Jeder Prozess beginnt mit einem Projekt. Beim Entwurf eines neuen Prozesses ist eine der kritischsten Phasen, für die der Technologe verantwortlich ist, die Bildung von Anforderungen an die technologische Hauptausrüstung. Zweifellos ist im Bereich der Biotechnologie die wichtigste Ausrüstung die Kultivierungsapparatur (entweder ein Fermenter oder ein Bioreaktor).
Fermenter unterschiedlicher Bauart werden seit mehr als einem Jahrzehnt eingesetzt. Bevor Sie sich für ein Modell entscheiden, müssen Sie viele Nuancen berücksichtigen, sowohl in Bezug auf die Kapitalkosten als auch auf die Eigenschaften des Kultivierungsprozesses.
Die große Bedeutung des 21. Jahrhunderts ist der technologische Fortschritt, da neue Materialien sowohl im professionellen als auch im häuslichen Bereich Einzug gehalten haben. Die Entwicklung der Automatisierung hat es möglich gemacht, die Kosten für die Herstellung vieler Produkte erheblich zu senken. Mit der Weiterentwicklung der Technologie haben sich Einwegsysteme zu einem festen Bestandteil der modernen Gesellschaft entwickelt. Zum Beispiel bieten medizinische Einwegprodukte (z.B. medizinische Geräte und Einweggeräte) einige Vorteile in Bezug auf Bequemlichkeit und Praktikabilität für medizinische Zentren. Denn diese Geräte werden hergestellt, um Diagnosen und Behandlungen zu unterstützen. Diese Gegenstände werden in der Regel von einem praktizierenden Mediziner nur einmal oder vorübergehend für bis zu 30 Tage verwendet. Der ultimative Grund für die Herstellung medizinischer Einwegartikel sind die geringeren Herstellungskosten und die effiziente Nutzung. Außerdem wird dadurch das Risiko einer Kreuzkontamination für die Patienten reduziert.
(2) Einweg-Verbrauchsmaterialien werden seit einiger Zeit auch in Laboratorien verwendet, da sie sehr bequem und kostengünstig sind. Außerdem sind die Kosten für die Forschung und die Sorge um ungenaue Ergebnisse um ein Vielfaches wahrscheinlicher als die Kosten für Fehler. Dies liegt daran, dass die Vorschriften zur Reinigung und Sterilisation nicht eingehalten werden.
(1) Einweg-Kultursysteme setzen sich immer mehr durch, verglichen mit der Zeit vor 10 Jahren, als es sich um eine einmalige Produktion handelte. Trotzdem sind „klassische“ Fermenter aus Stahl immer noch überall im Einsatz, da sie nach wie vor die Produktionsanlagen ausstatten. Vor allem wegen ihrer Zuverlässigkeit und Langlebigkeit, neben den wichtigsten technologischen Standardmerkmalen in Design und Verfahren.
Wenn Sie vor der Option stehen, einen Prozess zu skalieren, bei dem immer ein gewisser Mangel an Eingabedaten besteht, kann es schwierig sein, alle anderen Optionen auf dem Markt in Betracht zu ziehen (im Hinblick auf die Abwägung zwischen wertvollen Geräten und Prozessanforderungen). Wir möchten unsere langjährige Erfahrung mit unseren Kunden teilen, indem wir ihre Zufriedenheit mit den Ergebnissen der Auswahl verschiedener Arten von Fermentern analysieren, basierend auf den ihnen zur Verfügung stehenden Ressourcen und Informationen.
Im nächsten Abschnitt (unten) werden wir die Hauptmerkmale bestimmter Ausführungen besprechen und untersuchen und ihre wichtigsten Vor- und Nachteile vergleichen.
Warum brauchen Sie also einen Bioreaktor?
Ein Bioreaktor (Fermenter) ist ein Apparat, der für die Anzucht von lebenden Objekten konzipiert ist: Bakterien, Pilze, Hefen, pflanzliche und tierische Zellen. Die Wahl der Leistung, des Typs und des Designs wird in erster Linie durch die biologische Zielsetzung des Produzenten bestimmt.
Es gibt mehrere Klassifizierungen dieses Gerätetyps:
- Größe: Die Laborkapazitäten von 0,5 bis 15 Litern, Pilotkapazitäten von 10 Litern bis 500 Litern, industrielle Kapazitäten von 500 Litern bis zu mehreren hundert Kubikmetern. Durch den Unterschied in der Energiezufuhr gibt es 3 Typen von Bioreaktoren mit Energiezufuhr zur Flüssig- oder Gasphase und kombinierten Typ.
Damit die ausgewählte Ausrüstung am besten mit den Eigenschaften des technologischen Prozesses korreliert, muss immer eine Risikoanalyse in allen Phasen des Produktionsprozesses durchgeführt werden, um bestimmte Risiken zu vermeiden.
- Kultur: die Kultur ist leicht anfällig für Verunreinigungen, und die Komponenten des Mediums sind teuer und die Kosten des Produkts sind ebenfalls hoch, dann ist es besser, so viel wie nur möglich mit Einwegsystemen zu eliminieren. Bei sehr hohen Produktkosten kann es sich lohnen, die Verwendung von Einwegmaterialien auf allen Stufen des Prozesses in Betracht zu ziehen (d. h. Einwegbeutel für die Herstellung von Medien und Feeds, Einwegfiltrationssysteme und Einwegsäulen für die anschließende Produktreinigung). Ist die Pflanze wiederum weniger anfällig für Verunreinigungen, sind die Kosten für das Produkt gering und es werden relativ billige Rohstoffe verwendet. Diesen Risiken muss nicht so viel Aufmerksamkeit gewidmet werden, da die Kosten für die verworfene Charge nicht wesentlich sind. In diesem Fall decken „einmalige“ Technologien die Ausgaben nicht.
Im Prinzip ist ein Fermenter (Bioreaktor) ein abgedichtetes Gefäß, meist aus Glas oder Stahl, mit einem Rührwerk und der Möglichkeit der Zu- und Ableitung von Gas- und Flüssigkeitskomponenten, die für das Zellwachstum notwendig sind. Um die Temperatur im Fermenter aufrechtzuerhalten, ist ein „Mantel“, eine Heizschlange oder eine Kombination aus beidem vorgesehen. Labor-Fermenter haben eingebaute Heizelemente, die manchmal verwendet werden. Obwohl diese Methode als archaisch angesehen werden könnte.
In der Regel wird im Fermenter der optimale pH-Wert eingehalten, der mit der Physiologie des Kulturwachstums, der Häufigkeit des Rührens und der Konzentration an gelöstem Sauerstoff (bei aeroben Prozessen) zusammenhängt. Die Kontrolle dieser Parameter sowie des Schaumniveaus (bei intensiver Belüftung), das möglicherweise zu erheblichen Produktverlusten führen kann (durch Aufschäumen und Mitreißen von Zellen zusammen mit dem Schaum), ist ein allgemein anerkannter Ansatz zur Fermentationssteuerung.
Die Regelung des Fermenterdrucks ist eher mit der Arbeitssicherheit verbunden. Manchmal ist es notwendig, spezifischere Parameter zu kontrollieren, aber deren Kontrolle ist meist technisch schwierig. Daher werden Fermenter mit verschiedenen Sensoren ausgestattet, um Parameter zu überwachen und Informationen über den Kultivierungsprozess zu erhalten und diesen zu steuern.
Bei modernen Geräten erfolgt die Steuerung über eine spezielle Einheit mit einem Controller, der ein Signal von den Sensoren erhält und an den Touchscreen weiterleitet. Dieser wiederum visualisiert das Signal, und es ist auch möglich, die gewünschten Werte der Prozessparameter einzustellen. Je nach Modifikation kann die Steuereinheit an einen Personal Computer angeschlossen werden.
Der Hauptunterschied zwischen dem Einweg-Fermenter und der „klassischen“ Stahlkonstruktion besteht darin, dass das Gefäß selbst ein steriler Einwegbeutel mit allen notwendigen Anschlüssen, einem Absorptionsgefäß und einem Kunststoffrührer ist. Dieser Beutel ist auf einem stählernen Tragrahmen-Wärmetauscher montiert, der notwendig ist, damit sich die Gase über Einwegfilter mit dem Beutel verbinden können. Außerdem werden alle eingeleiteten Flüssigkeitskomponenten separat sterilisiert, indem die sterilen Behälter angeschlossen und die Flüssigkeiten in einen Einweg-Kulturbeutel gepumpt werden, dessen Durchfluss von der Steuereinheit geregelt wird.
Wenden wir uns der Geschichte des Themas zu, so waren bis zum letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts die wichtigsten industriellen Produzenten Mikroorganismen (z. B. Bakterien, Hefen, filamentöse Pilze usw. ). Ihre Zellen haben oft eine Zellwand entwickelt, die sie resistent gegen starke hydrodynamische Regime und erhebliche Scherwirkung macht. Um die Stofftransporteigenschaften von Stahl-Fermentern und damit die Produktivität des Fermentationsprozesses zu erhöhen, wurde daher begonnen, konstruktive Lösungen anzuwenden. Dies hatte Auswirkungen auf die Zellen des Herstellers, da diese nicht als kritisch angesehen wurden. Insbesondere erreichte man die kleinste Blasengröße, sowie die Intensivierung des Stoffaustausches durch den Einsatz von Turbinenmischern oder Rushton-Mischern.
Bei der Kultivierung tierischer Zellen ohne Zellwand mit einem solchen Bioreaktordesign können die Zellen jedoch während des Mischvorgangs beschädigt werden. So muss nicht nur bei der Art des Mischers, sondern auch bei der Größe der Blasen und der Gasflussrate vieles als wesentlich angesehen werden.
Es besteht die Meinung, dass Einwegsysteme in dieser Hinsicht ideal für die Umwelt sind. Durch die Wahl des richtigen Designs von Stahl-Fermenter-Baugruppen können auch negative Auswirkungen deutlich reduziert werden. So werden bei der Kultivierung von tierischen Zellen Fermenter (Bioreaktoren) in der Regel mit einem Schneckenrührer ausgestattet, der für eine ausreichende Durchmischung beim Wachstum sorgt und sich gleichzeitig durch eine minimale Scherkraft auszeichnet.
Vergleich von Einweg- und klassischen Bioreaktoren.
Vergleichende Merkmale
Einweg-Bioreaktor
Bioreaktor in Metallausführung
Bezeichnung
Kultivierung tierischer Zellen
Bakterien, Hefen, filamentöse Pilze, tierische und pflanzliche Zellen
Grundausstattung
Vergleichsweise niedriger (vom gleichen Hersteller), aber nicht mehr als 15-20%. Bei einigen Herstellern sind die Kosten sogar höher als für eine Linie in einer Nicht-„Einweg“-Ausführung
Vergleichsweise höher (vom gleichen Hersteller), aber nicht mehr als 15-20%. Bei einigen Herstellern sind die Kosten manchmal niedriger als für eine Linie in „Einweg“-Ausführung
Verbrauchsmaterialien für den Prozess
Kaufen Sie zusätzlich zum Standardsatz weitere Verbrauchsmaterialien für jeden Zyklus des Prozesses, müssen Sie sowohl die Lieferkette als auch die Lieferzeit berücksichtigen
Standardsatz von Verbrauchsmaterialien
Stromverbrauch
Die Stufe der Sterilisation des Bioreaktors ist ausgeschlossen
Höher als bei Verwendung von Einwegsystemen, da Reinigung und Sterilisation des Bioreaktors erforderlich
Zeitaufwand für den technologischen Prozess
Es ist unmöglich, die Phase der Anlagenreinigung zwischen den Produktchargen vollständig zu eliminieren, aber sie ist deutlich kürzer
Abhängig vom Grad der Anlagenautomatisierung (CIP, SIP)
Qualifizierung
Leicht vereinfacht, keine Reinigungsqualifikation erforderlich
Vollständiges Verfahren erforderlich
Verletzung von Kulturzellen beim Rühren und Sprudeln (nur für tierische Zellen relevant)
Schwach ausgeprägt
Schwach ausgeprägt bei richtiger Auswahl der Geräteparameter
Absaugen von unerwünschten Substanzen von den Reaktorwänden
Die Materialien der Einwegsysteme sollten sorgfältig ausgewählt werden. Idealerweise sollte man zusätzliche Untersuchungen über den Einfluss dieses Faktors auf einen bestimmten Prozess durchführen.
Es ist notwendig, das richtige Material für die Herstellung des Bioreaktors zu wählen. Zusätzliche Forschung ist aufgrund ihrer breiten Anwendbarkeit nicht erforderlich
Stoffübertragungseigenschaften
Sie hängen stark von der Konstruktion des Bioreaktors ab, Einwegbeutel haben keine starren Wände und daher „schwimmt“ ihre Form ein wenig, bis sie vollständig gefüllt sind, es können sich Falten bilden.
Die Stoffübertragungseigenschaften werden bei der Konstruktion der Anlage gut modelliert
Potenzial für Verschmutzung
Gering, bei entsprechender Personalschulung
Gering, bei ordnungsgemäßer Wartung der Geräte und Schulung des Personals
Recycling
Mit dem Produktionsmaßstab ab Pilot und höher ist es notwendig, das Problem der Desinfektion von großen Einmalmengen von Einwegmaterialien unter Berücksichtigung der Einhaltung der biologischen Sicherheitsanforderungen zu lösen.
Sie erfolgt nach dem Standardschema. Die Desinfektion wird direkt im Reaktor durchgeführt, ohne dass zusätzliche Geräte (Autoklaven etc.) benötigt werden.
Außerdem benötigen tierische Zellen in der Regel eine längere Aufzuchtdauer. Je länger der Prozess dauert, desto höher sind die Risiken einer Kontamination des Endprodukts. Daher bevorzugen die Hersteller bei der Korrelation zwischen den Endkosten des Produkts und den Risiken einer Verunreinigung der Kultur oft die Verwendung von Einwegsystemen. Aber bei einer kompetenten Organisation des Produktionsprozesses unter Verwendung eines „klassischen“ Bioreaktors werden die Infektionsrisiken auf ein sehr geringes Niveau reduziert.
Es sollte auch beachtet werden, dass die Phase der Reinigung des Reaktors selbst bei der Verwendung von Einwegsystemen minimiert wird, aber die Frage der Abfallentsorgung nach der Kultivierung ist akuter.
Hersteller von Einwegsystemen behaupten, dass sie in Bezug auf die Kapitalkosten günstiger sind. Diese Aussage trifft manchmal zu, wenn man die Preise für Stahl- und „Einweg“-Bioreaktoren desselben Herstellers vergleicht (d. h. für einen Stahlrahmen, für einen Beutel mit einem Mantel und einer Steuereinheit), aber der Preisunterschied (wenn überhaupt) ist unbedeutend, da er etwa zwischen 15-20% des Preises kosten würde.
Gleichzeitig sind Einwegsysteme, gemessen an den aktuellen Prozesskosten, deutlich teurer, da nur wenige Unternehmen über eine ausreichende technische Ausstattung und ein ausreichendes Designpotenzial verfügen, um qualitativ hochwertige Einweg-Kultivierungssysteme herzustellen. Bei der Verwendung von Einwegsystemen besteht immer die Möglichkeit, dass während der Kultivierung unerwünschte Substanzen in das Nährmedium extrahiert werden, was zusätzliche Risiken für die Reduzierung der Produktivität des Prozesses bedeutet.
Dadurch ergeben sich gesonderte Anforderungen an die Materialien. Die Qualität der Einwegsysteme ist hoch. Allerdings ist die Herstellung eines Einweg-Arbeitsteils des Bioreaktors kostspielig. Es stellt sich heraus, dass die Anschaffung eines Einweg-Bioreaktors bei jedem neuen Produktionszyklus mit erheblichen Kosten verbunden ist. Darüber hinaus auf sein Hauptarbeitsteil, was sich rechtfertigt, wenn die Kosten für dieses „Verbrauchsmaterial“ niedriger sind als andere laufende Kosten der Fermentation oder des Produktionsausfalls aus seinem Zyklus.
Zu den weiteren „Fallstricken“ beim Betrieb von Einwegsystemen gehören:
- unvorhergesehene Ausfallzeiten im Produktionsprozess aufgrund von Frachtverzögerungen am Zoll;
- ein „Einweg“-Bioreaktor kann nicht ohne einen Einweg-Kulturbeutel betrieben werden;
- kommt es aus verschiedenen Gründen zu einem unvorhergesehenen Stillstand in der Produktion, so können die zuvor eingekauften Materialien verfallen und damit auch die Qualitätsgarantie des Herstellers.
Zur Vereinfachung der Risikobewertung haben wir diese und andere Faktoren in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
In Anbetracht all dessen kann man schlussfolgern, dass für klassische Fermentationsprozesse Stahlreaktoren kostengünstiger sein werden. Darüber hinaus ist es für die Kultivierung von tierischen Zellen notwendig, sorgfältig an die Planung des Prozesses heranzugehen und alle Risiken und Produktionsmöglichkeiten zu bewerten und zu berücksichtigen.
