Co to jest reaktor fermentacyjny?

Odpowiedź na podstawowe pytanie:Czym jest reaktor fermentacyjny i jak utrzymuje on warunki aseptyczne, zapewniając mikroorganizmom optymalny tlen, składniki odżywcze i mieszanie do tworzenia produktu?Reaktor fermentacyjny (bioreaktor) to naczynie ciśnieniowe zakodowane zgodnie z ASME-BPE przeznaczone do aseptycznej hodowli mikroorganizmów (bakterii, drożdży,komórek ssaków do produkcji biopharmaceutykówWydajność jest regulowana przez * objętościowy współczynnik przenoszenia masy kLa* = 0,05-0,3 s−1 dla dostarczania tlenu,* kinetyka monodu* μ = μmax·S/(Ks + S) dla przewidywania tempa wzrostu, oraz walidacja sterylna w miejscu (SIP) w temperaturze 121°C przez 15-30 minut.Zgodność z GMP zgodnie z 21 CFR część 11 i ICH Q5A wymaga zatwierdzonych cykli CIP/SIP, poziom zapewnienia bezpłodności (SAL) < 10−6, oraz pełne elektroniczne zapisy partii (EBR).

1Podstawowe zasady projektowania i bioprocesowania

Projekt reaktora fermentacyjnego łączy wymagania mikrobiologiczne (sterylność, transfer tlenu, dostarczanie składników odżywczych) z inżynierią mechaniczną (poruszanie, transfer ciepła,W celu zapewnienia zgodności z zasadami GMP (zweryfikowanie, integralność danych, zapobieganie zanieczyszczeniom).

• **Przeniesienie masy tlenu i kLa:**Fermentacja aerobowa wymaga ciągłego dostarczania tlenu:*prędkość pochłaniania tlenu (OUR) * = qO2·X (gdzie qO2 jest częstotliwością zużycia tlenu w mmol/gDW/h, a X jest stężeniem biomasy w gDW/L) może osiągnąć 50-200 mmol/L/h w przypadku E o wysokiej gęstościW przypadku bakterii (qO2 = 10-20 mmol/gDW/h, X = 20-50 gDW/L) potrzebne jest kLa > 0,15 s−1;dla komórek ssaków (qO2 = 0).1-0.5, X = 1-10*106 komórek/mL), kLa = 0,005-0,05 s−1 wystarczy. kLa jest zwiększana przez: zwiększenie prędkości mieszania (kLa ¢ N^2,3 dla turbin Rushton), zwiększenie przepływu gazu (vvm = 0,5-2,0),wzrost ciśnienia (podnoszenie C* poprzez prawo Henry'ego C* = H·P), lub przy użyciu powietrza wzbogaconego tlenem (> 40% O2). kLa mierzy się in situ metodą *dynamicznego gazowania* lub *metody utleniania siarczanów*.
• ** Kinetyka monodu i modelowanie wzrostu:**Wzrost drobnoustrojów następuje * kinetyka monodu*: μ = μmax·S/(Ks + S), gdzie μ jest tempo wzrostu specyficznego (h−1), μmax jest maksymalnym tempo wzrostu specyficznego (0,3-1,0 h−1 dla bakterii, 0,03-0.05 h−1 dla komórek ssaków), S jest ograniczającym stężeniem podłoża, a Ks jest stałą półnasycenia.*Współczynnik wydajności* Yx/s = ΔX/ΔS (zwykle 0.4-0,6 gDW/g dla glukozy) łączy produkcję biomasy ze spożyciem substratu.*profil podawania wykładniczego* F(t) = (μset·V0·X0·Yx/s·e^(μset·t))/(Sf·Yx/s) utrzymuje S na optymalnym poziomie, zapobiegając efektowi Crabtree (przepływowy metabolizm drożdży) lub akumulacji octanu w E. coli.
• ** Projektowanie aseptyczne i walidacja SIP/CIP:**Niepłodność jest najważniejszym wymogiem: pojedynczy organizm zanieczyszczający w partii 10 000 l powoduje straty produktu o wartości 100 000-10 000 USD,000,000Naczynie musi być sterylizowalne w miejscu (SIP): wszystkie powierzchnie, na których produkt wchodzi w kontakt, muszą osiągać temperaturę 121°C przez 15-30 minut (standardowe warunki autoklawu, SAL < 10−6).Parę wprowadza się przez rozpalnik, uszczelnienie mieszalnika i wszystkie porty; *mroźne punkty* (lokalizacje termoparów wykazujące minimalną temperaturę) są mapowane i weryfikowane podczas walidacji. * Zasady projektowania ASME-BPE*:zerowa martwa noga (długość rury < 3* średnicy dla wszystkich gałęzi), całkowicie odprowadzalne (dno zbiornika odwrócone do zaworu odpływowego), powierzchnie elektropolitykowane (Ra ≤ 0,4 μm, wykończenie SF1) i sanitaryjne zaciski (seria JT ASME-BPE).*CIP (clean-in-place) * wykorzystuje obracające się kule rozpylające dostarczające żądliwy (1-2% NaOH), 70-80°C), kwasu (1% HNO3) i płukania WFI, zwalidowane testem pokrycia ryboflawiną i TOC < 10 ppm.

2Główne typy reaktorów fermentacyjnych

Reaktory fermentacyjne są klasyfikowane według rodzaju mikroorganizmów, trybu działania (gromad, serwowanych, ciągłych) i skali.

• **Reaktory fermentacyjne z zbiornikiem napędzanym (STR):**Te zbiorniki ASME-BPE (10-200 000 l, 0,1-0,6 MPa, 20-40 °C) są standardem przemysłowym dla fermentacji mikrobiologicznej.5) na szybie do wejścia do dna z podwójnym uszczelnieniem mechanicznym według normy API 682 Plan 53, 4 rozbiórki (szerokość T/12) i pierścienie rozbiórkowe (pierścienie perforowane na dole).Przeniesienie ciepła poprzez półrurkę lub płaszcz do jamek (U = 300-500 W/m2K) usuwa ciepło metaboliczne (5-15 kW/m3 dla kultur o wysokiej gęstości) i utrzymuje ±0Zaawansowane funkcje: sonda tlenowa rozpuszczona (polarograficzna, 0-150% nasycona), sonda pH (±0,02 pH) i kontrola przeciwpiany (pojemny detektor piany uruchamiający dawkowanie przeciwpiany).W trybie serwowanego partii z wykładniczym podkładkiem osiąga się gęstość komórek 50-100 gDW/L dla E. coli i 30-50 gDW/l dla drożdży.
• **Reaktory fermentacyjne podnoszone powietrzem:**Naczynia typu wieży (5-50 m wysokości, 0,5-5 m średnicy, 0,1-0,3 MPa) eliminują mechaniczne poruszanie, wykorzystując sprężone powietrze zarówno do dostarczania tlenu, jak i mieszania.Wewnętrzna konstrukcja pętli (rurka wciągowa wewnątrz zbiornika) tworzy różnicę gęstości: płyn gazowany w podnoszącym się jest mniej gęsty niż płyn niegazowany w spadającym, napędzając krążenie przy prędkości powierzchniowej 0,5-1,5 m/s. Zalety:obniżenie naprężenia cięcia (krytyczne dla grzybów grzybkowatych wrażliwych na cięcie i kultur komórek roślinnych), mniejsze zużycie energii (0,5-2 kW/m3 w porównaniu z 2-10 w przypadku STR) i brak uszczelnienia mechanicznego (zmniejszone ryzyko zanieczyszczenia). kLa = 0,03-0.15 s−1 (niższa niż STR) ogranicza zastosowanie do procesów o niskim OUR (antybiotykiWskaźnik wzrostu następuje w oparciu o podobieństwo geometryczne i dynamiczne (stałe kLa lub stałe P/V).
• **Reaktory fermentacyjne jednorazowego użytku:**Naczynia te wykorzystują wstępnie wysterylizowane, napromieniowane gamma (25-40 kGy) elastyczne plastikowe worki (EVA lub PE wielowarstwowa folia, 50-2 000 l) zainstalowane w sztywnych pojemnikach nośnych,zastępujące zbiorniki ze stali nierdzewnejZalety: brak walidacji SIP/CIP (worek jest wstępnie sterylny), zerowe ryzyko zanieczyszczenia krzyżowego (unieszkodliwianie po każdej partii), szybka zmiana produktu (1-2 godziny w porównaniu z 4-8 godzinami dla CIP/SIP ze stali nierdzewnej),i zmniejszone inwestycje kapitałowe (o 50-70% niższe w odniesieniu do mocy równoważnej)Ograniczenia: niższe ciśnienie robocze (< 0,05 MPa), niższe kLa (0,01-0,08 s−1 przy użyciu mieszania oscylującego lub falowego zamiast obrotowych), ograniczony zakres temperatur (20-40°C),i *ekstrakcyjne i wylewające się* z folii plastikowej, które muszą być charakteryzowane zgodnie z USP <665> i <1665>Preferowany do: materiałów do badań klinicznych, terapii komórkowej i urządzeń z wieloma produktami.

Rodzaje reaktorów fermentacyjnych Macierza porównawcza

Często zadawane pytania (FAQ)

P: Co to jest kLa i dlaczego jest to kluczowy parametr w projektowaniu reaktorów fermentacji aerobowej?

A: kLa (pojemnościowy współczynnik przenoszenia masy gazu do cieczy, w s−1) ilościowo określa szybkość przenoszenia tlenu z bańek gazowych do cieczego medium.Określa maksymalną szybkość dostarczania tlenu OTR = kLa·(C* - C_L, gdzie C* jest rozpuszczalnością tlenu na interfejsie gaz-płyn (około 7-8 mg/L dla powietrza w temperaturze 1 atm, 30°C) i C_L jest stężeniem rozpuszczonego tlenu.tlen staje się podłożem ograniczającym wzrost, a kultura przechodzi na metabolizm beztlenowy (wywołując niepożądane produkty uboczne, takie jak etanol lub laktat). Cel projektowy: kLa musi spełniać OUR = qO2·X z marginesem bezpieczeństwa 20-50%.W przypadku wysokiej gęstości E. coli (X = 50 gDW/L, qO2 = 15 mmol/gDW/h), OUR = 750 mmol/L/h ≈ 5,6 gO2/L/h, wymagające kLa > 0,15 s−1 przy C* = 8 mg/L.

P: Jak przeprowadza się walidację sterylnego w miejscu (SIP) dla reaktora fermentacyjnego?

A: Validacja SIP dla ICH Q5A i ASME-BPE wymaga: (1) Kwalifikacji instalacji (IQ) weryfikującej zdolność dostaw pary (pary nasycone w temperaturze 121°C, 1,05 barg, wystarczający przepływ dla wszystkich portów),Wyposażenie pary sparkera i fok, i integralność sterylnego filtra; (2) Kwalifikacja operacyjna (OQ) mapowanie miejsc zimnych przy użyciu 12-20 termoparów umieszczonych na: dnie zbiornika, sprężyni, obszarze uszczelnienia, zawór próbkowy, zawór zbiórkowy,i portów podaży ≈minimalna temperatura 121°C musi być osiągana we wszystkich miejscach przez 15 minut (standardowe) lub 30 minut (priony/wysoka obciążenie biologiczne); (3) Kwalifikacja wydajności (PQ) z wykorzystaniem wskaźników biologicznych (spory Geobacillus stearothermophilus, 106 CFU, D121 = 1,5-2,0 min) osiągających SAL < 10−6 (brak wzrostu po 7 dniach inkubacji).Cykl SIP jest ponownie weryfikowany corocznie lub po wszelkich modyfikacjach rurociągów.

P: Co to jest równanie Monod i jak jest ono stosowane do kontroli fermentacji w partii?

Odpowiedź: równanie Monod μ = μmax·S/(Ks + S) przewiduje specyficzną szybkość wzrostu μ (h−1) jako funkcję ograniczającego stężenia substratu S (g/L).0 h−1 i Ks = 0.01-0,05 g/l. W trybie podawania partii, szybkość podawania podłoża F ((t) jest kontrolowana tak, aby utrzymać S na niskim poziomie (0,01-0,1 g/l), który ogranicza μ do 0,1 - 0.3 h−1 ∆ zapobieganie efektowi Crabtree (przepływ do etanolu w drożdżach) lub tworzeniu się octanu w E. coli. *Wykładniczy profil karmienia* F(t) = (μset·V0·X0)/(Sf·Yx/s) * e^(μset·t) dostarcza podłoża odpowiadającego wykładnio rosnącemu zapotrzebowaniu na biomasę,utrzymanie S w docelowym stężeniu bez pomiaru onlineKontrola zwrotnej (on-line analizator glukozy lub statystyka DO) koryguje odchylenia.

P: Kiedy zamiast STR ze stali nierdzewnej należy stosować jednorazowy (jednorazowy) reaktor fermentacyjny?

A: Reaktory jednorazowego użytku są preferowane, gdy: (1) wielkość partii jest niewielka (50-2000 l) ◄ typowa dla produkcji materiału badawczego i leków sierot;(2) urządzenia wieloproduktowe wymagają szybkiej przejścia ̇ jednorazowe eliminuje walidację CIP/SIP między kampaniiami (1-2 godziny w porównaniu z. 4-8 godzin), zwiększając wykorzystanie urządzenia o 20-40%; (3) proces jest wrażliwy na cięcie, łączenie wywołane falą lub oscylacją generuje mniejsze cięcie niż obroty,korzystne dla komórek ssaków i kultur komórek roślinnych4) inwestycje kapitałowe muszą być zminimalizowane ̇ jednoczesne wykorzystanie eliminuje urządzenia SIP/CIP ze stali nierdzewnej i ich walidację, zmniejszając koszty instalacji o 50-70%.dolne kLaW przypadku produkcji na dużą skalę (> 2000 l) ustalonych produktów, STR ze stali nierdzewnej pozostają bardziej ekonomiczne.