Одноразовый биореактор - Википедия - Single-use bioreactor

А одноразовый биореактор или же одноразовый биореактор это биореактор с одноразовым пакетом вместо культурального сосуда. Обычно это относится к биореактору, в котором подкладка, контактирующая с культурой клеток, будет пластик, и эта облицовка заключена в более прочную конструкцию (обычно либо коромысло, либо кубовидную, либо цилиндрическую стальную опору). Коммерческие одноразовые биореакторы доступны с конца 1990-х годов.[нужна цитата ] и сейчас производятся несколькими известными производителями (Смотри ниже ) .

Одноразовая технология в биореакторах

Одноразовые биореакторы широко используются в области млекопитающих. культура клеток и теперь быстро заменяют обычные биореакторы.

Вместо сосуда для культивирования из нержавеющей стали или стекла одноразовый биореактор снабжен одноразовым мешком. Одноразовый пакет обычно изготавливается из трехслойной полиэтиленовой пленки. Один слой сделан из Полиэтилентерефталат или же LDPE для обеспечения механической устойчивости. Второй слой, сделанный с использованием ПВА или же ПВХ действует как газовая преграда. Наконец, контактный слой сделан из ПВА или же PP.[1] Для медицинских приложений одноразовые материалы, которые контактируют с продуктом, должны быть сертифицированы Европейское агентство по лекарствам или аналогичные органы, ответственные за другие регионы.

Типы одноразовых биореакторов

В целом существует два разных подхода к созданию одноразовых биореакторов, различающихся способами перемешивания культуральной среды.

В некоторых одноразовых биореакторах используются мешалки, как в обычных биореакторах, но с мешалками, встроенными в пластиковый пакет. Закрытый пакет и мешалка предварительно стерилизованы. При использовании мешок устанавливается в биореактор, а мешалка механически или магнитно соединяется с приводом.

Другие одноразовые биореакторы приводятся в движение качательным движением. Для этого типа биореактора не нужны механические мешалки внутри одноразового мешка.,.[2][3]

Одноразовые биореакторы с перемешиванием и качающимся движением используются до объема 1000 литров.

Существует несколько вариаций этих двух методов. Шейкер Kuhner,[4] изначально был разработан для приготовления сред, но также может использоваться для культивирования клеток. Технология воздушного колеса PBS Biotech использует плавучесть от подаваемого воздуха для обеспечения вращательной силы мешалки.

Измерение и контроль

Измерение и контроль процесса культивирования клеток с использованием одноразового биореактора является сложной задачей, так как 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 перед использованием биореактора, как в обычном случае. Следовательно, необходимо учитывать некоторые проблемы. Пакет собирается, доставляется и хранится в сухом виде, поэтому 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 с pH-чувствительным красителем за ней. Изменение pH в культуральной среде изменяет pH и цвет красителя. Изменение цвета можно обнаружить с помощью лазера, расположенного вне сумки. Этот и другие методы неинвазивного измерения были разработаны для одноразовых биореакторов.

Одноразовый процесс

Доступны следующие этапы одноразового процесса: подготовка среды и буфера, сбор клеток, фильтрация, очистка и инактивация вирусов. Другие производители включают Cellexus с их CellMaker с системой эрлифта для производства бактерий, PBS Biotech, Inc. с новым механизмом смешивания Air-Wheel, низким сдвигом и масштабируемостью от лаборатории до cGMP (Надлежащая производственная практика ) производства и полностью интегрирован, прост в использовании www.pbsbiotech.com, а также Millipore,[5] это в первую очередь оборудование для разведки и добычи. www.millipore.com, Cytiva с ее фирменным качающимся брендом WAVE, одноразовый биореактор и Thermo Scientific [6] На сайте www.thermo.com с его традиционным подходом к перемешиванию с перемешиванием или на основе вала крыльчатки также доступны некоторые из этих технологий. Только Sartorius Stedim, PBS Biotech, Thermo Fisher и Cytiva могут предоставить полностью масштабируемое решение для полного биопроцесса от лаборатории до производства. Альянс BioProcess Systems Alliance (BPSA) - это ассоциация одноразового использования, выступающая за более широкое применение одноразового использования, включая cGMP Надлежащая производственная практика использование, которое потребует поддержки FDA. Агентство заявило на общественных форумах, что оно является основным сторонником технологии одноразового использования в целом, поскольку технология обеспечивает значительные преимущества и ценность, включая уменьшение перекрестного загрязнения и снижение промышленных затрат. FDA заявило, что не будет выпускать руководство для отрасли по одноразовому использованию, а май выпускайте вопросы и ответы на своем веб-сайте. Когда одобренная FDA производственная площадка для одноразового использования будет одобрена, откроются двери для более широкого и быстрого одноразового внедрения во всем мире. Уже одноразовое использование зарекомендовало себя как значительную экономию средств и повышение гибкости процесса и эффективности работы для биоподобных приложений, а также для стартапов в области биотехнологий и CRO. Ожидается, что развивающиеся рынки будут охватывать одноразовое использование по сравнению с нержавеющей сталью, учитывая отсутствие у них унаследованной инфраструктуры и желание снизить капитальные и эксплуатационные расходы за счет биотехнологической деятельности. Рынок сегодня составляет ок. 200 миллионов долларов и может вырасти до более чем 1 миллиарда долларов в следующие 4–5 лет.

Преимущества и недостатки

По сравнению с обычными системами биореакторов одноразовое решение имеет некоторые преимущества. Применение одноразовых технологий снижает требования к очистке и стерилизации. Некоторые оценки показывают экономию затрат более чем на 60% при использовании одноразовых систем по сравнению с биореакторами из нержавеющей стали с основными активами. В фармацевтическом производстве можно упростить сложные процедуры аттестации и валидации, что в конечном итоге приведет к значительному снижению затрат.[7] Применение одноразовых биореакторов снижает риск перекрестного загрязнения и повышает биологическую безопасность и безопасность процесса. Одноразовые применения особенно подходят для любого вида биофармацевтических продуктов.

Одноразовые биореакторы содержат меньше деталей по сравнению с обычными биореакторами, поэтому первоначальные затраты и затраты на обслуживание снижаются.

Ограничивающий фактор для использования немного Одноразовые биореакторы - это достижимый перенос кислорода, представленный удельным коэффициентом массопереноса (kL) для удельной фазовой площади (а), в результате чего получается объемный коэффициент массопереноса кислорода (kLа). Теоретически на это может повлиять более высокая подводимая энергия (увеличение скорости мешалки или частоты качания). Однако, поскольку одноразовые биореакторы в основном используются для культивирования клеток, подвод энергии ограничен хрупкой природой клеток. Более высокий вклад энергии приводит к более высоким усилиям сдвига, вызывая риск повреждения клеток.[8] В настоящее время доступны одноразовые биореакторы объемом до 1000 л; поэтому 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 настольных до полномасштабных. Существуют три проблемы для более быстрого и широкого внедрения одноразовых биореакторов: 1) более качественные и недорогие одноразовые пакеты и контейнеры, 2) больше многоразовых и одноразовых датчиков и зондов, которые могут обеспечить высококачественную аналитику, включая точки данных уровня культуры клеток в реальном времени, и 3 ) семейство биореакторов от лаборатории до производства, имеющее полный масштаб биопроцессов. Поставщики работают над улучшением материалов и характеристик пластиковых пакетов, а также над разработкой более широкого диапазона датчиков и зондов, которые позволят ученым лучше понять плотность клеток, качество и другие показатели, необходимые для повышения урожайности и эффективности продукта. Новые перфузионные устройства также становятся популярными для определенных применений в культуре клеток.

Экологические аспекты

Экологические аспекты одноразовых биореакторов важно учитывать из-за количества используемого одноразового материала по сравнению с обычными биореакторами. Полный оценка жизненного цикла Сравнение одноразовых биореакторов и обычных биореакторов не существует, но многие экологические причины поддерживают концепцию одноразовых биореакторов. Для полной оценки жизненного цикла необходимо учитывать не только производство, но и повторное использование. Даже основная часть одноразового биореактора не одноразовая, а будет постоянно использоваться повторно. Пластиковый пакет, который используется вместо сосуда для культивирования, является одноразовым, как и все интегрированные узлы, такие как датчики, трубки и мешалки. Мешок и все его части в основном сделаны из пластика, полученного из нефти. Текущие концепции рециркуляции в основном сосредоточены на сжигании, чтобы восстановить энергию, полученную из нефти, в виде тепла и электричества. Большая часть нефти в любом случае будет сожжена на электростанциях или автомобилях (цитата обязательна). Сжигание одноразовых компонентов биореакторов создает обходной путь через биохимическую инженерию 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 121 ° C и давлении 1 бар требует большого количества энергии и большого количества дистиллированной воды. Эта дистиллированная вода (часто называемая «водой для инъекций» в фармацевтической номенклатуре) должна быть приготовлена ​​также путем затрат большого количества энергии. Сравнение оценки жизненного цикла обычных и одноразовых биореакторов выглядит гораздо более благоприятным для одноразовых биореакторов. используйте биореакторы, как ожидалось раньше. Согласно отчету A. Sinclair et al.[9] Одноразовые биореакторы помогут сэкономить 30% электроэнергии для работы, 62% энергии, потребляемой для производства системы, 87% воды и, наконец, 95% моющих средств, по сравнению с обычными биореакторами.

Рекомендации

  1. ^ Барбару М., Сетте А. (2006). «Свойства материалов, используемых в одноразовых гибких контейнерах: требования и анализ». БиоФарм Интернэшнл. 11.
  2. ^ Домашняя страница WAVE-Biotech В архиве 2011-02-28 в Wayback Machine
  3. ^ биореакторы / BIOSTAT% C2% AE-CultiBag-RM / 76v4e7bqmkj / jo5ylz8z208 / mp.htm Домашняя страница BIOSTAT® CultiBag RM[постоянная мертвая ссылка ]
  4. ^ Кухнер шейкер В архиве 2011-02-15 на Wayback Machine
  5. ^ Millipore
  6. ^ Thermo Scientific
  7. ^ Морроу К.Дж. (2006). «Одноразовые биореакторы завоевывают популярность: новые компоненты и системы повышают надежность процесса и снижают затраты». Новости генной инженерии. 26 (12): 42–45.
  8. ^ Сторхас, Винфрид (1994). Биореакторы и периферия Einrichtungen: Ein Leitfaden für die Hochschulausbildung, für Hersteller und Anwender. Springer-Verlag. С. 60–61. ISBN  978-3-540-67054-4.
  9. ^ Sinclaire A., Leveen L .; и другие. (2008). «Влияние одноразовых технологий на окружающую среду». Пищевые добавки BioPharm International. Архивировано из оригинал 11 июля 2011 г.

внешняя ссылка