Все, что вам следует знать о процессе масштабирования биореактора

Любой инженер может подтвердить, насколько сложным и сложным может стать масштабирование биореактора. По сути, это подразумевает масштабирование процесса ферментации — то, что требует пристального внимания к деталям, времени и взаимодействия всех видов изменений окружающей среды.

Поскольку это подробный процесс, вам необходимо рассмотреть различные меры для успешного масштабирования. В этом подробном руководстве мы рассмотрим все, что вам следует знать о процессе. Мы углубимся в то, что подразумевает масштабирование, различные виды масштабирования и факторы масштабирования, которые следует иметь в виду.

Что подразумевает масштабирование?

Масштабирование биореактора — это процесс увеличения рабочих объемов ферментации от мелкомасштабной до крупномасштабной.

Маломасштабная ферментация имеет важное значение в исследованиях и тестировании. Однако после изучения всех параметров или переменных необходимо перейти к крупномасштабной ферментации. Именно в этот момент происходит масштабирование.

Масштабирование может быть сложным, дорогим и отнимающим много времени. Но если все сделано правильно, результатом будет эффективный, долгосрочный дубликат версии малого масштаба. Вот шаги, которым нужно следовать.

1. Подготовка

Правильно организованное планирование и подготовка к масштабированию биореактора напрямую определяют успех вашего биопроцесса. Именно на этом этапе вы выбираете между различными параметрами масштабирования биореактора и определяете различные факторы, включая:

• Ожидаемые результаты: Четко определите спрос на ваш продукт и какой уровень производства вы пытаетесь достичь в более крупных масштабах. Наличие реалистичных конечных целей позволит вам знать, когда и где начать масштабирование.
• Рабочий режим: Перед масштабированием важно знать, как долго и как часто будет использоваться реактор. Это поможет вам выбрать метод масштабирования и тип биореактора, который вам нужен для увеличения производства. Например, если вы предпочитаете одноразовые биореакторы, масштабируйте в соответствии со временем очистки.
• Проведите анализ данных ферментации: это даст вам представление о том, какие потери вы несете при очистке продукта в большем масштабе по сравнению с меньшим.

2. Консультация

Scaling up a bioreactor must involve experienced and skilled hands as this is a rather complicated and sensitive process. If you don’t have the know-how of how to navigate through the scale up, reach out to experts in the field. Find certified engineers and other technicians who have already handled the scale up needed.

3. Тестирование

Перед масштабированием биореактора проверьте различные параметры с помощью лабораторного биореактора.

A bench scale is the smallest footprint bioreactor with an appropriate size for fundamental research and testing. Therefore, combining a bench scale’s capabilities with more complex methods for large-scale production will help you achieve a successful scale-up.

Вот почему небольшие и недорогие лабораторные биореакторы очень полезны для прогнозирования того, насколько эффективным будет крупномасштабный биореактор с точки зрения этих параметров.

4. Масштабирование

После должной осмотрительности настало время для самой процедуры. Но перед этим вам нужно учесть различные факторы. Более того, существуют различные способы масштабирования биореактора — которые мы собираемся обсудить.

5. Оцените результаты

Начало этого следующего шага включает сравнение текущих результатов с начальным производством в конце процедуры масштабирования, чтобы определить, является ли весь процесс успешным. Поэтому, чтобы оценить это, вам необходимо рассчитать отношение от фазы меньшего масштаба к фазе большого масштаба с помощью калькулятора масштабирования биореактора.

Это не разовое мероприятие, а постоянный процесс, который следует выполнять, чтобы убедиться, что масштабирование всегда проходит успешно.

Bioreactor Scale up Methods

Существует три основных метода масштабирования биореактора. Каждый метод отличается, и вы можете выбрать тот, который лучше всего подходит для производственных нужд. Ниже приведена полная схема каждого метода.

1. Масштабирование по объему

Масштабирование по объему просто подразумевает увеличение скорости производства в фиксированном соотношении. Оно влечет за собой увеличение мощности и размера уже существующего биореактора.

Биореакторы с перемешивающим устройством являются наиболее распространенным вариантом для масштабирования. Это связано с тем, что они отвечают требованиям отрасли благодаря способности эффективно смешивать жидкости и облегчать перенос кислорода.

В зависимости от желаемых уровней производства можно выбрать один из трех масштабов. Это:

• Лабораторные масштабы: Объемы варьируются от 0,5 до 10 л. Эти масштабы обычно применяются для мелкосерийного производства и в целях тестирования. Они полезны, если вы хотите проверить поведение клеточных культур.
• Pilot scale – Пилотные биореакторыдиапазон от 50 л до 200 л. Они в основном используются для мелкосерийных операций или тестирования, чтобы дать толчок разработке продукта перед увеличением производства до более крупных масштабов.
• Industrial scale – Between 500l and 5000l after scale-up for large-scale production. It is the commercialization stage, allowing you to produce larger quantities.

Преимущества масштабирования по объему

• Условия остаются постоянными, и все клетки растут в одной и той же среде, давая идентичные результаты.
• Имеется возможность масштабирования до желаемого количества продукции.

Недостатки масштабирования по объему

• Масштабирование по объему — сложная задача. Это связано с тем, что существует множество факторов, которые необходимо учитывать и поддерживать постоянными по мере увеличения производства.
• Этот метод требует много времени, поскольку включает в себя множество факторов, которые необходимо учитывать для получения сбалансированных результатов.
• Всегда существует большой риск неудачи, даже после тщательного изучения условий в одной шкале и применения их к другой шкале.
• Это может быть дорого, особенно если при обнаружении даже малейшего загрязнения приходится выбрасывать всю партию.

2. Масштабирование по единицам

В отличие от концепции масштабирования биореактора путем увеличения мощности существующего оборудования, масштабирование по единицам подразумевает увеличение количества биореакторов. Это означает, что каждый биореактор имеет небольшой объем, а их мощности суммируются до желаемого масштаба производства.

Вот некоторые ресурсы, которые вы можете использовать для реализации этого метода:

1. Roller bottles – The medium is added at the bottom and the adherent cells attach to the walls as the bottle rolls. This means that the cells get a constant supply of medium on a larger scale. This is why roller bottles were previously used for vaccine production.

   

2. T-flasks – They have vented  filter caps which allow gas exchange to take place. You can also fill them with any volume and use them to grow cells for various purposes.

Преимущества

• Чтобы увеличить производительность, просто добавляйте больше роллерных бутылок или Т-образных колб, пока не достигнете желаемого результата.
• You don’t need to go through the process of purchasing a new bioreactor and it is proven to produce reliable results.
• Масштабирование менее затратно. В случае загрязнения вы можете снять или заменить загрязненную колбу или бутылку, не неся больших затрат.

Недостатки

• Чем больше ресурсов вы добавляете для увеличения масштабов производства, тем больше места и рабочей силы вам требуется.
• Бутылки и колбы могут отличаться по своим характеристикам, поэтому качество результатов может отличаться.

3. Биореакторы одноразового использования

С развитием технологий в биотехнологической промышленности одним из самых захватывающих нововведений стал одноразовый биореактор. Вместо стекла или нержавеющей стали одноразовый биореактор включает в себя одноразовый мешок в постоянной структуре, такой как цилиндр.

Эти типы биореакторов используются для выращивания клеток в больших масштабах для различных процессов. Но они также полезны при масштабировании биореактора.

Вместо того чтобы приобретать новый биореактор или добавлять дополнительные ресурсы к существующему, вы можете использовать одноразовый биореактор, чтобы увеличить масштабы производства, сохраняя при этом все условия постоянными.

Преимущества

• Биореактор одноразового использования экономит время. Вам просто нужно установить его отдельно, не влияя на работу вашего текущего биореактора.
• Одноразовые мешки удобны тем, что экономят труд и время, которые пришлось бы потратить на очистку обычного биореактора.
• You don’t have to incur any validation costs once you test and approve that theбиореакторы одноразового использования подходят для вашего типа и масштаба производства.

Недостатки

• Масштабирование ограничено всего 2000 л. Более высокий объем, скорее всего, приведет к перерастяжению и разрыву мешка.
• Одноразовые биореакторы стоят дорого, особенно если вам нужен пластиковый пакет самого высокого качества. Выбор более дешевых, некачественных может привести к тому, что пластик попадет в ваши продукты и повлияет на качество.

Факторы, которые следует учитывать при масштабировании биореактора

Масштабирование биореактора — сложный процесс, в котором необходимо учитывать множество факторов. Эти условия могут напрямую или косвенно влиять на эффективность масштабирования и общее качество производства. Они включают в себя:

1. кЛа

kLa — это просто мера того, как газы превращаются в жидкости. Суть этого параметра — помочь вам определите пределы вашего биопроцесса. На него влияют типы и количество газов в системе биореактора, поскольку высокий показатель kLa означает, что ваша система способна эффективно переносить кислород.

2. Время смешивания

Вам также следует учитывать период времени, необходимый для достижения однородности жидкости. Это называется временем смешивания.

Mixing time is directly influenced by the type of bioreactor and the rate of stirring. It is a crucial factor that will help you determine if you have to change your bioreactor’s configuration as you scale up.

3. Масштаб

Перед масштабированием вы должны понимать мощность вашего биореактора и то, насколько вы хотите достичь производительности. Это поможет вам достичь баланса для всех условий эксплуатации и гарантировать, что масштабирование биореактора не повлияет на качество вашей продукции.

4. Физические факторы

Масштабирование подразумевает увеличение размера производства, что может привести к сокращению пространства для некоторых процессов и реакций. Поэтому вам необходимо убедиться, что вы оставляете достаточно пространства для разработки формул газов, образования пены и пузырьков, а также эффективного смешивания.

Другие физические факторы, которые влияют на масштабирование биореактора, включают геометрию оборудования, аэрацию и теплопередачу. Это все важные параметры, которые следует учитывать для эффективного масштабирования.

5. Газоперенос

Газопередача относится к скорости, с которой газы поступают в биореактор в зависимости от давления и режима впрыска. Это также важный параметр, поскольку он напрямую влияет на образование пены и концентрацию клеток в различных производственных масштабах.

Как повысить эффективность вашего масштабирования

Результаты масштабирования вашего биореактора напрямую влияют на количество и качество ваших процессов. Поэтому вот несколько способов повысить эффективность масштабирования для достижения наилучших возможных результатов.

1. Используйте данные: данные имеют решающее значение для любого биопроцесса, особенно для ферментации. использовать аналитику данных для увеличение масштаба биореактора, вам необходимо определить тенденции и закономерности в разных масштабах в процессе масштабирования, чтобы спрогнозировать производительность. Более того, использование калькулятора масштабирования биореактора сэкономит вам много усилий и денег по сравнению с выполнением всего вручную.
2. Поддерживайте постоянство среды: при постепенном увеличении масштабов производства поддерживайте постоянство клеточной среды, чтобы можно было эффективно сравнивать качество продукции и метаболические процессы.
3. Внимательно следите за масштабированием: для достижения наилучших результатов регулярно отслеживайте и контролируйте ключевые условия и параметры, такие как температура, pH и уровень кислорода.
4. Выберите правильный метод: Три основных метода масштабирования вашего биореактора различаются по эффективности в зависимости от типа вашего биореактора, масштаба и ожидаемых результатов. Выбирайте между ними с умом.
5. Test extensively – Before moving forward on any expansion or modification, carry out real-world experiments or virtual simulations to avoid incurring costs on untested processes.

Заключение

When undertaking such an arduous process as a bioreactor scale up, it’s crucial to perform research and plan ahead. This entails understanding bioreactors and how they work, assessing possible risks, and taking into account various factors.

Вам также необходимо понимать различные критерии масштабирования биореакторов, ставить реалистичные цели и принимать все возможные меры для получения максимальной отдачи от масштабирования.

Одной из мер является партнерство с лучшими профессионалами в отрасли. В Bailun Technologies мы предлагаем лучшие решения для ваших потребностей в биообработке.

Вы готовы масштабировать свой биореактор до следующего уровня? Если да, свяжитесь с нами сегодня и поговорите с нашей опытной командой экспертов.