เครื่องปฏิกิริยา การ อร่อย คือ อะไร?

ตอบคําถามหลัก:เครื่องปฏิกิริยาการหมักคืออะไร และมันรักษาสภาพที่ไม่อ่อนแออย่างไร ขณะที่ให้สารชีวภาพจุลินทรีย์ด้วยออกซิเจน, สารอาหาร และการผสมให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่ดีที่สุด?เครื่องปฏิกิริยาการหมักย่อย (bioreactor) เป็นภาชนะความดันที่มีรหัส ASME-BPE ที่ออกแบบมาเพื่อการปลูกจุลินทรีย์โดยวิธีการฟองกี้) หรือเซลล์ของสัตว์เลี้ยงสัตว์เลี้ยงสัตว์เพื่อการผลิตยาชีวภาพ, เอนไซม์, ไอนามิโอแอซิด, และน้ํามันชีวภาพ ผลงานถูกกํากับโดย * คณิตการโอนมวลขนาด kLa * = 0.05-0.3 s-1 สําหรับการส่งออกซิเจน* monod kinetics * μ = μmax·S/(Ks + S) สําหรับการคาดการณ์อัตราการเติบโต, และ * sterile-in-place (SIP) * ยืนยันที่ 121 °C สําหรับ 15-30 นาที ความดันการออกแบบของ 0.1-0.6 MPa สามารถรองรับอากาศกดและการ sterilization steamความสอดคล้องกับ GMP ตาม 21 CFR ส่วน 11 และ ICH Q5A จําเป็นต้องมีวัฏจักร CIP/SIP ที่ได้รับการรับรอง, ระดับการรับประกันความไร้สมรรถนะ (SAL) < 10-6 และบันทึกชุดอิเล็กทรอนิกส์เต็ม (EBR)

1. หลักการออกแบบพื้นฐานและหลักการ Bioprocess

การออกแบบปฏิกิริยาหมักย่อยรวมความต้องการของจุลินทรีย์ (ความไม่สมบูรณ์, การถ่ายทอดออกซิเจน, การส่งสารอาหาร) กับวิศวกรรมเครื่องจักร (การปั่น, การถ่ายทอดความร้อน,ความเหมาะสมของวัสดุ) และการปฏิบัติตาม GMP (การรับรอง, ความสมบูรณ์แบบของข้อมูล, การป้องกันการปนเปื้อน) สามหลักการควบคุมการออกแบบบูรณาการ:

• **การถ่ายทอดมวลออกซิเจนและ kLa:**การหมักแบบแอโรบิกต้องการการให้ออกซิเจนอย่างต่อเนื่อง*อัตราการดูดซึมออกซิเจน (OUR) * = qO2·X (ซึ่ง qO2 คืออัตราการบริโภคออกซิเจนเฉพาะใน mmol/gDW/h และ X คือปริมาณสารประกอบอาวุธใน gDW/L) สามารถถึง 50-200 mmol/L/h สําหรับ E ความหนาแน่นสูงการปรับปรุงการปรับปรุงความสามารถในการปรับปรุงความสามารถในการปรับปรุงความสามารถในการปรับปรุงความสามารถในการปรับปรุงสําหรับเซลล์ของสัตว์นม (qO2 = 0).1-0.5, X = 1-10 * 106 เซลล์ / mL), kLa = 0.005-0.05 s−1 เพียงพอ. kLa ได้รับการเพิ่มขึ้นโดย: การเพิ่มความเร็วการปั่น (kLa N^2.3 สําหรับตั๊บเรือน Rushton), การเพิ่มการไหลของก๊าซ (vvm = 0.5-2.0),ความดันเพิ่มขึ้น (เพิ่ม C* ผ่านกฎของ Henry C* = H·P), หรือใช้อากาศที่อุดมไปด้วยออกซิเจน (> 40% O2). kLa จะถูกวัดในสถานที่โดยวิธีการ * การออกแก๊สแบบไดนามิก * หรือวิธีการ * การออกซิเดนซัลฟิต *
• ** โมโนด คินเนติกส์และการสร้างแบบการเติบโต:**การเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ตาม * monod kinetics *: μ = μmax·S/(Ks + S), โดย μ คืออัตราการเติบโตเฉพาะ (h−1), μmax คืออัตราการเติบโตเฉพาะสูงสุด (0.3-1.0 h−1 สําหรับแบคทีเรีย, 0.03-0.05 h−1 สําหรับเซลล์ของสัตว์เลี้ยงนม), S คือปริมาณความเข้มข้นของสารสับสราท และ Ks คือปริมาณความชุ่มครึ่ง. ใน S >> Ks, μ → μmax (การเติบโตแบบอัตราต่อเนื่อง) ใน S ≈ Ks, การเติบโตจํากัดสารสับสราทคออฟเฟกชั่น *ของผลผลิต* Yx/s = ΔX/ΔS (โดยทั่วไป 0.4-0.6 gDW/g สําหรับกลูโคซ) เชื่อมโยงการผลิตชีวพืชกับการบริโภคสับสราทโปรไฟล์การให้อาหารแบบอัตราต่อเนื่อง* F(t) = (μset·V0·X0·Yx/s·e^(μset·t))/(Sf·Yx/s) รักษา S ในระดับที่ดีที่สุด, ป้องกันอิทธิพลของ Crabtree (การเผาผลาญของยาในยีสต์) หรือการสะสมอะเซทาตใน E. coli
• **การออกแบบแบบไม่เชื้อและการรับรอง SIP/CIP:**ความไร้สมรรถนะเป็นความจําเป็นที่สําคัญ: สัตว์ปนเปื้อนเพียงตัวเดียวในชุด 10,000 ลิตร ส่งผลให้เกิดการสูญเสียผลิตภัณฑ์ในมูลค่า 100,000-$10,000,000ภาชนะต้องเป็น * sterilizable-in-place (SIP) *: ด้านผิวทั้งหมดที่ติดต่อกับผลิตภัณฑ์ต้องสูงถึง 121 °C เป็นเวลา 15-30 นาที (สภาพปกติในออโตคลาฟ SAL < 10−6)ควันถูกนําเข้าผ่าน sparger*จุดเย็น* (สถานที่ของเทอร์โมคอลที่แสดงอุณหภูมิขั้นต่ํา) ถ่ายทอดและตรวจสอบระหว่างการยืนยันขาตายศูนย์ (ความยาวของท่อ < 3* กว้างสําหรับสาขาทั้งหมด), สามารถระบายน้ําได้อย่างเต็มที่ (ด้านล่างของภาชนะมีแนวโน้มไปยังวาล์วระบายน้ํา), พื้นผิวที่เคลือบไฟฟ้า (Ra ≤ 0.4 μm, ปลาย SF1) และอุปกรณ์กั้นอนามัย ( ASME-BPE JT ซีรีส์)* CIP (ทําความสะอาดในที่) * ใช้ลูกสเปรย์หมุนที่ส่ง NaOH (1-2%), 70-80 °C), ไส้ (1% HNO3) และล้าง WFI ที่ผ่านการตรวจสอบการครอบคลุมของริโบฟลาวินและ TOC < 10 ppm

2ประเภทหลักของปฏิกิริยาหมัก

เครื่องปฏิกิริยาหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมักหมัก

• ** ระบบปฏิกิริยาหมักถังกระตุ้น (STR):**ถัง ASME-BPE เหล่านี้ (10-200,000 L, 0.1-0.6 MPa, 20-40 ° C) เป็นมาตรฐานของอุตสาหกรรมสําหรับการหมักย่อยไมโครบิโอ.5) บน shaft ทางเข้าด้านล่างที่มี API 682 แผน 53 ปิดกลไกคู่, 4 แบฟเฟล (ความกว้าง T/12) และแหวนสปาร์เกอร์ (แหวน perforated ในด้านล่าง)การถ่ายทอดความร้อนผ่านครึ่งท่อหรือถุงก้อน (U = 300-500 W/m2K) ถอนความร้อนทางอุณหภูมิ (5-15 kW/m3 สําหรับพืชที่มีความหนาแน่นสูง) และรักษา ±0การควบคุมอุณหภูมิ 0.5 องศาเซลเซียส คุณสมบัติที่ทันสมัย: โซนด์ออกซิเจนละลาย (โพลารอฟริก, 0-150% sat.), โซนด์ pH (± 0.02 pH), และการควบคุม antifoam (เครื่องตรวจจับฟองจุลภาพที่กระตุ้นการปรับปริมาณ antifoam)รูปแบบอาหารชุดกับการให้อาหารสับสราตแบบอัตราต่อเนื่อง ทําให้ความหนาแน่นของเซลล์ 50-100 gDW / L สําหรับ E. coli และ 30-50 gDW/L สําหรับยีสต์
• ** ระบบปฏิกิริยาการหมักในอากาศ:**เรือประเภทหอคอยเหล่านี้ (ความสูง 5-50 เมตร, กว้าง 0.5-5 เมตร, 0.1-0.3 MPa) ยกเลิกการกวนกลไก, โดยใช้อากาศกดสําหรับทั้งการส่งออกซิเจนและการผสม.การออกแบบวงกลมภายใน (ท่อการสูบในภาชนะ) สร้างความละเอียดความแตกต่าง: น้ํายาที่มีน้ํามันในระดับสูงมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลวที่ไม่มีน้ํามันในระดับล่าง ทําให้กระจายน้ําในความเร็วพื้นผิว 0.5-1.5 m/s ข้อดี:ความเครียดการตัดลดลง (สําคัญสําหรับเห็ดผึ้ง mycelial ที่มีความรู้สึกต่อการตัดลด และปลูกเซลล์พืช), การบริโภคพลังงานที่ต่ํากว่า (0.5-2 kW/m3 เมื่อเทียบกับ 2-10 สําหรับ STR) และไม่มีการปิดเครื่องจักรกล (ลดความเสี่ยงของการติดเชื้อ) kLa = 0.03-0.15 s−1 (ต่ํากว่า STR) จํากัดการใช้กับกระบวนการ OUR ต่ํา (ยาปฏิชีวนะ, เอนไซม์, โปรตีนเซลล์เดียว) การปรับขนาดตามความคล้ายคลึงทางกณิตศาสตร์และไดนามิก (คงที่ kLa หรือคงที่ P / V)
• ** ระบบปฏิกิริยาการหมัก (ใช้ได้เพียงครั้งเดียว)ถังเหล่านี้ใช้ถุงพลาสติกยืดหยุ่นที่ถูกฆ่าเชื้อก่อน และถูกกามาม่าฉาย (25-40 kGy) (EVA หรือ PE หนังหลายชั้น 50-2,000 ลิตร)การเปลี่ยนภาชนะเหล็กไร้ขัดข้อดี: ไม่มีการรับรอง SIP / CIP (ถุงมีลักษณะที่เป็นเชื้อรังก่อน), ความเสี่ยงในการติดเชื้อข้าม (การกําจัดหลังจากแต่ละชุด), การเปลี่ยนผลิตภัณฑ์อย่างรวดเร็ว (1-2 ชั่วโมงเมื่อเทียบกับ 4-8 ชั่วโมงสําหรับ CIP / SIP สแตนเลส),และการลงทุนทุนที่ลดลง (50-70% ลดลงสําหรับความสามารถเทียบเท่า)ข้อจํากัด: ความดันการทํางานต่ํากว่า (< 0.05 MPa), kLaต่ํากว่า (0.01-0.08 s−1 โดยใช้การผสมผสานแบบหมุนหรือผลักดันคลื่นแทนเครื่องหมุน), ระยะอุณหภูมิจํากัด (20-40 °C),และ *สารสกัดและสารสกัดจากพลาสติกที่ต้องมีลักษณะตาม USP <665> และ <1665>สนใจสําหรับ: วัสดุการทดลองทางคลินิก, การรักษาด้วยเซลล์ และสถานที่หลายผลิตภัณฑ์

ประเภทของปฏิกิริยาหมัก

คําถามที่พบบ่อย (FAQ)

คําถาม: kLa คืออะไร และทําไมมันถึงเป็นปริมาตรสําคัญสําหรับการออกแบบปฏิกิริยาการหมักแบบแอโรบิก?

A: kLa (ปริมาตรการโอนมวลของก๊าซ-ของเหลวในขนาด, ใน s−1) ระบุอัตราที่ออกซิเจนโอนจากฟองก๊าซไปยังสื่อของเหลวมันกําหนดอัตราการส่งออกซิเจนสูงสุด OTR = kLa·(C* - C_L, โดยที่ C* คือความละลายของออกซิเจนที่บริเวณสัมผัสก๊าซ-ของเหลว (ประมาณ 7-8 mg/L สําหรับอากาศที่ 1 atm, 30 °C) และ C_L คือปริมาณออกซิเจนละลายไอน้ําออกซิเจน กลายเป็นสับสราทที่จํากัดการเติบโต, และวัฒนธรรมเปลี่ยนไปสู่การเผาผลาญแบบไม่แอโรบิก (ผลิตผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่ไม่ต้องการเช่นเอธานอลหรือลาคเตต) เป้าหมายการออกแบบ: kLa ต้องตอบสนอง OUR = qO2 · X ด้วยขอบเขตความปลอดภัย 20-50%.สําหรับความหนาแน่นสูง E. coli (X = 50 gDW/L, qO2 = 15 mmol/gDW/h), OUR = 750 mmol/L/h ≈ 5.6 gO2/L/h, ต้องการ kLa > 0.15 s−1 ที่ C* = 8 mg/L

คําถาม: การตรวจสอบ SIP ( sterile-in-place) จะดําเนินการอย่างไรสําหรับเตาปฏิกรณ์การหมัก?

A: การยืนยัน SIP ตาม ICH Q5A และ ASME-BPE จําเป็นต้อง: (1) คุณสมบัติอุปกรณ์ (IQ) ยืนยันความสามารถในการจําหน่ายควาย (ควายอิ่มที่ 121 °C, 1.05 บาร์ก, กระแสที่เพียงพอสําหรับท่าเรือทั้งหมด)จําหน่ายควายกระจกและซีล, และความสมบูรณ์แบบของกรองที่ไร้เชื้อ; (2) การดําเนินงานคุณสมบัติ (OQ) การแผนที่จุดเย็นโดยใช้ 12-20 เทอร์โมคอปเปอร์วางที่: ด้านล่างของภาชนะ, sparger, พื้นที่ปุ่ม, วาล์วตัวอย่าง, วาล์วเก็บเกี่ยวและช่องอาหาร ณ ทุกจุดต้องมีอุณหภูมิ 121°C เป็นเวลา 15 นาที (มาตรฐาน) หรือ 30 นาที (ไพรอน/ภาระชีวภาพสูง); (3) คุณสมบัติการทํางาน (PQ) ด้วยตัวชี้วัดทางชีววิทยา (Geobacillus stearothermophilus spores, 106 CFU, D121 = 1.5-2.0 นาที) ทําให้ SAL < 10−6 (ไม่มีการเติบโตหลังจากการฝัง 7 วัน)วงจร SIP ถูกรับรองใหม่ทุกปีหรือหลังจากมีการปรับปรุงท่อ.

คําถาม: สมการ Monod คืออะไร และมันใช้อย่างไรในการควบคุมการหมักในชุดอาหาร?

ตอบ: สมการมอนอด μ = μmax·S/(Ks + S) พยากรณ์อัตราการเติบโตเฉพาะ μ (h−1) เป็นฟังก์ชันของปริมาณการจํากัดของสารสับสราท S (g/L) สําหรับ E. coli บนกลูโคซ, μmax = 0.4-10 h−1 และ Ks = 0.01-0.05 g/L ในโหมดการให้อาหารแบบชุด การควบคุมอัตราการให้อาหารสับสราท F ((t) เพื่อรักษา S ในระดับต่ํา (0.01-0.1 g/L) ที่จํากัด μ เป็น 0.1-03 h-1 ป้องกันอาการ Crabtree (การไหลไปยังเอธานอลในยีสต์) หรือการสร้างอะเซทาตใน Eโคลี โปรไฟล์การให้อาหารแบบอัตราต่อเนื่อง* F ((t) = (μset·V0·X0) / ((Sf·Yx/s) * e ^ ((μset·t) ส่งสารย่อยที่ตรงกับความต้องการของชีวพืชที่เพิ่มขึ้นอย่างอัตราต่อเนื่องการรักษา S อยู่ที่ปริมาณปริมาณเป้าหมาย โดยไม่ต้องวัดออนไลน์การควบคุมการตอบสนอง (เครื่องวิเคราะห์กลูโคซออนไลน์หรือ DO-stat) แก้ไขความเบี่ยงเบน

Q: เมื่อใดควรใช้ปฏิกิริยาหมักครั้งเดียว (ใช้ครั้งเดียว) แทน STR เหล็กไร้ขัด?

A: เครื่องปฏิกิริยาที่ใช้ครั้งเดียวเป็นที่ชอบเมื่อ: (1) ขนาดชุดเล็ก (50-2,000 ลิตร) ธรรมดาสําหรับการผลิตวัสดุการทดลองทางคลินิกและยากําพร้า(2) สิ่งอํานวยความสะดวกหลายผลิตภัณฑ์ต้องการการเปลี่ยนอย่างรวดเร็ว. 4-8 ชั่วโมง) เพิ่มการใช้งานของอุปกรณ์โดย 20-40%มีประโยชน์ต่อเซลล์ของสัตว์นมและปลูกเซลล์พืช(4) การลงทุนทุนต้องถูกลดให้น้อยที่สุด หมดการใช้งานครั้งเดียว SIP / CIP ของสแตนเลสและการรับรองของพวกเขา, ลดต้นทุนติดตั้ง 50-70%.ล่าง kLaสําหรับการผลิตผลิตขนาดใหญ่ (> 2,000 ลิตร) ของผลิตภัณฑ์ที่กําหนดไว้ STR สแตนเลสยังคงมีประหยัดกว่า