाइन किए गए नमूनाकरण और मीडिया विनिमय प्रणालियों की आवश्यकता होती है।

प्र: एक अनुकूलित जीएमपी बायो-रिएक्टर के साथ कौन से सत्यापन दस्तावेज होने चाहिए?

उ: एक पूर्ण पैकेज का अनुरोध करें: डिजाइन योग्यता साक्ष्य जिसमें चित्र, पी एंड आईडी, EN 10204 3.1 के लिए सामग्री प्रमाण पत्र, सतह फिनिश रिपोर्ट और प्रक्रियाओं, वेल्डर योग्यता, वेल्ड मानचित्र और बोरस्कोपिक निरीक्षण रिकॉर्ड के साथ वेल्डिंग दस्तावेज शामिल हैं। स्थापना योग्यता समर्थन में जैसा-निर्मित चित्र, राष्ट्रीय मानकों के लिए पता लगाने योग्य उपकरण अंशांकन प्रमाण पत्र, उपयोगिता सत्यापन और स्नेहन रिकॉर्ड शामिल हैं। परिचालन योग्यता समर्थन में फैक्ट्री स्वीकृति परीक्षण प्रोटोकॉल और परिणाम, नियंत्रण लूप सत्यापन, अलार्म और इंटरलॉक परीक्षण, सीआईपी कवरेज परीक्षण और बाँझ होल्ड डेटा शामिल हैं। सॉफ्टवेयर दस्तावेज शामिल करें जिसमें एक कार्यात्मक विनिर्देश, डिजाइन विनिर्देश और परीक्षण प्रोटोकॉल शामिल हैं जहां आपूर्तिकर्ता नियंत्रण प्रणाली प्रदान करता है, साथ ही स्पेयर पार्ट्स और रखरखाव सिफारिशें।