Одноразовый биореактор или одноразовый биореактор является биореактором с одноразовым мешком вместо сосуда для культивирования. Обычно это относится к биореактору, в котором подкладка, контактирующая с культурой клеток, будет пластиковой , и эта облицовка заключена в более прочную структуру (как правило, рокер, кубовидную или цилиндрическую стальную опору). Коммерческие одноразовые биореакторы доступны с конца 1990-х годов [ необходима цитата ] и в настоящее время производятся несколькими известными производителями ( см. Ниже ).
Одноразовая технология в биореакторах
Одноразовые биореакторы широко используются в области культивирования клеток млекопитающих и в настоящее время 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 изготовлен из полиэтилентерефталата или полиэтилена низкой плотности для обеспечения механической устойчивости. Второй слой из ПВС или ПВХ действует как газовый барьер. Наконец, контактный слой делают из ПВА или ПП . [1] Для медицинских приложений одноразовые материалы, которые контактируют с продуктом, должны быть сертифицированы Европейским агентством по лекарственным средствам или аналогичными органами, ответственными за другие регионы.
Типы одноразовых биореакторов
В общем, 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 возбуждаются качающимся движением. Для этого типа биореактора не требуются механические мешалки внутри одноразового мешка.,. [2] [3]
Одноразовые биореакторы как с перемешиванием, так и с качающимся движением используются в объеме до 1000 литров.
Существует несколько вариантов этих двух методов. Шейкер Kuhner [4] был первоначально разработан для приготовления сред, но также может использоваться для культивирования клеток. Технология воздушного колеса PBS Biotech использует плавучесть от подачи воздуха для обеспечения вращательной силы мешалки.
Измерение и контроль
Измерение и контроль процесса культивирования клеток с использованием одноразового биореактора являются сложной задачей, 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 использования 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 снаружи 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 со своим CellMaker с эрлифтной системой для производства бактерий, PBS Biotech, Inc. с новым механизмом смешивания с воздушным колесом, низким сдвигом и масштабируемостью от лаборатории до производства cGMP ( Надлежащая производственная практика ) и полностью интегрированный, простой использовать www.pbsbiotech.com, а также Millipore [5], который в первую очередь представляет собой оборудование для разведки и добычи, www.millipore.com, Cytiva с качалкой марки WAVE, одноразовый биореактор и Thermo Scientific [6] www.thermo.com с ее Традиционный подход к перемешиванию с перемешиванием или на основе вала крыльчатки также имеет 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. BioProcess Systems Alliance (BPSA) - это ассоциация одноразового использования, выступающая за более широкое применение одноразового использования, включая использование надлежащей производственной практики cGMP, для чего потребуется поддержка FDA. Агентство заявило на общественных форумах, что оно является основным сторонником технологии одноразового использования в целом, поскольку эта технология обеспечивает значительные преимущества и ценность, включая уменьшение перекрестного загрязнения и снижение промышленных затрат. FDA заявило, что не будет выпускать отраслевые инструкции по одноразовому использованию, но может публиковать 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 сократить капитальные и эксплуатационные затраты в сфере биотехнологий. На рынке сегодня 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. По некоторым оценкам, при использовании одноразовых систем экономия затрат составляет более 60% 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 сокращению 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.
Ограничивающим фактором для использования некоторых одноразовых биореакторов является достижимый перенос кислорода, представленный удельным коэффициентом массопереноса (k L ) для конкретной фазовой области (a), в результате чего получается объемный коэффициент массопереноса кислорода (k L a). . 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 высокая подводимая энергия 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. Однако несколько поставщиков в настоящее время поставляют устройства 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, в которой реализован 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. Полная оценка жизненного цикла, сравнивающая одноразовые биореакторы и обычные биореакторы, не существует, но многие экологические причины поддерживают концепцию одноразовых биореакторов. Для полной оценки жизненного цикла необходимо учитывать не только производство, но и многократное 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 сжигаться на электростанциях или автомобилях (ссылка 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 каждой ферментации . Для очистки требуется большое количество воды, помимо 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 с большим расходом энергии. Сравнение оценки жизненного цикла обычных и одноразовых биореакторов выглядит гораздо более благоприятным для одноразовых биореакторов, как ожидалось ранее. 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
- ^ Barbaroux М., Sette А. (2006). «Свойства материалов, используемых в одноразовых гибких контейнерах: требования и анализ». БиоФарм Интернэшнл . 11 .
- ^ WAVE-Biotech страница архивации 2011-02-28 в Wayback Machine
- ^ биореакторы / BIOSTAT% C2% AE-CultiBag-RM / 76v4e7bqmkj / jo5ylz8z208 / mp.htm Домашняя страница BIOSTAT® CultiBag RM [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Kuhner шейкер архивации 2011-02-15 в Wayback Machine
- ^ Миллипор
- ^ Thermo Scientific
- ^ Морроу К.Дж. (2006). «Одноразовые биореакторы завоевывают популярность: новые компоненты и системы повышают надежность процесса и снижают стоимость» . Новости генной инженерии . 26 (12): 42–45.
- ^ 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.
- ^ Sinclaire A., Leveen L .; и другие. (2008). «Влияние одноразовых технологий на окружающую среду» . Биофарм Интернэшнл БАД . Архивировано из оригинала на 2011-07-11.