Biologický fermentor

Koncept biologických fermentorů se od jejich vzniku výrazně vyvíjel. První návrhy byly primárně založeny na míchané mikrobiální fermentaci, kde byly mikroorganismy kultivovány v míchaném tankovém reaktoru. Postupem času byl průmysl svědkem nástupu různých typů fermentorů, včetně vlnově míchaných, míchaných tankových a orbitálních třepaných systémů. Každý z těchto typů se stará o různé typy buněk a operační objemy, což odráží rozmanitost a složitost biofarmaceutické produkce.

Fermentory se smíšenými vlnami například našly široké uplatnění při expanzi zárodečných buněk a kultivaci savčích buněk citlivých na střih. Jejich jemné míchání minimalizuje poškození buněk, podporuje zdravější růst buněk a vyšší výtěžky produktu. Naproti tomu orbitální třepané systémy, i když relativně pomalejší ve vývoji, se primárně používají pro kultivaci živočišných a rostlinných buněk s nižšími nároky na kyslík. Tyto systémy jsou převážně omezeny na aplikace v laboratorním měřítku a slouží jako zásadní platforma pro výzkum a vývoj v rané fázi.

◆ Fermentační komora: Toto je hlavní kompartment, kde dochází k biologickému procesu. Obvykle je vyrobena z nerezové oceli, aby byla zajištěna trvanlivost a sterilitu.

◆ Agitační systém: Pro zajištění rovnoměrného míchání a provzdušňování ve fermentační komoře se používají agitátory, jako jsou oběžné kolo nebo míchadlo. Pomáhají při udržování homogenních podmínek během procesu fermentace.

◆ Provzdušňovací systém: Poskytování kyslíku je pro aerobní organismy zásadní. Toho je dosaženo prostřednictvím spargerů nebo vzduchových difuzorů, které zavádějí sterilní vzduch do fermentačního vývaru.

◆ Chladicí systém: Regulace teploty je udržována pomocí plášťů nebo cívek naplněných chladicí kapalinou. To zabraňuje přehřátí a zajišťuje optimální podmínky růstu.

◆ Systém kontroly pH: PH fermentačního vývaru je monitorováno a upravováno pomocí kyselin, bází nebo pufrů, aby se udržel požadovaný rozsah.

◆ Systém krmiva živin: K udržení růstu a metabolismu je poskytována kontrolovaná přísun živin, jako jsou cukry, aminokyseliny, vitamíny a minerály.

Všestrannost biologických fermentorů je činí nepostradatelnými v různých fázích biofarmaceutické výroby. Jednou z nejvýznamnějších aplikací je produkce rekombinantních proteinů pomocí savčích buněčných kultur. Na rozdíl od mikrobiálních buněk mohou savčí buňky produkovat větší proteiny s komplexními posttranslačními modifikacemi, jako je glykosylace, což je činí ideálními pro produkci terapeutických proteinů, které napodobují lidské proteiny.

Transgenní zvířata, zejména transgenní kozy a králíci, se objevily jako slibné modely pro produkci rekombinantních proteinů. Integrací lidských genů do genomu zvířete mohou vědci využívat přirozené produkční systémy zvířete a vytvářet terapeutické proteiny do svého mléka nebo jiných tělesných tekutin. Tento přístup, známý jako „molekulární zemědělství“, nabízí několik výhod, včetně nižších výrobních nákladů, vyšších výnosů a zvýšených bezpečnostních profilů.

Například Atryn, rekombinantní antitrombinová protilátka schválená FDA v roce 2009, se vyrábí v mléce transgenních koz. Podobně se Ruconest, rekombinantní lidský inhibitor C1 esterázy, čistí z mléka transgenních králíků. Tyto produkty demonstrují proveditelnost a účinnost transgenních zvířecích reaktorů v biofarmaceutické produkci.

◆ Pokroky v technologii buněčné kultury: Vývoj nových médií buněčných kultur, strategií krmiv a perfuzních systémů výrazně zlepšil produktivitu a kvalitu kultur zvířecích buněk. Tato pokrok umožnila produkci vyšších titrů terapeutických proteinů a vakcín, snižování nákladů a zvýšení dostupnosti těchto produktů.

◆ Inovace v designu bioreaktoru: Nové návrhy bioreaktorů, jako jsou vlnové a orbitárně otřesené bioreaktory, nabízejí zlepšené vlastnosti míchání a přenosu hmoty, což umožňuje pěstování citlivých typů buněk a produkci vysoce kvalitních produktů. Použití jednorázových bioreaktorů navíc snížilo rizika kontaminace a zjednodušené výrobní procesy.

◆ Integrace automatizace bioprocesů: Integrace automatizačních a řídicích systémů v bioreaktorech zlepšila opakovatelnost procesu, sníženou chybu operátora a umožnila monitorování a řízení kritických parametrů procesu v reálném čase. To vedlo ke zvýšené produktivitě, sníženému prostoji a zlepšení kvality produktu.

◆ Udržitelnost a dopad na životní prostředí: Biotechnologický průmysl se stále více zaměřuje na snižování dopadu na životní prostředí a zlepšování udržitelnosti. To vedlo k vývoji nových bioprocesů, které využívají obnovitelné zdroje, minimalizují tvorbu odpadu a snižují spotřebu energie. Kromě toho použití bioreaktorů na jedno použití snížilo potřebu čištění a sterilizace, což dále snižuje dopad na životní prostředí.