راکتور زیست‌فرآیند چیست؟ اصول، انواع و کاربردهای صنعتی

پاسخ به سوال اصلی:راکتور زیست‌فرآیند چیست و چه ویژگی‌های طراحی آن را از راکتور شیمیایی استاندارد متمایز می‌کند؟یک راکتور زیست‌فرآیند (بیوراکتور) ظرفی است که برای کشت سلول‌های زنده - میکروبی (باکتری، مخمر)، پستانداران (CHO، هیبریدوم) یا گیاهی - در شرایط دقیقاً کنترل شده دما (معمولاً ۳۰-۳۷ درجه سانتی‌گراد)، pH (۶.۵-۷.۵)، اکسیژن محلول (DO بالاتر از ۲۰-۳۰٪ اشباع) و تامین مواد مغذی طراحی شده است تا محصولات بیولوژیکی از جمله پروتئین‌های نوترکیب، آنتی‌بادی‌های مونوکلونال، واکسن‌ها، اسیدهای آلی و سوخت‌های زیستی تولید کند. تمایز حیاتی از راکتورهای شیمیایی، نیاز به عملکرد آسپتیک (استریل) است: راکتور باید قبل از تلقیح با بخار تمیز در دمای ۱۲۱-۱۳۴ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱۵-۳۰ دقیقه استریل شود و تمام عملیات بعدی باید از ورود میکروارگانیسم‌های آلوده کننده جلوگیری کند. پارامترهای کلیدی طراحی شامل ضریب انتقال اکسیژن حجمی (kLa، معمولاً ۰.۰۱-۰.۳ ثانیه^-۱ برای تخمیر هوازی)، سیستم همزن برای پراکندگی اکسیژن و زیرساخت استریل در محل (SIP) برای ضدعفونی قابل اعتماد بین بچ‌ها است.

۱. اصول مهندسی زیست‌فرآیند هسته‌ای

**بیوراکتور یکبار مصرف (SUB):****انتقال اکسیژن و kLa:**تخمیر هوازی نیازمند تامین مداوم اکسیژن برای حفظ زنده ماندن سلول و تولید محصول است؛ ضریب انتقال اکسیژن حجمی kLa (ثانیه^-۱) نرخ انتقال اکسیژن از حباب‌های گاز به محیط مایع را کمی می‌کند که تحت تاثیر توان ورودی پروانه (P/V = ۰.۵-۵ کیلووات بر متر مکعب) و نرخ جریان گاز (۰.۵-۲.۰ vvm) قرار دارد؛ معادله مونود mu = mu_max * C_O2 / (K_O2 + C_O2) نرخ رشد ویژه را به اکسیژن محلول مرتبط می‌کند، با سطوح بحرانی DO ۰.۱-۰.۵ میلی‌گرم بر لیتر که زیر آن رشد محدود به اکسیژن است.

**بیوراکتور یکبار مصرف (SUB):****طراحی استریل و SIP:**تمام سطوح مرطوب باید قابل استریل شدن و عاری از نقاط مرده (L/D < ۳) باشند که آلاینده‌ها را به دام می‌اندازند؛ راکتور تحت فرآیند استریل در محل (SIP) با بخار تمیز در دمای ۱۲۱-۱۳۴ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱۵-۳۰ دقیقه قرار می‌گیرد و به سطح اطمینان استریلیتی (SAL) ۱۰^-۶ دست می‌یابد؛ پس از استریل شدن، سیستم فشار مثبت (۰.۰۵-۰.۱ مگاپاسکال) را با هوای استریل حفظ می‌کند تا از ورود جلوگیری شود و تمام ورودی‌ها (مواد مغذی، باز، ضد کف) از فیلترهای استریل ۰.۲ میکرومتری عبور می‌کنند.• 

**بیوراکتور یکبار مصرف (SUB):**راکتورهای زیست‌فرآیند از سنسورهای درون خطی برای DO (پلارگرافیک یا نوری)، pH (الکترود شیشه‌ای قابل استریل با بخار)، دما (RTD) و کدورت (برای تراکم سلولی) استفاده می‌کنند؛ سیستم‌های پیشرفته طیف‌سنجی جرمی گاز خروجی برای نسبت تنفسی (RQ) و پروب‌های خازنی برای تراکم سلول زنده (VCD) را اضافه می‌کنند؛ اینها به یک سیستم کنترل تغذیه می‌شوند که نقاط تنظیم را از طریق کنترل آبشاری (DO -> سرعت همزن -> جریان گاز -> غنی‌سازی اکسیژن) برای حفظ واکنش بیولوژیکی حفظ می‌کند.۲. انواع اصلی راکتورهای زیست‌فرآیند

• 

**بیوراکتور یکبار مصرف (SUB):**بیوراکتور استاندارد برای تخمیر میکروبی، با ظرف فولاد ضد زنگ (۳۱۶L) با ۳-۴ توربین راشتون، ۴ بافل، حلقه اسپارژر و خنک‌کننده ژاکت؛ حجم ۵۰-۲۰۰,۰۰۰ لیتر برای محصولاتی از جمله انسولین، اسید سیتریک، اسیدهای آمینه و پروتئین‌های نوترکیب؛ تراکم سلولی ۵۰-۱۵۰ گرم بر لیتر وزن خشک را با E. coli یا مخمر در kLa ۰.۱-۰.۳ ثانیه^-۱ به دست می‌آورد.• 

**بیوراکتور یکبار مصرف (SUB):**طراحی شده برای هم زدن ملایم‌تر (سرعت نوک کمتر از ۱.۵ متر بر ثانیه برای جلوگیری از آسیب برشی)، با پروانه‌های راشتون یا پره‌دار، اسپارژر با حباب‌های ریز (۱۰۰-۵۰۰ میکرومتر) و کنترل pH از طریق اسپارژ CO2؛ حجم ۵۰-۲۵,۰۰۰ لیتر برای آنتی‌بادی‌های مونوکلونال (mAbs) و پروتئین‌های نوترکیب با استفاده از سلول‌های CHO، با تراکم سلولی ۱۰-۳۰ × ۱۰^۶ سلول در میلی‌لیتر و تیتر محصول ۲-۱۰ گرم بر لیتر.• 

**بیوراکتور یکبار مصرف (SUB):**کیسه‌های فیلم پلیمری از پیش استریل شده (EVA یا PE) که در یک نگهدارنده فولاد ضد زنگ با همزن چرخشی یا همزن یکپارچه قرار گرفته‌اند؛ اعتبارسنجی SIP و خطر آلودگی متقابل را حذف می‌کند، با حجم ۵۰-۲,۰۰۰ لیتر؛ به طور گسترده برای تولید تامین بالینی و تاسیسات چند محصولی که در آن تغییر سریع و کاهش اعتبارسنجی تمیز، هزینه بالاتر مواد مصرفی در هر بچ را توجیه می‌کند، استفاده می‌شود.ماتریس مقایسه انواع راکتور زیست‌فرآیند

نوع راکتور

س: وظیفه اصلی یک راکتور زیست‌فرآیند چیست؟

پ: یک راکتور زیست‌فرآیند سلول‌های زنده (میکروبی، پستانداران یا گیاهی) را تحت دما، pH، اکسیژن محلول و تامین مواد مغذی کنترل شده کشت می‌دهد تا محصولات بیولوژیکی از جمله پروتئین‌های نوترکیب، آنتی‌بادی‌ها، واکسن‌ها، اسیدهای آلی و سوخت‌های زیستی تولید کند، با طراحی استریل که عملکرد آسپتیک را در طول کشت تضمین می‌کند.

س: چرا kLa (ضریب انتقال اکسیژن) در طراحی بیوراکتور حیاتی است؟

پ: فرآیندهای زیستی هوازی برای تنفس سلولی و تولید محصول به تامین مداوم اکسیژن نیاز دارند؛ kLa نرخ انتقال اکسیژن از حباب‌های گاز به محیط مایع را کمی می‌کند و اگر kLa خیلی پایین باشد، کشت محدود به اکسیژن می‌شود و نرخ رشد و بازده محصول را کاهش می‌دهد - اهداف طراحی معمول kLa ۰.۱-۰.۳ ثانیه^-۱ برای کشت میکروبی و ۰.۰۱-۰.۰۵ ثانیه^-۱ برای کشت سلول پستانداران است.

س: چگونه استریلیتی در راکتورهای زیست‌فرآیند حفظ می‌شود؟

پ: راکتور با بخار تمیز در دمای ۱۲۱-۱۳۴ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱۵-۳۰ دقیقه (SIP، دستیابی به SAL ۱۰^-۶) استریل می‌شود، سپس تحت فشار مثبت (۰.۰۵-۰.۱ مگاپاسکال) با هوای استریل فیلتر شده (۰.۲ میکرومتر) حفظ می‌شود؛ تمام افزودنی‌ها از فیلترهای استریل عبور می‌کنند و تمام سطوح دارای طراحی بهداشتی (Ra < ۰.۸ میکرومتر، بدون نقاط مرده) برای جلوگیری از آلودگی میکروبی هستند.

س: مزیت بیوراکتورهای یکبار مصرف (SUB) چیست؟پ: بیوراکتورهای یکبار مصرف اعتبارسنجی SIP، اعتبارسنجی تمیز و خطر آلودگی متقابل بین بچ‌ها و محصولات را حذف می‌کنند و امکان تغییر سریع محصول را برای تاسیسات چند محصولی فراهم می‌کنند؛ با این حال، آنها مقیاس عملیاتی را به ۲۰۰۰ لیتر محدود می‌کنند، نمی‌توانند kLa بیوراکتورهای فولاد ضد زنگ را مطابقت دهند و هزینه‌های بالاتر مواد مصرفی در هر بچ را متحمل می‌شوند که باید با انعطاف‌پذیری توجیه شود.