Một lò phản ứng chế biến sinh học là gì?

Trả lời câu hỏi chính:Một lò phản ứng sinh học là gì, và những đặc điểm thiết kế nào khác biệt nó với lò phản ứng hóa học thông thường?Một lò phản ứng quá trình sinh học (bioreactor) là một bình được thiết kế để nuôi dưỡng các tế bào sống  vi khuẩn (vi khuẩn, nấm men), động vật có vú (CHO, hybridoma),hoặc cây trồng trong điều kiện nhiệt độ được kiểm soát chính xác (thường là 30-37 độ C), pH (6,5-7,5), oxy hòa tan (DO trên 20-30% bão hòa) và cung cấp chất dinh dưỡng, để sản xuất các sản phẩm sinh học bao gồm protein tái kết hợp, kháng thể đơn clonal, vắc-xin, axit hữu cơ,và nhiên liệu sinh họcSự khác biệt quan trọng so với lò phản ứng hóa học là yêu cầu hoạt động vô trùng (khô liễu):lò phản ứng phải được khử trùng bằng hơi nước sạch ở nhiệt độ 121-134 độ C trong 15-30 phút trước khi tiêmCác thông số thiết kế quan trọng bao gồm hệ số chuyển oxy khối lượng (kLa, thường là 0,01-0).3 s^-1 cho quá trình lên men khí), hệ thống khuấy để phân tán oxy và cơ sở hạ tầng vô trùng tại chỗ (SIP) để khử nhiễm trùng đáng tin cậy giữa các lô.

1Các nguyên tắc cơ bản về kỹ thuật sinh học

·** Chuyển oxy và kLa:**Hóa thô khí quyển đòi hỏi phải cung cấp oxy liên tục để duy trì khả năng sống của tế bào và hình thành sản phẩm;hệ số chuyển oxy khối lượng kLa (s ^ -1) định lượng tốc độ chuyển oxy từ bong bóng khí sang môi trường lỏng, được điều chỉnh bởi sức mạnh đầu vào động cơ (P / V = 0,5-5 kW / m ^ 3) và tốc độ lưu lượng khí (0,5-2,0 vvm); phương trình Monod mu = mu_max * C_O2 / (K_O2 + C_O2) liên quan đến tốc độ tăng trưởng cụ thể với oxy hòa tan,với nồng độ DO quan trọng là 0.1-0.5 mg/L dưới đó tăng trưởng bị hạn chế oxy.

·** Thiết kế vô trùng và SIP:**Tất cả các bề mặt ẩm ướt phải được khử trùng và không có chân chết (L / D < 3) giữ các chất gây ô nhiễm; lò phản ứng phải được khử trùng tại chỗ (SIP) với hơi nước sạch ở nhiệt độ 121-134 độ C trong 15-30 phút,đạt được Sterility Assurance Level (SAL) của 10 ^ 6; sau khi khử trùng, hệ thống duy trì áp suất dương (0,05-0,1 MPa) với không khí khử trùng để ngăn chặn sự xâm nhập, và tất cả các thức ăn (chất dinh dưỡng, cơ sở,chống bọt) đi qua 0Các bộ lọc khử trùng 0,2 micrometer.

·** Giám sát và kiểm soát quy trình:**Các lò phản ứng chế biến sinh học triển khai các cảm biến trực tuyến cho DO (polarographic hoặc quang học), pH (đường điện cực thủy tinh có thể khử trùng bằng hơi nước), nhiệt độ (RTD) và độ mờ (đối với mật độ tế bào);Các hệ thống tiên tiến thêm quang phổ khối lượng khí thải cho tỷ lệ hô hấp (RQ) và các đầu dò dung lượng cho mật độ tế bào khả thi (VCD); chúng cung cấp vào một hệ thống điều khiển duy trì các điểm thiết lập thông qua điều khiển cascade (DO -> tốc độ khuấy động -> lưu lượng khí -> làm giàu oxy) để duy trì phản ứng sinh học.

2. Các loại lò phản ứng chế biến sinh học

·** Máy lên men thùng xoay (STF):Các lò phản ứng sinh học tiêu chuẩn cho sự lên men vi khuẩn, có một thùng thép không gỉ (316L) với 3-4 tuabin Rushton, 4 buffle, vòng sparger và làm mát áo khoác; khối lượng 50-200,000 l cho các sản phẩm bao gồm insulin, axit citric, axit amin, và protein tái kết hợp; đạt mật độ tế bào 50-150 g / l trọng lượng khô với E. coli hoặc men ở kLa 0,1-0,3 s ^-1.

·** Máy sinh học nuôi dưỡng tế bào động vật có vú:**Được thiết kế để trộn nhẹ nhàng hơn (tốc độ đầu dưới 1,5 m/s để tránh tổn thương cắt), với các bánh xe Rushton hoặc lưỡi dao nghiêng, sparger với bong bóng vi mô (100-500 micrometer),và kiểm soát pH thông qua CO2 sparking; khối lượng 50-25.000 l cho kháng thể đơn clonal (mAbs) và protein tái tổ hợp sử dụng tế bào CHO, đạt mật độ tế bào 10-30 x 10 ^ 6 tế bào / ml và tiêu đề sản phẩm 2-10 g / l.

·** Máy phản ứng sinh học dùng một lần (SUB):Các túi phim polyme đã khử trùng trước (EVA hoặc PE) được đặt trong một cái giữ thép không gỉ với hỗn độn xoay hoặc khuấy động tích hợp; loại bỏ xác nhận SIP và nguy cơ nhiễm trùng chéo,với khối lượng 50-2,000 L; được sử dụng rộng rãi cho các cơ sở sản xuất thiết bị lâm sàng và nhiều sản phẩm, nơi chuyển đổi nhanh chóng và xác nhận làm sạch giảm biện minh cho chi phí tiêu thụ cao hơn cho mỗi lô.

Các loại lò phản ứng chế biến sinh học

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Q: Chức năng chính của lò phản ứng sinh học là gì?

Đáp: Một lò phản ứng sinh học nuôi dưỡng các tế bào sống (vi khuẩn, động vật có vú hoặc thực vật) dưới nhiệt độ, pH, oxy hòa tan được kiểm soát,và cung cấp chất dinh dưỡng để sản xuất các sản phẩm sinh học bao gồm protein tái kết hợp, kháng thể, vắc-xin, axit hữu cơ và nhiên liệu sinh học, với thiết kế vô trùng đảm bảo hoạt động vô trùng trong suốt quá trình trồng.

Hỏi: Tại sao kLa (tỷ lệ chuyển oxy) là quan trọng trong thiết kế lò phản ứng sinh học?

A: Các quá trình sinh học khí quyển đòi hỏi phải cung cấp oxy liên tục cho hô hấp tế bào và hình thành sản phẩm; kLa định lượng tốc độ chuyển oxy từ bong bóng khí sang môi trường lỏng,và nếu kLa quá thấp, nền văn hóa trở nên hạn chế oxy, giảm tốc độ tăng trưởng và năng suất sản phẩm Ước tiêu thiết kế điển hình là kLa 0,1-0,3 s^-1 cho vi khuẩn và 0,01-0,05 s^-1 cho nền văn hóa tế bào động vật có vú.

Hỏi: Làm thế nào để duy trì sự vô sinh trong các lò phản ứng sinh học?

A: Các lò phản ứng được khử trùng bằng hơi nước sạch ở 121-134 độ C trong 15-30 phút (SIP, đạt được SAL của 10 ^ -6), sau đó duy trì dưới áp suất dương (0,05-0,1 MPa) với lọc khử trùng (0,05-0,1 MPa).2 micrometer) không khí; tất cả các chất bổ sung đi qua các bộ lọc khử trùng, và tất cả các bề mặt đều được thiết kế vệ sinh (Ra < 0, 8 micromet, không có chân chết) để ngăn ngừa nhiễm vi khuẩn.

Q: Lợi thế của lò phản ứng sinh học dùng một lần (SUB) là gì?

A: Các lò phản ứng sinh học dùng một lần loại bỏ xác nhận SIP, xác nhận làm sạch và nguy cơ nhiễm trùng chéo giữa lô và sản phẩm, cho phép chuyển đổi sản phẩm nhanh chóng cho các cơ sở đa sản phẩm;tuy nhiên, chúng giới hạn quy mô hoạt động đến 2.000 l, không thể phù hợp với kLa của lò phản ứng sinh học thép không gỉ và phải chịu chi phí tiêu thụ cao hơn cho mỗi lô phải được biện minh bởi sự linh hoạt.