Biyosözlem Reaktörü Nedir? İlkeleri, Türleri ve Endüstriyel Uygulamalar

Temel soruya cevap vermek için:Bir biyolojik işlem reaktörü nedir ve standart bir kimyasal reaktörden hangi tasarım özellikleriyle farklıdır?Bir biyolojik işlem reaktörü (biyoaktör), canlı hücreleri yetiştirmek için tasarlanmış bir kabardır.Ya da bitki ̇tam kontrol edilen sıcaklık koşullarında (genellikle 30-37 derece C), pH (6.5-7.5), çözünmüş oksijen (DO 20-30%'dan fazla doymak) ve besin kaynağı, rekombinant proteinler, monoklonal antikorlar, aşılar, organik asitler,ve biyoyakıtlarKimyasal reaktörlerden kritik ayrım, aseptik (steril) çalışma gereksinimidir:Reaktör aşılanmadan önce 15-30 dakika boyunca 121-134 derece C'de temiz buharla sterilize edilmelidir.Önemli tasarım parametreleri arasında hacmi oksijen transfer katsayısı (kLa, tipik olarak 0.01-0) vardır.Aerobik fermantasyon için 3 s^-1), oksijen dağılımı için karıştırma sistemi ve partiler arasında güvenilir bir dekontaminasyon için steril-in-place (SIP) altyapısı.

1Temel Biyosürüm Mühendisliği İlkeleri

·** Oksijen transferi ve kLa:**Aerobik fermantasyon, hücre yaşamını ve ürün oluşumunu sürdürmek için sürekli oksijen kaynağı gerektirir.hacimsel oksijen transfer katsayısı kLa (s ^ -1) gaz kabarcıklarından sıvı ortamlara oksijen transfer oranını ölçer, döngücünün giriş gücü (P/V = 0,5-5 kW/m^3) ve gaz akış hızı (0,5-2,0 vvm) ile yönetilir; Monod denklemi mu = mu_max * C_O2 / (K_O2 + C_O2) çözünmüş oksijene spesifik büyüme hızı ilişkilendirir.Kritik DO seviyeleri 0 ile.1-0.5 mg/L, bu değerin altında büyüme oksijenle sınırlıdır.

·** Steril tasarım ve SIP:**Tüm ıslatılmış yüzeyler sterilize edilebilir olmalı ve kirletici maddeleri yakalayan ölü bacaklardan (L / D < 3) arındırılmalıdır; reaktör 15-30 dakika boyunca 121-134 derece C'de temiz buharla sterilize edilir.,Sterilite Güvence Seviyesi (SAL) 10 ^ 6'ya ulaşmak; sterilizasyondan sonra, sistem girmesini önlemek için steril hava ile pozitif basınç (0.05-0.1 MPa) korur ve tüm besinler (besin maddeleri, baz,Antifoam) geçiyor 0.2 mikrometre sterilize filtreleri.

·** Süreç İzleme ve Kontrolü:**Biyosözleme reaktörleri, DO (polarografik veya optik), pH (buharla sterilize edilebilir cam elektrot), sıcaklık (RTD) ve bulanıklık (hücre yoğunluğu için) için hat içi sensörler kullanır.Gelişmiş sistemler solunum katsayısı (RQ) için dış gaz kütle spektrometri ve hayati hücre yoğunluğu (VCD) için kapasitans probları ekler.Bunlar, biyolojik reaksiyonu sürdürmek için kaskad kontrolü (DO -> karıştırma hızı -> gaz akışı -> oksijen zenginleştirme) ile ayar noktalarını koruyan bir kontrol sistemine beslenir.

2Biyosözlem Reaktörlerinin Ana Tipleri

·**Stirred-Tank Fermenter (STF):Mikrobiyal fermantasyon için standart bir biyoreaktör, 3-4 Rushton türbini, 4 baffle, spargör halkası ve ceket soğutması ile paslanmaz çelik (316L) bir kabın; 50-200 hacim,İnsülin de dahil olmak üzere ürünler için, sitrik asit, amino asitler ve rekombinant proteinler; E. coli veya maya ile 0.1-0.3 s^-1 kLa'da 50-150 g/l kuru ağırlıkta hücre yoğunluklarına ulaşır.

·** Memeli Hücre Kültürü Biyo-reaktörü:**Daha yumuşak karıştırma için tasarlanmıştır (1,5 m/s'nin altındaki uç hızları, kesme hasarını önlemek için), Rushton veya eğri bıçaklı döngülerle, mikro kabarcıklarla (100-500 mikrometre),ve CO2 yayılması yoluyla pH kontrolüCHO hücrelerini kullanan monoklonal antikorlar (mAbs) ve rekombinant proteinler için 50-25.000 litrelik hacimler, 10-30 x 10 ^ 6 hücre/ml hücre yoğunluklarına ve 2-10 g/l ürün titresine ulaşır.

·** Tek kullanımlı biyoreaktör (SUB):Entegre salınım veya karıştırma ile paslanmaz çelik bir tutucuya yerleştirilen önceden sterilize edilmiş polimer (EVA veya PE) film torbaları; SIP doğrulama ve çapraz kontaminasyon riskini ortadan kaldırır.50-2 hacimli,000 L; hızlı değişimin ve azaltılmış temizlik onayının her partiye daha yüksek tüketim maliyetini haklı çıkardığı klinik malzeme üretim ve çoklu ürün tesisleri için yaygın olarak kullanılır.

Biyosözleme Reaktör Tipleri Karşılaştırma Matrisi

Sıkça Sorulan Sorular (FAQ)

S: Bir biyolojik işlem reaktörünün temel işlevi nedir?

A: Biyo-işlem reaktörü canlı hücreleri (mikrobiyel, memeli veya bitki) kontrollü sıcaklık, pH, çözünmüş oksijen,ve rekombinant proteinler dahil olmak üzere biyolojik ürünler üretmek için besin kaynağı, antikorlar, aşılar, organik asitler ve biyoyakıtlar, tüm yetiştirme boyunca aseptik çalışmayı sağlayan steril tasarımla.

S: KLa (oksijen transferi katsayısı) biyoreaktör tasarımında neden kritiktir?

A: Aerobik biyolojik işlemler hücre solunum ve ürün oluşumu için sürekli oksijen kaynağı gerektirir; kLa, gaz kabarcıklarından sıvı ortamlara oksijen aktarım hızını ölçer.ve eğer kLa çok düşükse, kültür oksijen sınırlı hale gelir, büyüme hızını ve ürün verimini azaltır. Tipik tasarım hedefleri, mikrobiyal hücre kültürü için 0.1-0.3 s^-1 ve memeli hücre kültürü için 0.01-0.05 s^-1 kLa'dır.

S: Biyoişlem reaktörlerinde sterilite nasıl korunur?

A: Reaktör 15-30 dakika boyunca 121-134 derece C'de temiz buharla sterilize edilir (SIP, 10 ^-6 SAL elde eder), daha sonra steril filtreli (0.05-0.1 MPa) ile pozitif basınç altında tutulur.2 mikrometre) hava; tüm ilaveler sterilize filtrelerinden geçer ve tüm yüzeyler mikrobiyal kontaminasyonu önlemek için hijyenik tasarımlara sahiptir (Ra < 0.8 mikrometre, ölü bacaklar yoktur).

S: Tek kullanımlı biyoreaktörlerin (SUB) avantajı nedir?

A: Tek kullanımlı biyoreaktörler, SIP doğrulama, temizleme doğrulama ve partiler ve ürünler arasındaki çapraz kontaminasyon riskini ortadan kaldırır ve çoklu ürün tesisleri için hızlı ürün değişimini sağlar;Ancak, işletme ölçeğini 2.000 litreye sınırlıyorlar, paslanmaz çelik biyorektorlarının kLa'sına ulaşılamıyorlar ve esneklik ile haklı kılınması gereken seri başına daha yüksek tüketim maliyetlerine neden oluyorlar.