Оборудование. BIORUS® - Все для масштабируемой биотехнологии.

Сравнение применения одноразовых и классических исполнений ферментеров

10.31.2019

Сравнение применения одноразовых и классических исполнений ферментеров

Сравнение применения одноразовых и классических исполнений ферментеров

Любой процесс начинается с проекта. При проектировании нового процесса одним из наиболее критических этапов, за которые отвечает технолог, является формирование требований к основному технологическому оборудованию. Бесспорно, в области биотехнологии основной единицей оборудования является аппарат для культивирования– ферментер или биореактор.

Ферментеры различных конструкций используются не одно десятилетие, поэтому перед его выбором нужно рассмотреть множество нюансов, учитывающих как капитальные затраты, так и особенности технологического процесса культивирования.

ХХI век – век технологического прорыва. Внедрены в промышленность и быт новые материалы. Развитие автоматики позволило значительно удешевить производство многих продуктов. С техническим прогрессом в нашу жизнь прочно вошли одноразовые системы. Одноразовые медицинские изделия – бесспорное благо для человечества, спасшее жизнь не одному миллиону людей. Одноразовые расходные материалы в лаборатории тоже применяют уже достаточно давно и это, несомненно, очень удобно и обоснованно коммерчески, когда стоимость исследования или цена неверных результатов в разы больше, чем «цена ошибки» при ненадлежащей очистке и стерилизации.

Все большую популярность приобретают одноразовые системы для культивирования. То, что еще 10 лет назад использовали единичные производства, сейчас получило практически повсеместное распространение.

Тем не менее, ферментеры в «классическом исполнении», изготовленные из стали, по-прежнему применяют повсеместно. Очевидно, что ими продолжают оснащать производства благодаря их надежности и долговечности, а также предсказуемым технологическим характеристикам.

Если вы стоите перед выбором, особенно при масштабировании процесса, при котором всегда существует некоторый дефицит входящих данных, рассмотреть все представленные на рынке варианты, соблюдая баланс между ценной оборудования и требованиями к процессу, бывает затруднительно. Мы хотим поделиться многолетним опытом общения с  клиентами, проанализировав их удовлетворенность в результатами выбора разных типов ферментеров, исходя из имевшихся в их распоряжении ресурсов и информации, поэтому ниже будут рассмотрены основные особенности тех или иных конструкций, а также приведено сравнение основных их достоинств и недостатков.

Итак, зачем нужен биореактор? Биореактор (ферментер) – аппарат, предназначенный для выращивания живых объектов: бактерий, грибов, дрожжей, клеток растений и животных. Выбор исполнения, типа и конструкции, прежде всего, обусловлен биологическим объектом – продуцентом. Существует несколько классификаций данного типа оборудования.

Например, по размеру: лабораторные емкостью от 0,5 до 15 л, пилотные емкостью 10л до 500л, промышленные емкостью от 500л до нескольких сотен кубических метров. По различию в подводе энергии, известны 3 типа биореакторов с подводом энергии к жидкой или газовой фазе и комбинированного типа. И даже то обстоятельство, что в минувшие пару десятилетий именно последний тип практически полностью вытеснил все остальные не означает, что из технико-экономических соображений завтра вам не потребуется ферментер более специфической конструкции.

Чтобы выбранное оборудование наилучшим образом соотносилось с особенностями технологического процесса в первую очередь, еще на этапе проекта, следует провести анализ рисков, оценить все стадии процесса производства.

Например, если культура легко подвержена заражению, а компоненты среды – дорогостоящие и стоимость продукта так же высока, то лучше максимально исключить риски «потери» серии продукта по причине контаминации или попадания ингибиторов (например с моющими средствами) что, как принято считать, может быть достигнуто только при использовании одноразовых систем. При очень высокой стоимости продукта, возможно, стоит рассмотреть вариант применения одноразовых материалов на всех этапах процесса – одноразовые мешки для приготовления сред и подпиток, одноразовые фильтрационные системы и одноразовые колонки для последующей очистки продукта. В свою очередь, если культура менее чувствительна  к заражению, стоимость продукта невысока и используется сравнительно дешевое сырье, указанным рискам не обязательно уделять столь значительное внимание, поскольку стоимость забракованной серии не является столь критичной. В данном случае «одноразовые» технологии себя не окупят.

Принципиально ферментер (биореактор) представляет собой герметичный сосуд, сделанный, как правило, из стекла или из стали, с перемешивающим устройством и возможностью ввода и вывода газовых и жидких компонентов, необходимых для роста клеток.  Для поддержания температуры в ферментере предусмотрена «рубашка», змеевик, либо их комбинация. В лабораторных ферментерах также иногда используются встроенные тепловые нагревательные элементы, хотя такой метод, видимо, следует признать архаичным. Как правило, в ферментере поддерживают оптимальное значение рН, что связано с физиологией роста культуры, частоту перемешивания и концентрацию растворенного кислорода (для аэробных процессов). Управление этими параметрами, а также уровнем пены (при интенсивной аэрации возможны существенные потери продукта в результате вспенивания  и уноса клеток вместе с пеной) является общепринятым подходом к управлению ферментацией.

Контроль давления в ферментере связан в большей степени с промышленной безопасностью. Иногда требуется контроль более специфических параметров, однако управление ими, как правило, технически затруднено или невозможно. Поэтому ферментеры оборудованы различными датчиками для контроля параметров и получения информации о процессе культивирования и управления им.

В современных аппаратах управление производится с помощью специального блока с контроллером, получающим сигнал от датчиков и передающем его на сенсорный экран, благодаря которому происходит их визуализация, а также возможно задать требуемые значения параметров процесса. В зависимости от модификации блок управления можно подключить к персональному компьютеру.

Главное отличие одноразового ферментера от «классической» стальной конструкции в том, что сам сосуд представляет собой одноразовый стерильный мешок со всеми необходимыми патрубками, барботером и пластиковой мешалкой. Этот мешок монтируют на стальной поддерживающий каркас-теплообменник, через одноразовые фильтры к мешку подключают необходимые газы, расход которых регулируется с помощью блока управления, все вносимые жидкие компоненты стерилизуют отдельно, емкости подсоединяют стерильно и жидкости перекачивают в одноразовый мешок для культивирования.

Если обратиться к истории вопроса, то до последнего десятилетия ХХ века основными промышленными продуцентами были микроорганизмы (бактерии, дрожжи, мицелиальные грибы). Их клетки, зачастую, обладают развитой клеточной стенкой, благодаря чему становятся устойчивыми к жестким гидродинамическим режимам и значительному срезовому воздействию. Поэтому с целью повышения массообменных характеристик стальных ферментеров и, как следствие, продуктивности процесса ферментации стали применять конструктивные решения, в которых воздействие на клетки продуцента не считалось столь критическим. В частности, добивались наименьшего размера пузырька, а так же интенсификации массообмена за счет применения турбинных мешалок или мешалок Раштона.

Однако, при культивировании клеток  животных, не имеющих клеточной стенки, при подобной конструкции биореактора клетки могут быть повреждены в процессе перемешивания, и не только тип мешалки, но  даже размер пузырьков и скорость подачи газов важны в этом  вопросе.

Существует мнение, что одноразовые системы являются более «щадящими» в этом отношении. При выборе правильной конструкции узлов стального ферментера негативные воздействия так же могут быть значительно уменьшены.

Так при культивировании клеток животных ферментеры (биореаторы) обычно оснащают винтовой мешалкой, которая обеспечивает достаточное для роста перемешивание и в то же время характеризуется минимальным срезовым усилием.

Так же клетки животных обычно требуют более длительного периода выращивания. А чем более длительный процесс, тем выше риски контаминации конечного продукта. Поэтому, соотнося конечную стоимость продукта и риски заражения культуры, производители зачастую предпочитают применять одноразовые системы. Но при грамотной организации производственного процесса и в «классическом» биореакторе риски заражения сводятся практически к нулю.

Также нельзя не упомянуть, что стадия очистки самого реактора при применении одноразовых систем сведена к минимуму, но более остро встает вопрос утилизации отходов после культивирования.

Производители одноразовых систем утверждают, что по капитальным затратам они обходятся дешевле. Данное утверждение иногда справедливо, если сравнивать цены на стальные и «одноразовые», биореактора одного производителя (т.е. на стальной каркас для мешка с рубашкой и блок управления), но разница в цене (если она есть) незначительна – около 15-20%.

В то же время, по текущим затратам на процесс одноразовые системы оказываются гораздо более дорогостоящими, т.к. лишь немногие компании имеют достаточное техническое вооружение и конструкторский потенциал, чтобы выпускать качественные одноразовые системы для культивирования. При использовании одноразовых систем всегда есть вероятность экстракции нежелательных веществ в питательную среду во время культивирования, а значит, и дополнительные риски снижения продуктивности процесса. Таким образом, возникают отдельные требования к материалам. Качество исполнения одноразовых систем, конечно, высокое, однако, производство одноразовой рабочей части биореактора является высокозатратной. Получается, что приобретая одноразовый биореактор приходится с каждым новым циклом производства нести существенные затраты, в сущности, на его основную рабочую часть, что бесспорно оправдывает себя в случае, если затраты на этот «расходник» ниже других текущих затрат на ферментацию или на потерю продукции с производственного цикла.

В числе прочих «подводных камней» можно отметить непредвиденные простои в процессе производства из-за задержки груза на таможне. В отличие от классического стального ферментера, «одноразовый» биореактор невозможно эксплуатировать без одноразового мешка для культивирования.  С другой стороны, если случается непредвиденный простой в производстве по разным причинам, то у заранее закупленных материалов может истечь срок годности, а с ним и гарантия качества от производителя.

В числе прочих «подводных камней» эксплуатации одноразовых систем можно отметить:

  • непредвиденные простои в процессе производства из-за задержки груза на таможне;
  • «одноразовый» биореактор невозможно эксплуатировать без одноразового мешка для культивирования;
  • если случается непредвиденный простой в производстве по разным причинам, то у заранее закупленных материалов может истечь срок годности, а с ним и гарантия качества от производителя.

 

Для удобства оценки рисков эти и другие факторы мы свели в приведенную ниже таблицу:

Сравнительная характеристика

Одноразовый биореактор

Биореактор в металлическом исполнении

Назначение

Культивирование клеток животных

Бактерии, дрожжи, мицелиальные грибы, клетки животных и растений

Основное оборудование

Сравнительно ниже(у одного  и того же производителя), но не более чем на 15-20%. У некоторых производителей стоимость даже выше, чем на линейку в не «одноразовом» исполнении

Сравнительно выше (у одного  и того же производителя), но не более чем на 15-20%. У некоторых производителей стоимость иногда ниже, чем на линейку в «одноразовом» исполнении

Расходные материалы на процесс

Закупка, помимо стандартного набора, дополнительных расходных материалов для каждого цикла процесса, необходимо четкое обеспечение логистической цепи и учет сроков поставки

Стандартный набор расходных материалов

Энергозатраты

Исключена стадия стерилизации биореактора

Выше чем при использовании одноразовых систем, т.к. требуется очистка и стерилизация биореактора

Временные затраты на технологический процесс

Совсем исключить стадию очистки оборудования между партиями продукта невозможно, но она существенно короче

Зависит от степени автоматизации систем (CIP, SIP)

Квалификация

Несколько упрощена, не требуется квалификация очистки

Необходима полная процедура

Травмирование клеток культуры при перемешивании и барботаже (актуально только для клеток животных)

Слабо выражено

Слабо выражено при правильном подборе параметров оборудования

Экстракция нежелательных веществ из стенок реактора

Нужно тщательно выбирать материалы одноразовых систем. В идеале провести дополнительные исследования влияния данного фактора на конкретный процесс

Нужно правильно выбрать материал изготовления биореактора. Дополнительных исследований не требуется ввиду их широкой применимости

Массообменные характеристики

Сильно зависят от конструкции биореатора, одноразовые мешки не имеют жестких стенок и поэтому их форма немного «плавает» до их полного заполнения, могут образовываться складки.

Массообменные характеристики хорошо моделируются на этапе проектирования оборудования

Вероятность контаминации

Низкая, при должном обучении персонала

Низкая, при должном содержании оборудования и обучении персонала

Утилизация отходов

При масштабах производства от пилотных и выше, необходимо решить проблему обеззараживания больших однократных объемов одноразовых материалов с учетом соблюдения требований биологической безопасности

Происходит по стандартной схеме. Обеззараживание производится непосредственно в реакторе, не требуя дополнительного оборудования (автоклавов и т.д.)

 

С учетом всего выше сказанного, можно сделать выводы, что для классических ферментационных процессов стальные реактора будут более экономически эффективны, а для культивирования клеток животных необходимо очень тщательно подходить к планированию процесса, оценивая все риски и производственный потенциал.

 

Восстановить пароль