Một lò phản ứng lên men là gì?

Trả lời câu hỏi chính:Một lò phản ứng lên men là gì, và làm thế nào nó duy trì điều kiện khử trùng trong khi cung cấp cho vi sinh vật oxy tối ưu, chất dinh dưỡng và trộn để hình thành sản phẩm?Một lò phản ứng lên men (bioreactor) là một thùng áp suất có mã ASME-BPE được thiết kế để nuôi dưỡng vi sinh vật (vi khuẩn, men,nấm) hoặc tế bào động vật có vú để sản xuất thuốc sinh học, enzyme, axit amin và nhiên liệu sinh học. Hiệu suất được điều chỉnh bởi hệ số chuyển đổi khối lượng khối lượng kLa = 0,05-0,3 s−1 cho việc cung cấp oxy,* Động học monod * μ = μmax·S/(Ks + S) để dự đoán tốc độ tăng trưởng, và xác nhận vô trùng tại chỗ (SIP) ở 121 ° C trong 15-30 phút.Việc tuân thủ GMP theo 21 CFR Phần 11 và ICH Q5A yêu cầu các chu kỳ CIP/SIP được xác nhận, mức đảm bảo vô sinh (SAL) < 10-6 và hồ sơ lô điện tử đầy đủ (EBR).

1Các nguyên tắc thiết kế và quá trình sinh học

Thiết kế lò phản ứng lên men tích hợp các yêu cầu vi sinh học (khô trùng, chuyển oxy, cung cấp chất dinh dưỡng) với kỹ thuật cơ khí (lấy hơi, chuyển nhiệt,sự tương thích của vật liệu) và tuân thủ GMP, tính toàn vẹn dữ liệu, phòng ngừa ô nhiễm).

• ** Chuyển chuyển khối lượng oxy và kLa:**Chất lên men khí quyển đòi hỏi phải cung cấp oxy liên tục:* tỷ lệ hấp thụ oxy (OUR) * = qO2·X (nơi qO2 là tỷ lệ tiêu thụ oxy cụ thể bằng mmol / gDW / h và X là nồng độ sinh khối bằng gDW / L) có thể đạt 50-200 mmol / L / h cho E mật độ caoCác thực vật có nồng độ nồng độ nồng độ nồng độ nồng độ nồng độ nồng độ nồng độ nồng độ nồng độ nồng độ nồng độ nồng độ nồng độĐối với tế bào động vật có vú (qO2 = 0).1-0.5, X = 1-10 * 106 tế bào / mL), kLa = 0,005-0,05 s−1 là đủ. kLa được tăng cường bởi: tăng tốc độ khuấy động (kLa N ^ 2,3 cho tuabin Rushton), tăng lưu lượng khí (vvm = 0,5-2,0),tăng áp suất (tăng C * thông qua luật Henry C * = H · P), hoặc sử dụng không khí giàu oxy (> 40% O2). kLa được đo in-situ bằng phương pháp xả khí động hoặc phương pháp oxy hóa sulfite.
• ** Động học Monod và Mô hình tăng trưởng: **Tăng trưởng vi khuẩn theo * động học Monod*: μ = μmax·S/(Ks + S), trong đó μ là tốc độ tăng trưởng đặc trưng (h−1), μmax là tốc độ tăng trưởng đặc trưng tối đa (0,3-1,0 h−1 đối với vi khuẩn, 0,03-0.05 h-1 cho tế bào động vật có vú), S là nồng độ chất nền giới hạn, và Ks là hằng số độ bão hòa một nửa. Ở S >> Ks, μ → μmax (sự tăng trưởng theo cấp số). Ở S ≈ Ks, sự tăng trưởng bị giới hạn bởi chất nền.Tỷ số * năng suất * Yx/s = ΔX/ΔS (thường là 0.4-0.6 gDW/g cho glucose) liên kết sản xuất sinh khối với tiêu thụ chất nền.*profile cấp số nhân* F(t) = (μset·V0·X0·Yx/s·e^(μset·t))/(Sf·Yx/s) duy trì S ở mức tối ưu, ngăn ngừa hiệu ứng Crabtree (chất chuyển hóa tràn trong nấm men) hoặc tích tụ axetat trong E. coli.
• ** Thiết kế aseptic và SIP/CIP Validation:**Tính vô trùng là yêu cầu tối quan trọng: một sinh vật gây ô nhiễm duy nhất trong một lô 10.000 L gây ra tổn thất sản phẩm trị giá $100,000-$10,000,000Các bình phải được khử trùng tại chỗ (SIP): tất cả các bề mặt tiếp xúc với sản phẩm phải đạt 121 °C trong 15-30 phút (điều kiện tự động chuẩn, SAL < 10−6).Khí được đưa vào thông qua các sparger, niêm phong máy khuấy và tất cả các cổng; * các điểm lạnh * (địa điểm nhiệt cặp hiển thị nhiệt độ tối thiểu) được lập bản đồ và xác minh trong quá trình xác nhận.không chân chết (chiều dài ống < 3* đường kính cho tất cả các nhánh), hoàn toàn thoát nước (bottom bình nghiêng vào van thoát nước), bề mặt điện đục (Ra ≤ 0,4 μm, kết thúc SF1), và thiết bị kẹp vệ sinh (ASME-BPE JT series).* CIP (giặt sạch tại chỗ) * sử dụng các quả bóng phun quay cung cấp chất gây hư hỏng (1-2% NaOH), 70-80 °C), axit (1% HNO3), và rửa WFI, được xác nhận bằng xét nghiệm bao phủ riboflavin và TOC < 10 ppm.

2Các loại phản ứng lên men chính

Các lò phản ứng lên men được phân loại theo loại vi sinh vật, chế độ hoạt động (chục, thức ăn-chục, liên tục), và quy mô.

• ** Các lò phản ứng lên men (STR):**Các thùng chứa ASME-BPE (10-200.000 L, 0,1-0,6 MPa, 20-40 ° C) là tiêu chuẩn công nghiệp cho quá trình lên men vi khuẩn.5) trên một trục đầu vào đáy với API 682 Plan 53 niêm phong cơ khí kép, 4 phao (nhiều rộng T/12), và một vòng sparger (vòng đục ở phía dưới).Chuyển nhiệt qua nửa ống hoặc áo khoác hố (U = 300-500 W / m2K) loại bỏ nhiệt trao đổi chất (5-15 kW / m3 cho các nền văn hóa mật độ cao) và duy trì ± 0.5 °C kiểm soát nhiệt độ. Các tính năng tiên tiến: thăm dò oxy hòa tan (polarographic, 0-150% sat.), thăm dò pH (± 0.02 pH), và kiểm soát chống bọt (máy dò bọt có dung lượng kích hoạt liều lượng chống bọt).Chế độ cung cấp hàng loạt với cấp chất nền theo cấp số nhân đạt mật độ tế bào 50-100 gDW / L cho E. coli và 30-50 gDW/l cho nấm men.
• ** Các lò phản ứng lên men bằng không khí:**Những tàu kiểu tháp (5-50 m chiều cao, đường kính 0,5-5 m, 0,1-0,3 MPa) loại bỏ sự khuấy động cơ học, sử dụng không khí nén cho cả việc cung cấp oxy và trộn.Thiết kế vòng lặp bên trong (đường ống nước trong thùng tạo ra một khác biệt mật độ: chất lỏng khí trong riser ít dày đặc hơn chất lỏng không khí trong downcomer, điều khiển lưu thông với tốc độ bề mặt 0,5-1,5 m / s.Năng lực cắt giảm thấp hơn (cần thiết cho nấm nấm nhạy cảm với cắt và văn hóa tế bào thực vật), tiêu thụ năng lượng thấp hơn (0,5-2 kW/m3 so với 2-10 cho STR), và không có niêm phong cơ học (giảm nguy cơ nhiễm trùng). kLa = 0,03-0.15 s−1 (dưới STR) giới hạn ứng dụng cho các quy trình OUR thấp (chất kháng sinh, enzyme, protein đơn tế bào). quy mô theo sự tương đồng hình học và động học (thường kLa hoặc P / V).
• ** Các lò phản ứng lên men dùng một lần:**Các bình này sử dụng túi nhựa linh hoạt đã khử trùng trước, bức xạ gamma (25-40 kGy) (vải EVA hoặc PE nhiều lớp, 50-2.000 l) được lắp đặt trong các thùng hỗ trợ cứng,thay thế thùng thép không gỉƯu điểm: không có xác nhận SIP / CIP (giống như túi trước khi khử trùng), không có nguy cơ nhiễm trùng chéo (thử dụng sau mỗi lô), thay đổi sản phẩm nhanh chóng (1-2 giờ so với 4-8 giờ cho CIP / SIP bằng thép không gỉ),và giảm đầu tư vốn (50-70% thấp hơn cho công suất tương đương)Các hạn chế: áp suất hoạt động thấp hơn (< 0,05 MPa), thấp hơn kLa (0,01-0,08 s−1 sử dụng trộn dao động hoặc sóng thay vì xoay), phạm vi nhiệt độ hạn chế (20-40 °C),và *extractable và leachable* từ phim nhựa phải được đặc trưng theo USP <665> và <1665>Ưu tiên cho: vật liệu thử nghiệm lâm sàng, liệu pháp tế bào và các cơ sở đa sản phẩm.

Các loại lò phản ứng lên men Ma trận so sánh

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Q: KLa là gì và tại sao nó là tham số quan trọng cho thiết kế lò phản ứng lên men khí?

A: kLa (hàm chuyển khối lượng khí-lỏng theo thể tích, trong s -1) định lượng tốc độ chuyển oxy từ bong bóng khí sang môi trường lỏng.Nó xác định tốc độ cung cấp oxy tối đa OTR = kLa·(C* - C_L), trong đó C * là độ hòa tan oxy ở giao diện khí-nước (khoảng 7-8 mg / L cho không khí ở 1 atm, 30 ° C) và C_L là nồng độ oxy hòa tan. Nếu kLa quá thấp,oxy trở thành chất nền hạn chế tăng trưởngMục tiêu thiết kế: kLa phải đáp ứng OUR = qO2·X với biên an toàn 20-50%.Đối với E mật độ cao. coli (X = 50 gDW/L, qO2 = 15 mmol/gDW/h), OUR = 750 mmol/L/h ≈ 5,6 gO2/L/h, đòi hỏi kLa > 0,15 s−1 ở C* = 8 mg/L.

Hỏi: Làm thế nào để xác nhận vô trùng tại chỗ (SIP) được thực hiện cho một lò phản ứng lên men?

A: Xác nhận SIP cho ICH Q5A và ASME-BPE yêu cầu: (1) Chứng chỉ cài đặt (IQ) xác minh khả năng cung cấp hơi (lượng hơi bão hòa ở 121 °C, 1,05 barg, đủ lưu lượng cho tất cả các cảng),nguồn cung cấp hơi nước sparger và seal, và tính toàn vẹn của bộ lọc vô trùng; (2) Khả năng hoạt động (OQ) lập bản đồ các điểm lạnh bằng cách sử dụng 12-20 nhiệt cặp được đặt tại: đáy bình, sparger, khu vực niêm phong, van lấy mẫu, van thu hoạch,và cổng thức ăn ≈ Nhiệt độ tối thiểu 121 °C phải đạt được ở tất cả các vị trí trong 15 phút (tiêu chuẩn) hoặc 30 phút (prion/bioburden cao); (3) Chứng chỉ hiệu suất (PQ) với các chỉ số sinh học (Geobacillus stearothermophilus spores, 106 CFU, D121 = 1,5-2,0 phút) đạt được SAL < 10−6 (không tăng trưởng sau 7 ngày ủ).Các chu kỳ SIP được xác nhận lại hàng năm hoặc sau khi sửa đổi đường ống.

Q: Phương trình Monod là gì và nó được sử dụng như thế nào để kiểm soát lên men theo lô?

Đáp: Phương trình Monod μ = μmax·S/(Ks + S) dự đoán tốc độ tăng trưởng cụ thể μ (h−1) như một hàm của nồng độ chất nền giới hạn S (g/L). Đối với E. coli trên glucose, μmax = 0,4-1.0 h−1 và Ks = 0.01-0.05 g/L. Trong chế độ cấp hàng, tốc độ cấp chất nền F ((t) được điều khiển để duy trì S ở mức thấp (0,01-0,1 g/L) giới hạn μ đến 0,1-0.3 h−1 ∆ ngăn ngừa hiệu ứng Crabtree (trượt sang ethanol trong men) hoặc hình thành axetat trong E. coli. Mẫu thức ăn theo hàm số * F ((t) = (μset·V0·X0) / ((Sf·Yx/s) * e ^ ((μset·t) cung cấp chất nền phù hợp với nhu cầu sinh khối tăng theo hàm số,duy trì S ở nồng độ mục tiêu mà không cần đo trực tuyến. Kiểm soát phản hồi (chương trình phân tích glucose trực tuyến hoặc DO-stat) điều chỉnh các sai lệch.

Hỏi: Khi nào nên sử dụng lò phản ứng lên men dùng một lần (một lần dùng) thay vì lò phản ứng thép không gỉ?

A: Các lò phản ứng dùng một lần được ưa thích khi: (1) kích thước lô nhỏ (50-2.000 L) ờ điển hình cho sản xuất vật liệu thử nghiệm lâm sàng và thuốc mồ côi;(2) các cơ sở đa sản phẩm đòi hỏi chuyển đổi nhanh chóng ✓ sử dụng một lần loại bỏ xác nhận CIP / SIP giữa các chiến dịch (1-2 giờ so với. 4-8 giờ), tăng sử dụng cơ sở bằng 20-40%; (3) quá trình nhạy cảm với cắt đứtcó lợi cho các tế bào động vật có vú và nuôi tế bào thực vật(4) Đầu tư vốn phải được giảm thiểu ✓ loại bỏ các tiện ích SIP / CIP bằng thép không gỉ và xác nhận của chúng, giảm chi phí lắp đặt 50-70%.thấp hơn kLaĐối với sản xuất quy mô lớn (> 2.000 L) của các sản phẩm đã được thiết lập, STR thép không gỉ vẫn tiết kiệm hơn.