Биологический ферментер

Концепция биологических ферментеров значительно развивалась с момента их создания. Ранние конструкции были в основном основаны на перемешиваемой микробной ферментации, где микроорганизмы выращивали в реакторе перемешиваемого резервуара. Со временем индустрия стала свидетелем появления различных видов ферментеров, в том числе смешанных волновых, перемешиваемых и орбитальных встряхлых систем. Каждый из этих типов обслуживает разные типы клеток и эксплуатационные объемы, отражая разнообразие и сложность биофармацевтической продукции.

Например, ферментеры, смешанные с волной, обнаружили широкое применение при расширении клеток семян и выращивании чувствительных к сдвигу клеток млекопитающих. Их мягкое смешанное действие сводит к минимуму повреждение клеток, способствуя более здоровому росту клеток и более высоким урожаям продукта. Напротив, орбитальные потрясенные системы, хотя и относительно более медленные в развитии, в первую очередь используются для культивирования клеток животных и растений с более низкими потребностями кислорода. Эти системы преимущественно ограничены лабораторными приложениями, служащих жизненно важной платформой для исследований и на ранней стадии разработки.

◆ Камера брожения: Это основной отсек, где происходит биологический процесс. Обычно он изготовлен из нержавеющей стали для обеспечения долговечности и бесплодия.

◆ Система агитации: Чтобы обеспечить равномерное смешивание и аэрацию в камере ферментации, используются такие агитаторы, как носители или мешалки. Они помогают в поддержании однородных условий на протяжении всего процесса ферментации.

◆ Аэрационная система: Обеспечение кислородом имеет решающее значение для аэробных организмов. Это достигается за счет барботеров или воздухораспределителей, которые подают стерильный воздух в ферментационный бульон.

◆ Система охлаждения: Контроль температуры осуществляется с помощью рубашек или змеевиков, заполненных охлаждающей жидкостью. Это предотвращает перегрев и обеспечивает оптимальные условия роста.

◆ Система контроля pH: pH ферментационного бульона контролируется и регулируется с использованием кислот, оснований или буферов для поддержания желаемого диапазона.

◆ Система кормления питательных веществ: Контролируемое снабжение питательными веществами, такими как сахара, аминокислоты, витамины и минералы, обеспечивает поддержание роста клеток и метаболизма.

Универсальность биологических ферментеров делает их незаменимыми на различных этапах биофармацевтической продукции. Одним из наиболее значительных применений является производство рекомбинантных белков с использованием клеточных культур млекопитающих. В отличие от микробных клеток, клетки млекопитающих могут продуцировать более крупные белки со сложными посттрансляционными модификациями, такими как гликозилирование, что делает их идеальными для производства терапевтических белков, которые имитируют белки человека.

Трансгенные животные, особенно трансгенные козы и кролики, стали многообещающими моделями для производства рекомбинантных белков. Интегрируя человеческие гены в геном животного, исследователи могут использовать естественные производственные системы животных для производства терапевтических белков в их молоке или других жидкостях организма. Этот подход, известный как «молекулярное фермерство», предлагает ряд преимуществ, в том числе более низкие производственные затраты, более высокие урожаи и улучшенные профили безопасности.

Например, Атрин, рекомбинантное антитромбиновое антитело, одобренное FDA в 2009 году, производится в молоке трансгенных коз. Аналогичным образом, Руконест, рекомбинантный ингибитор эстеразы С1 человека, выделяют из молока трансгенных кроликов. Эти продукты демонстрируют возможность и эффективность использования реакторов на трансгенных животных в биофармацевтическом производстве.

◆ Достижения в области технологий клеточной культуры: Разработка новых клеточных средств культивирования, стратегий кормов и перфузионных систем значительно повысила производительность и качество культур животных клеток. Эти достижения позволили выработать более высокие титры терапевтических белков и вакцин, снизить затраты и увеличить доступность этих продуктов.

◆ Инновации в конструкции биореакторов: Новые конструкции биореактора, такие как волновые смешиваемые и орбитально встряхиваемые биореакторы, обеспечивают улучшенные свойства смешивания и массопереноса, что позволяет выращивать чувствительные типы клеток и производство высококачественных продуктов. Кроме того, использование одноразовых биореакторов снижает риски загрязнения и упрощенные производственные процессы.

◆ Интеграция автоматизации биопроцессов: Интеграция систем автоматизации и управления в биореакторах имеет улучшенную повторяемость процесса, уменьшенную ошибку оператора и включает мониторинг в реальном времени и управление параметрами критических процессов. Это привело к повышению производительности, сокращению времени простоя и улучшению качества продукции.

◆ Устойчивое развитие и воздействие на окружающую среду: Биотехнологическая промышленность все чаще сосредоточена на снижении воздействия на окружающую среду и повышению устойчивости. Это привело к разработке новых биопроцессов, которые используют возобновляемые ресурсы, минимизируют обработку отходов и снижают потребление энергии. Кроме того, использование одноразовых биореакторов снизило потребность в очистке и стерилизации, что еще больше снижает воздействие на окружающую среду.