Биореактор одноразового использования
 |
Биореактор одноразового использования или одноразовый биореактор представляет собой биореактор с одноразовым мешком вместо культурального сосуда. Обычно это относится к биореактору, в котором оболочка, контактирующая с клеточной культурой, будет пластиковой , и эта оболочка заключена в более прочную конструкцию (обычно это либо коромысло, либо кубовидная, либо цилиндрическая стальная опора). Коммерческие биореакторы одноразового использования доступны с конца 1990-х годов. [ нужна ссылка ] и в настоящее время производятся несколькими известными производителями ( см. ниже ).
Одноразового использования в биореакторах
[ редактировать ]Биореакторы одноразового использования широко используются в области культивирования клеток млекопитающих и в настоящее время быстро заменяют традиционные биореакторы.
Вместо культурального сосуда из нержавеющей стали или стекла одноразовый биореактор оснащается одноразовым мешком. Одноразовый пакет обычно изготавливается из трехслойной полиэтиленовой фольги. Один слой изготовлен из полиэтилентерефталата или ПЭНП для обеспечения механической устойчивости. Второй слой, изготовленный из ПВА или ПВХ, выполняет функцию газового барьера. Наконец, контактный слой изготавливается из ПВА или ПП . [1] Для медицинского применения одноразовые материалы, контактирующие с продуктом, должны быть сертифицированы Европейским агентством по лекарственным средствам или аналогичными органами, ответственными за другие регионы.
Виды биореакторов одноразового использования
[ редактировать ]В целом существует два разных подхода к созданию биореакторов одноразового использования, различающихся способами перемешивания культуральной среды.
В некоторых биореакторах одноразового использования используются такие же мешалки, как и в обычных биореакторах, но с мешалками, встроенными в пластиковый пакет. Закрытый пакет и мешалка предварительно стерилизуются. При использовании мешок монтируется в биореактор, а мешалка соединяется с приводом механически или магнитно.
Другие биореакторы одноразового использования приводятся в движение раскачиванием. Для биореактора этого типа не требуются механические мешалки внутри одноразового мешка. [2] [3]
Биореакторы одноразового использования как с перемешиванием, так и с качающимся движением используются в объемах до 1000 литров.
Существует несколько вариаций этих двух методов. Шейкер Кунера, [4] изначально был разработан для приготовления сред, но также полезен и для культивирования клеток. Технология PBS Biotech Air Wheel использует плавучесть подаваемого воздуха для обеспечения вращения мешалки.
Измерение и контроль
[ редактировать ]Измерение и контроль процесса культивирования клеток с использованием биореактора одноразового использования представляют собой сложную задачу, поскольку мешок, в котором будет проводиться культивирование, представляет собой закрытую и предварительно стерилизованную систему. Датчики для измерения температуры, проводимости, глюкозы, кислорода или давления должны быть встроены в пакет во время производства перед стерилизацией. Датчики не могут быть установлены до начала использования биореактора, как в обычном случае. Следовательно, необходимо учитывать некоторые проблемы. Пакет собирается, доставляется и хранится в сухом виде, в результате чего обычные pH-электроды использовать нельзя. Калибровка или дополнительная сборка невозможны. Эти ограничения привели к разработке предварительно сконфигурированных пакетов с новыми типами аналитических зондов. Значение pH можно измерить с помощью пластыря размером всего несколько миллиметров. Этот пластырь состоит из защитной мембраны, за которой находится pH-чувствительный краситель. Изменение pH культуральной среды меняет pH и цвет красителя. Изменение цвета можно обнаружить с помощью лазера, расположенного снаружи мешка. Этот и другие методы неинвазивного измерения были разработаны для биореакторов одноразового использования.
Одноразовая биопереработка
[ редактировать ]Уменьшение контакта продукта с частями/системами сокращает время квалификации и валидации при переходе от одного процесса изготовления препарата к другому. [5] Поскольку процесс биофармацевтического производства включает в себя множество этапов, помимо использования биореакторов, одноразовые технологии используются на протяжении всего производственного процесса из-за их преимуществ. Одноразовая биопереработка (SUS) [примечание 1] Доступные этапы: подготовка среды и буфера, сбор клеток, фильтрация, очистка и инактивация вируса. Основная инновация одноразовых технологий в этой области обработки заключалась в создании 2D/3D пакетов и трубок, позволяющих уменьшить контакт продукта с частями/системами неодноразового использования. [6]
Преимущества и недостатки
[ редактировать ]По сравнению с обычными биореакторными системами одноразовое решение имеет некоторые преимущества. Применение одноразовых технологий снижает требования к очистке и стерилизации. По некоторым оценкам, экономия затрат составляет более 60% при использовании одноразовых систем по сравнению с биореакторами из нержавеющей стали. В фармацевтическом производстве можно упростить сложные процедуры квалификации и валидации, что в конечном итоге приведет к значительному снижению затрат. [5] Применение биореакторов одноразового использования снижает риск перекрестного загрязнения и повышает биологическую и технологическую безопасность. Одноразовые приложения особенно подходят для любого вида биофармацевтического продукта.
Основная причина одноразовой биопереработки (SUS) [примечание 1] Популярен среди фармацевтических компаний и организаций контрактного производства (CMO), поскольку технологическая зона/предприятие может быстро перейти от одного процесса (лекарственного продукта) к другому. Это связано, как указывалось ранее, с сокращением процедур квалификации и валидации. Это увеличивает производительность и затраты, поскольку для перехода от одного процесса к другому требуется меньше ресурсов и времени. Поскольку лекарства на стадии клинических исследований и разработок (предварительная коммерциализация лекарств) не нужны в тех же масштабах, что и большинство коммерческих лекарств, их часто производят в одноразовых комплектах, поэтому в одном и том же помещении/объекте можно быстро переключиться с одного препарата на другой. Часто, когда лекарство становится коммерциализированным, преимущества SUS уменьшаются, поскольку одна зона/предприятие может быть посвящено одному продукту, что, по сути, устраняет необходимость в гибкости, которая является основным преимуществом SUS. [6] По оценкам, ≥85% докоммерческого производства лекарственных средств использует одноразовое системное производство. [7] Многоразовые системы из нержавеющей стали становятся более выгодными по мере увеличения спроса на лекарственный продукт и размера партии, часто в результате коммерциализации лекарства. Это не всегда так, поскольку коммерческие наркотики производятся в одноразовых костюмах/предприятиях.
SUS содержат меньше деталей по сравнению с традиционными биофармацевтическими производственными системами, поэтому начальные затраты и затраты на техническое обслуживание снижаются. [6]
Ограничивающим фактором для использования некоторых биореакторов одноразового использования является достижимая передача кислорода, представленная удельным коэффициентом массопереноса (k L ) для конкретной фазовой площади (a), что приводит к объемному коэффициенту массопереноса кислорода (k L a). . Теоретически на это может повлиять более высокая затрата энергии (увеличение скорости мешалки или частоты качания). Однако, поскольку биореакторы одноразового использования в основном используются для культивирования клеток, затраты энергии ограничены деликатной природой клеток. Более высокая потребляемая энергия приводит к более высоким силам сдвига, вызывая риск повреждения клеток. [8] В настоящее время доступны одноразовые биореакторы объемом до 1000 л; вот почему масштабирование ограничено по сравнению с обычными биореакторами. Тем не менее, несколько поставщиков в настоящее время поставляют установки объемом 2000 литров, а некоторые поставщики (Sartorius, Xcellerex, Thermo Scientific HyClone и PBS Biotech) предоставляют семейство одноразовых биореакторов от настольного до полномасштабного производства. Существуют три проблемы для более быстрого и широкого внедрения одноразовых биореакторов: 1) более качественные и более дешевые одноразовые пакеты и контейнеры, 2) больше многоразовых и одноразовых датчиков и зондов, которые могут обеспечить высококачественную аналитику, включая точки данных уровня клеточной культуры в реальном времени, и 3 ) семейство биореакторов от лаборатории до производства, обеспечивающее полное масштабирование биопроцесса. Поставщики работают над улучшением материалов и характеристик пластиковых пакетов, а также над разработкой более широкого спектра датчиков и зондов, которые дадут ученым более полное представление о плотности клеток, их качестве и других показателях, необходимых для повышения урожайности и эффективности продукта. Новые перфузионные устройства также становятся популярными для определенных применений в области клеточных культур.
Экологические аспекты
[ редактировать ]Экологические аспекты биореакторов одноразового использования важно учитывать из-за количества используемого одноразового материала по сравнению с обычными биореакторами. Полной оценки жизненного цикла, сравнивающей биореакторы одноразового использования и обычные биореакторы, не существует, но многие экологические причины поддерживают концепцию биореакторов одноразового использования. Для полной оценки жизненного цикла необходимо учитывать не только производство, но и повторное использование. Даже основная часть биореактора одноразового использования не является одноразовой, а будет постоянно использоваться повторно. Пластиковый пакет, который используется вместо культурального сосуда, является одноразовым, как и все встроенные узлы, такие как датчики, трубки и мешалки. Сумка и все ее части в основном изготовлены из пластика, получаемого из нефти. Современные концепции переработки в основном ориентированы на сжигание, чтобы восстановить энергию, полученную из нефти, в виде тепла и электричества. Большая часть нефти в любом случае будет сжигаться на электростанциях или в автомобилях (требуется ссылка). Сжигание одноразовых компонентов биореакторов создает обходной путь биохимической инженерии в течение их жизненного цикла, который не имеет большого влияния. Изготовление обычных культуральных сосудов из нержавеющей стали или стекла требует больше энергии, чем изготовление пластиковых пакетов. При использовании обычных биореакторов культуральный сосуд необходимо очищать и стерилизовать после каждого ферментация . Для очистки требуется большое количество воды, а также кислот, щелочей и моющих средств. Стерилизация паром при температуре 121 градус C и давлении 1 бар требует большого количества энергии и большого количества дистиллированной воды. Эту дистиллированную воду (часто называемую «водой для инъекций» в фармацевтической номенклатуре) также необходимо готовить, затрачивая большое количество энергии.Сравнение оценки жизненного цикла обычных и одноразовых биореакторов выглядит гораздо более благоприятным для одноразовых биореакторов, как и ожидалось ранее. По сообщению А. Синклера и соавт. [9] Биореакторы одноразового использования помогут сэкономить 30% электроэнергии на эксплуатацию, 62% энергозатрат на производство системы, 87% воды и, наконец, 95% моющих средств по сравнению с обычными биореакторами.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б SUS — это аббревиатура от одноразовой биотехнологической системы/системы.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Барбару М., Сетте А. (2006). «Свойства материалов, используемых в одноразовых гибких контейнерах: требования и анализ». БиоФарм Интернешнл . 11 .
- ^ Домашняя страница WAVE-Biotech. Архивировано 28 февраля 2011 г. на Wayback Machine.
- ^ биореакторы/BIOSTAT%C2%AE-CultiBag-RM/76v4e7bqmkj/jo5ylz8z208/mp.htm Домашняя страница BIOSTAT® CultiBag RM [ постоянная мертвая ссылка ]
- ↑ Kuhner Shaker. Архивировано 15 февраля 2011 г. в Wayback Machine.
- ^ Перейти обратно: а б Морроу К.Дж. (2006). «Одноразовые биореакторы набирают популярность: новые компоненты и системы повышают надежность процесса и снижают затраты» . Новости генной инженерии . 26 (12): 42–45.
- ^ Перейти обратно: а б с «Одноразовые системы, переопределяющие отрасль» . Технологические решения Acuity . Технологические решения Acuity. 7 июня 2019 года . Проверено 21 июля 2022 г.
- ^ Ханна, Смита. «Обзор 2021 года биопереработки и 7 ключевых выводов» . www.bioprocessonline.com . Биопроцесс онлайн . Проверено 21 июля 2022 г.
- ^ Сторхас, Винфрид (1994). Биореакторы и периферийные устройства: Руководство для высшей школы, производителей и пользователей . Издательство Спрингер . стр. 60–61. ISBN 978-3-540-67054-4 .
- ^ Синклер А., Левин Л.; и др. (2008). «Воздействие одноразовых технологий на окружающую среду» . Биофарм Интернэшнл Добавки . Архивировано из оригинала 11 июля 2011 г.