เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกำหนดเองคืออะไร? ตัวเลือกการออกแบบ วัสดุ และการควบคุม

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกำหนดเองคืออะไร และการปรับแต่งแตกต่างกันอย่างไรสำหรับวัฒนธรรมเซลล์เทียบกับการใช้งานจุลินทรีย์?เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกำหนดเองสำหรับวัฒนธรรมเซลล์ได้รับการออกแบบตามข้อจำกัดสี่ประการที่แทบไม่มีความสำคัญในการหมักจุลินทรีย์: ความไวต่อแรงเฉือนสูง ความต้องการออกซิเจนต่ำต่อหน่วยปริมาตร การควบคุมทางสรีรวิทยาที่เข้มงวด และความสมบูรณ์ของข้อมูลที่สมบูรณ์ เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะเสียหายที่ความเร็วปลายใบพัดสูงกว่าประมาณ 1.5 เมตร/วินาที ดังนั้นภาชนะจึงใช้ใบพัดแบบแกนหมุนขนาดใหญ่ที่มีความเร็วปลายใบพัดที่ 0.01-0.10 กิโลวัตต์/ลูกบาศก์เมตร แทนที่จะเป็น 0.5-5 กิโลวัตต์/ลูกบาศก์เมตร ซึ่งเป็นปกติของการใช้งานจุลินทรีย์ ออกซิเจนละลายน้ำจะถูกรักษาไว้ที่ 20-50% ของการอิ่มตัวของอากาศ, pH ที่ 6.8-7.4 ภายใน ±0.05, อุณหภูมิที่ 36.5-37.0°C และคาร์บอนไดออกไซด์ละลายน้ำต่ำกว่า 100-150 mmHg.

1. ตัวเลือกการออกแบบสำหรับวัฒนธรรมที่ไวต่อแรงเฉือนและมีความหนาแน่นสูง

การปรับแต่งสำหรับวัฒนธรรมเซลล์จะเน้นที่ระบบย่อยสี่ระบบ แต่ละระบบมีเป้าหมายที่วัดผลได้และโหมดความล้มเหลวที่กำหนดไว้:

• การกวนและการถ่ายเทก๊าซแบบแรงเฉือนต่ำ: การเลือกใบพัดเป็นสิ่งสำคัญ ใบพัดแบบแกนหมุนขนาดใหญ่หรือใบพัดเรือที่ D/T 0.40-0.50 ให้การผสมผสานที่ปริมาณมากด้วยความเร็วปลายใบพัด 0.5-1.5 เมตร/วินาที เทียบกับ 3-7 เมตร/วินาที ที่ทนต่อแบคทีเรียและยีสต์ เนื่องจากความต้องการออกซิเจนต่ำกว่า โดยทั่วไป 0.5-2 mmol O2/L·h แทนที่จะเป็น 50-150 หัวกระจายแบบวงแหวนที่ 0.01-0.10 vvm ก็เพียงพอแล้ว และความเสียหายของเซลล์ที่เกิดจากฟองอากาศที่ส่วนต่อประสานระหว่างก๊าซและของเหลวจะกลายเป็นกลไกที่จำกัดแทนที่จะเป็นแรงเฉือนโดยรวม การเติม Pluronic F-68 0.5-2.0 กรัม/ลิตร ช่วยปกป้องเซลล์จากการแตกของฟองอากาศ และการใช้หัวกระจายแบบมีรูแทนแบบเผาผนึกจะทำให้ขนาดฟองอากาศใหญ่พอที่จะลดแรงเฉือนที่ส่วนต่อประสานได้
• พื้นผิวและการเคลือบผิว: ภาชนะเพาะเลี้ยงเซลล์สร้างจาก 316L ที่มีคาร์บอนต่ำและซัลเฟอร์ที่ควบคุมได้ ขัดเงาด้วยเครื่องจักรและขัดด้วยไฟฟ้าจนถึง Ra 0.4 ไมโครเมตร หรือต่ำกว่าตาม ASME-BPE SF4 หรือดีกว่า การขัดด้วยไฟฟ้ามีความสำคัญที่นี่ด้วยเหตุผลสองประการนอกเหนือจากการทำความสะอาด: มันจะกำจัดรอยแยกขนาดเล็กที่ไมโคพลาสมาและแบคเทริโอฟาจสามารถอยู่รอดได้ระหว่างการผลิต และมันจะสร้างชั้นพาสซีฟที่อุดมด้วยโครเมียมซึ่งทนทานต่อวงจรด่างและกรดซ้ำๆ ของโรงงานผลิตหลายผลิตภัณฑ์ ในกรณีที่ใช้สารป้อนที่มีคลอไรด์หรืออาหารที่มีความเค็มสูง จะใช้วัสดุ duplex 2205 หรือ 904L แทน และอีลาสโตเมอร์ทั้งหมดต้องเป็น USP Class VI และปราศจากส่วนประกอบที่ได้จากสัตว์
• การให้สารอาหารและการกักเก็บเซลล์: กระบวนการที่มีความหนาแน่นสูงจะก้าวข้าม fed-batch ด้วยการเก็บเกี่ยวอย่างต่อเนื่องในขณะที่ยังคงรักษาสภาพเซลล์ไว้ เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบให้สารอาหารแบบกำหนดเองจะรวมวงจรการไหลแบบสลับสัมผัสหรือการกรองแบบสัมผัสเข้ากับอุปกรณ์กักเก็บที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับอัตราการเก็บเกี่ยวเต็ม อัตราการให้สารอาหารเฉพาะโดยทั่วไปคือ 0.02-0.10 nL/เซลล์/วัน ซึ่งเทียบเท่ากับปริมาตรภาชนะ 1-3 เท่าต่อวัน รักษาความหนาแน่นของเซลล์ที่มีชีวิต 20-80 x 10^6 เซลล์/มล. ที่ความมีชีวิตสูงกว่า 90% ภาชนะต้องการหัวฉีดเพิ่มเติมสำหรับวงจรกักเก็บ ปั๊มเก็บเกี่ยวที่มีหัวปั๊มแรงเฉือนต่ำ และตรรกะการควบคุมที่รักษาความสม่ำเสมอของน้ำหนักภาชนะขณะที่ผลิตภัณฑ์ถูกถอนออก
• การจัดการคาร์บอนไดออกไซด์ละลายน้ำ: ที่ความหนาแน่นของเซลล์สูง คาร์บอนไดออกไซด์ละลายน้ำจะสะสมและยับยั้งการเจริญเติบโตและการสร้างไกลโคซิเลชันสูงกว่าประมาณ 100-150 mmHg การปรับแต่งจะแก้ไขปัญหานี้ด้วยอัตราการพ่นก๊าซอากาศหรือออกซิเจนที่สูงขึ้นที่ฐานของภาชนะเพื่อกำจัด CO2 การเพิ่มระยะห่างด้านล่างเพื่อเพิ่มเวลาการกักเก็บก๊าซ หรือวงจรภายนอกที่มีตัวแลกเปลี่ยนเมมเบรน เนื่องจากเพียงแค่เพิ่มการกวนจะเพิ่มแรงเฉือน การตอบสนองที่ถูกต้องมักจะเป็นการเพิ่มก๊าซที่การกวนต่ำ ซึ่งเป็นการตัดสินใจออกแบบที่ต้องทำเมื่อรูปทรงของภาชนะคงที่แล้ว แทนที่จะเป็นช่วงการว่าจ้าง

2. สถาปัตยกรรมการควบคุมและการปฏิบัติตามข้อกำหนด

สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีการควบคุม ระบบควบคุมถือเป็นผลลัพธ์ของการปฏิบัติตามข้อกำหนดเช่นเดียวกับภาชนะ สามชั้นกำหนดไว้:

• เครื่องมือและ PAT: ลูปมาตรฐานครอบคลุมอุณหภูมิ, pH, DO, ความดัน, ระดับ, และการไหลของก๊าซ, ด้วยการควบคุม DO แบบลูกโซ่ผ่านการกวน, จากนั้นการไหลของก๊าซ, จากนั้นการเสริมออกซิเจน การติดตั้งขั้นสูงจะเพิ่มการวัดความจุสำหรับปริมาตรเซลล์ที่มีชีวิตแบบออนไลน์, สเปกโทรสโกปีแบบรามานสำหรับกลูโคส, แลคเตต, กลูตาเมต, และปริมาณผลผลิต, และการวิเคราะห์ก๊าซไอเสียสำหรับ OUR และ CTR เครื่องมือเทคโนโลยีการวิเคราะห์กระบวนการเหล่านี้สนับสนุนการทดสอบการปล่อยผลิตภัณฑ์แบบเรียลไทม์ภายใต้กรอบการทำงาน QbD ที่กำหนดใน ICH Q8 ถึง Q11 และเปลี่ยนการควบคุมจากจุดตั้งค่าคงที่ไปสู่การป้อนอาหารตามแบบจำลองที่ปรับให้เข้ากับสภาวะเมแทบอลิซึมจริงของวัฒนธรรม
• โครงสร้างสูตรและข้อมูลที่สมบูรณ์: ซอฟต์แวร์ควบคุมควรเป็นไปตาม ISA-88 โดยแยกสูตรทั่วไป, สูตรไซต์, สูตรหลัก, และสูตรควบคุม เพื่อให้กระบวนการที่กำหนดในระดับห้องปฏิบัติการสามารถถ่ายโอนไปยังการผลิตได้โดยไม่ต้องเขียนตรรกะใหม่ สำหรับการผลิต GMP ในสหรัฐอเมริกา 21 CFR Part 11 กำหนดให้ซอฟต์แวร์ได้รับการตรวจสอบพร้อมเส้นทางการตรวจสอบที่ปลอดภัย สร้างโดยคอมพิวเตอร์ และมีประทับเวลา, การตรวจสอบสิทธิ์ผ่านการเข้าถึงตามบทบาท, และลายเซ็นอิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมโยงกับบันทึก ในสหภาพยุโรป ภาคผนวก 11 กำหนดข้อกำหนดที่เทียบเท่ากัน และทั้งสองฝ่ายต้องการให้ระบบได้รับการตรวจสอบอย่างเป็นทางการพร้อมการทดสอบที่จัดทำเอกสารเทียบกับข้อกำหนดที่เป็นลายลักษณ์อักษร
• แบบใช้ครั้งเดียวเทียบกับสแตนเลสไฮบริด: การปรับแต่งหมายถึงการเลือกว่าจะวางขอบเขตระหว่างอุปกรณ์ที่ใช้ซ้ำได้และอุปกรณ์ที่ใช้แล้วทิ้งที่ใด โรงงานไฮบริดจะเก็บภาชนะสแตนเลสไว้สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพการผลิต ในขณะที่ใช้ถุงแบบใช้ครั้งเดียวสำหรับการเตรียมอาหาร, การเก็บบัฟเฟอร์, และการเก็บเกี่ยว ซึ่งจะช่วยลดภาระการตรวจสอบการทำความสะอาดที่ใหญ่ที่สุด ในขณะที่ยังคงความสามารถในการรับแรงดันและการถ่ายเทความร้อนของเหล็ก ระบบแบบใช้ครั้งเดียวทั้งหมดเหมาะสำหรับการผลิตทางคลินิกหลายผลิตภัณฑ์ที่มีปริมาตรต่ำกว่า 2,000 ลิตร การเลือกควรพิจารณาจากจำนวนรอบการผลิตและความถี่ในการเปลี่ยนถ่าย: หากมีการเปลี่ยนผลิตภัณฑ์มากกว่าประมาณแปดถึงสิบครั้งต่อปี โดยทั่วไปแล้วแบบใช้ครั้งเดียวจะให้ผลตอบแทนที่ดีกว่าในต้นทุนรวมของสินค้า

ลำดับความสำคัญของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกำหนดเองตามประเภทเซลล์

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ถาม: ความแตกต่างระหว่างเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกำหนดเองและเครื่องหมักแบบกำหนดเองคืออะไร?

ตอบ: ในทางปฏิบัติ ความแตกต่างคือช่วงความคลาดเคลื่อนและภาระเอกสาร เครื่องหมักแบบกำหนดเองสำหรับการผลิตเบียร์ เอทานอล หรือเอนไซม์จะได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับปริมาณงาน, ความสามารถในการทำความสะอาด, และต้นทุนเงินลงทุน, ด้วยพื้นผิวประมาณ Ra 0.8 ไมโครเมตร, ซีลเชิงกล, และเครื่องมืออุตสาหกรรม เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกำหนดเองสำหรับวัฒนธรรมเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหรือเซลล์ต้นกำเนิดจะได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการควบคุมทางสรีรวิทยาและความสมบูรณ์ของข้อมูล, ด้วยพื้นผิวขัดเงาด้วยไฟฟ้าที่ Ra 0.4 ไมโครเมตร หรือต่ำกว่า, ใบพัดแบบแกนหมุนแรงเฉือนต่ำ, ความสามารถในการให้สารอาหาร, การจัดการคาร์บอนไดออกไซด์ละลายน้ำ, และระบบควบคุมที่ได้รับการตรวจสอบตาม 21 CFR Part 11 พร้อมเส้นทางการตรวจสอบเต็มรูปแบบและลายเซ็นอิเล็กทรอนิกส์ เปลือกภาชนะจะคล้ายกัน; ความพยายามทางวิศวกรรมแตกต่างกันสองถึงสามเท่า

ถาม: ทำไมกำลังต่อปริมาตรจึงต่ำกว่ามากสำหรับวัฒนธรรมเซลล์เมื่อเทียบกับการหมักจุลินทรีย์?

ตอบ: เนื่องจากเซลล์สัตว์ไม่มีผนังเซลล์และมีขนาดใหญ่กว่าแบคทีเรียประมาณ 10-50 เท่า ทำให้มีความอ่อนไหวต่อแรงเฉือนจากอุทกพลศาสตร์และฟองอากาศมากกว่า ความเสียหายของเซลล์สัมพันธ์กับอัตราการกระจายพลังงานปั่นป่วนในท้องถิ่นใกล้กับใบพัดและกับการแตกของฟองอากาศที่ส่วนต่อประสานระหว่างก๊าซและของเหลว ไม่ใช่กับกำลังอินพุตเฉลี่ยของภาชนะ ผลลัพธ์ที่ใช้งานได้จริง: ภาชนะจุลินทรีย์ทำงานที่ 0.5-5 กิโลวัตต์/ลูกบาศก์เมตร ในขณะที่ภาชนะสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทำงานที่ 0.01-0.10 กิโลวัตต์/ลูกบาศก์เมตร ลดลง 50 เท่า ความต้องการออกซิเจนก็ต่ำลงตามไปด้วย ดังนั้นความเข้มข้นของการผสมที่ลดลงจึงยังคงตอบสนองความต้องการในการถ่ายเทมวล การเพิ่มการกวนให้สูงขึ้นเพื่อแก้ไขปัญหาการผสมในวัฒนธรรมเซลล์เกือบจะก่อให้เกิดอันตรายจากการแตกของเซลล์มากกว่าการแก้ไข

ถาม: เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบให้สารอาหารได้รับการปรับแต่งแตกต่างจากภาชนะแบบ fed-batch อย่างไร?

ตอบ: ภาชนะให้สารอาหารต้องการการเพิ่มเติมสามอย่าง ประการแรก วงจรกักเก็บเซลล์: หัวฉีดเพิ่มเติมสำหรับวงจรการกรองแบบสลับสัมผัสหรือการกรองแบบสัมผัส, ปั๊มเก็บเกี่ยวแรงเฉือนต่ำ, และสายกรองไปยังส่วนจับผลิตภัณฑ์ปลายน้ำ ประการที่สอง การควบคุมระดับตามน้ำหนักที่รักษาความสม่ำเสมอของมวลภาชนะขณะที่เก็บเกี่ยวอย่างต่อเนื่องและเติมอาหารสด โดยทั่วไปจะรักษาระดับภายใน ±2% ประการที่สาม ระยะเวลาการเพาะเลี้ยงที่ยาวนานขึ้นหมายความว่าความสมบูรณ์ของสภาวะปลอดเชื้อต้องคงอยู่เป็นเวลา 30-60 วัน แทนที่จะเป็น 10-20 วัน ซึ่งเพิ่มข้อกำหนดสำหรับซีล, ตัวเชื่อมต่อปลอดเชื้อ, และการทดสอบความสมบูรณ์ของตัวกรอง และต้องการระบบการสุ่มตัวอย่างและการแลกเปลี่ยนอาหารที่ออกแบบมาสำหรับรอบการผลิตที่ยาวนานโดยไม่มีการรั่วไหล

ถาม: เอกสารการตรวจสอบใดบ้างที่ควรมาพร้อมกับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ GMP แบบกำหนดเอง?

ตอบ: ขอชุดเอกสารที่สมบูรณ์: หลักฐานการตรวจสอบการออกแบบรวมถึงแบบ, P&ID, ใบรับรองวัสดุตาม EN 10204 3.1, รายงานพื้นผิว, และเอกสารการเชื่อมพร้อมขั้นตอน, คุณสมบัติของช่างเชื่อม, แผนที่การเชื่อม, และบันทึกการตรวจสอบด้วยกล้องส่องทางไกล การสนับสนุนการตรวจสอบการติดตั้งครอบคลุมแบบจำลองที่สร้างขึ้นจริง, ใบรับรองการสอบเทียบเครื่องมือที่สามารถตรวจสอบย้อนกลับไปยังมาตรฐานระดับชาติได้, การตรวจสอบสาธารณูปโภค, และบันทึกการหล่อลื่น การสนับสนุนการตรวจสอบการปฏิบัติงานครอบคลุมโปรโตคอลและผลการทดสอบการยอมรับจากโรงงาน, การตรวจสอบลูปควบคุม, การทดสอบสัญญาณเตือนและระบบล็อค, การทดสอบการครอบคลุม CIP, และข้อมูลการเก็บรักษาแบบปลอดเชื้อ เพิ่มเอกสารซอฟต์แวร์รวมถึงข้อกำหนดการทำงาน, ข้อกำหนดการออกแบบ, และโปรโตคอลการทดสอบที่ผู้จำหน่ายจัดหาระบบควบคุม, รวมถึงอะไหล่และคำแนะนำการบำรุงรักษา