Fra laboratoriet og ud i industrien

En cellefabrik påvirkes ikke kun af sin genetik. Miljøet (omgivelserne), den vokser i, har også stor betydning for dens evne til at vokse og producere det ønskede produkt. I bioproduktion er dette miljø bioreaktortanken. Bioreaktorer forsøger at skabe de mest optimale forhold for cellevækst og produktivitet ved at justere pH, temperatur, iltniveau og omrøringshastighed. Dette miljø er nøje kontrolleret og overvåget, men det er ikke det naturlige habitat for cellefabrikker.

At skabe optimale betingelser kan dog være udfordrende, da hver proces varierer afhængigt af flere faktorer; det produkt, som skal fremstilles, hvilken organisme cellefabrikken er baseret på, og mediets sammensætning.

Derfor er det nødvendigt at teste forskellige betingelser i mindre laboratoriebioreaktorer, før man går videre til industriel skala. Selv med den fremgangsmåde foretages tilpasninger og kompromiser.
At forstå, hvilke faktorer og metoder, der kan justeres under procesoptimering, er derfor afgørende, når man går fra laboratorieskala til industriel skala i bioproduktion.

Bioreaktorer og bioreaktorudstyr

Bioreaktorer er beholdere, der skaber et kontrolleret miljø, hvor celler kan dyrkes.
Dette miljø muliggør optimal cellepræstation ved at regulere nøgleparametre som temperatur, pH, iltniveauer og tilførsel af næringsstoffer.
Ved at holde disse faktorer stabile sikres ensartet og effektiv produktion af biologiske produkter.
Miljøet i bioreaktoren kan justeres efter de specifikke behov for den anvendte cellefabrik.

Den mest almindelige type bioreaktor er den såkaldte kontinuerligt omrørt tankreaktor (CSTR – Continuous Stirred-Tank Reactor), se figur 1.
CSTR-systemer anvendes bredt på grund af deres skalerbarhed, lethed at kontrollere, og fleksibilitet i håndtering af forskellige typer bioprocesser.

Bioreaktoren overvåger konstant miljøet i mediet ved hjælp af sensorer, som måler vigtige parametre såsom pH, temperatur og iltniveau i realtid. Fordi disse sensorer er aktive hele tiden, kan systemet automatisk justere sig selv for at opretholde stabile betingelser.

For at sikre, at alt indhold i reaktoren er godt blandet og forsynet med ilt, anvendes mekanisk omrøring. Dette sker via motor-drevne impellere (roterende blade), som sørger for, at væsken hele tiden holdes i bevægelse. Blandingen forbedres yderligere, når der tilføjes baffles (flade plader placeret indvendigt i tanken), som bryder væskestrømmen og gør omrøringen mere effektiv.

Temperaturen styres ved hjælp af en termisk kappe (thermal jacket) omkring reaktoren.
Denne kappe kan enten varme eller køle reaktoren ved at cirkulere varmt eller koldt vand.

pH-niveauet reguleres ved at tilsætte syre (for at sænke pH) eller base (for at hæve pH). For at styre iltniveauet kan systemet enten pumpe mere luft ind eller øge impellerhastigheden, så ilten blandes bedre i væsken.

Figur 1:
Udstyret i en kontinuerlig omrørt tankbioreaktor (CSTR) forbliver stort set det samme på tværs af forskellige skalaer. En motor-drevet impeller blander indholdet, mens steril luft tilføres gennem en sparger, som skaber små bobler og øger iltoverførslen. Temperaturen kontrolleres via en termisk kappe, som cirkulerer varmt eller koldt vand for at varme eller køle reaktoren. Sensorer som pH-metre, iltprober og temperaturfølere overvåger og hjælper med at styre betingelserne inde i tanken. Et prøveudtag gør det muligt at tage prøver under kørsel for analyse.
Medier, syre og base kan tilsættes via indløbsporte eller slanger.

Opskalering

Bioreaktorer findes i mange forskellige størrelser og former, og de kan udstyres med forskellige funktioner afhængigt af anvendelsen.
Der skelnes typisk mellem tre størrelseskategorier: laboratorieskala, pilot-skala og industriskala, se figur 2.

Laboratorieskala er udgangspunktet, hvor der arbejdes med små volumen. Her testes og optimeres betingelser som pH, temperatur og næringsstofsammensætning hurtigt. Dette gør det muligt at identificere de bedste vækst- og produktionsforhold i et kontrolleret og lavrisiko miljø.
Når lovende betingelser er fundet, flyttes processen til pilot-skala, hvor der anvendes større volumener og udstyr, som mere præcist efterligner industrielle forhold. Dette trin bruges til at bekræfte, at den optimerede proces stadig fungerer effektivt i større skala, og til at identificere eventuelle udfordringer med omrøring, iltoverførsel eller styringssystemer.
Til sidst når processen industriskala, hvor den implementeres ved fuld produktionsvolumen.
Her er målet at opretholde den samme effektivitet og produktivitet som ved mindre skala, samtidig med at man håndterer de praktiske udfordringer ved drift af store bioreaktorer på en pålidelig og omkostningseffektiv måde.

Figur 2:
Sammenligning mellem bioreaktorer i laboratorie-, pilot- og produktionsskala.
Pilot-skala fungerer som et mellemliggende trin, der bruges til at undersøge, hvordan opskalering påvirker processens effektivitet fra laboratorieforsøg til industriel produktion. Når man går fra mindre til større skala, kendt som opskalering, kan processen være meget udfordrende. Dette skyldes, at mange parametre ændrer sig markant mellem skalaerne, selvom de kontrollerbare faktorer som temperatur, pH og næringsstofkoncentration holdes konstante. Opskalering kræver derfor nøje overvejelse af faktorer som blandingseffektivitet, iltoverførselsrate og varmefordeling, som alle kan have stor indflydelse på bioproduktionens succes.

Blandingseffektivitet

Mixing efficiency beskriver, hvor godt næringsstoffer, gasser og celler fordeles i en bioreaktor. Dette har stor betydning for effektiviteten af bioproduktionsprocessen, da en mere ensartet fordeling sikrer, at cellerne har korrekt adgang til nødvendige næringsstoffer og gasser som ilt. Dette bliver især vigtigt i større tanke, hvor utilstrækkelig omrøring kan føre til dannelse af heterogene zoner. Disse zoner er heterogene, fordi miljøets sammensætning adskiller sig fra andre dele af bioreaktoren. Her kan visse næringsstoffer blive begrænsede. Begrænsning af et vigtigt stof kan ændre cellernes respons på miljøet og i høj grad påvirke deres produktivitet, fordi de skal kompensere for manglen på ressourcer.

Der er mange faktorer, der påvirker mixing efficiency, herunder impellerdesign, impellerhastighed, tankgeometri og mediets viskositet. Det er derfor også disse faktorer, der kan justeres for at forbedre omrøringseffektiviteten.

Iltoverførselsrate (OTR – Oxygen Transfer Rate)

Oxygen transfer rate (OTR) beskriver, hvordan ilt overføres fra gasfasen til at blive opløst i det flydende medium. Denne faktor er meget vigtig i aerobe cellefabriksprocesser, hvor utilstrækkelig iltoverførsel kan begrænse cellevækst og produktivitet. Faktorer, der påvirker OTR, omfatter luftningshastighed (hvor meget luft der pumpes ind) og luftboblestørrelse (mange små bobler øger overfladearealet for iltoverførsel). Øget omrøring, såsom højere impellerhastighed, kan også forbedre iltoverførslen ved at bryde boblerne op i endnu mindre bobler.

Varmefordeling

Varmefordeling beskriver, hvordan temperaturen fordeles i reaktoren.
Det er vigtigt, at cellerne oplever den korrekte og ensartede temperatur, da for høje eller for lave temperaturer kan påvirke cellevækst og overlevelse. Temperaturstyring er udfordrende, fordi cellerne selv producerer energi i form af varme under væksten.
Temperaturen kan justeres ved hjælp af varmevekslere og varme-/kølekapper som forbedre varmefordelingen. Effektiv omrøring hjælper også ved at blande kolde og varme zoner og dermed udligne temperaturforskelle.

Drift af en bioreaktor

Bioreaktorer kan køres i tre hovedtilstande: batch, fed-batch og kontinuerlig drift.
Hver tilstand har sine egne fordele og vælges ud fra produkttype, cellevækstkarakteristik og proceskontrol.

Batch-proces

Batch-processen er den simpleste og mest intuitive driftsform.
Her tilsættes alle næringsstoffer (medie) til bioreaktoren fra starten, så der ikke er nogen strøm ind eller ud under fermenteringen. Derefter tilsættes cellerne (dette kaldes inokulering), og fermenteringen begynder. Der tilføjes eller fjernes intet under processen, så volumen V forbliver konstant, se figur 3. Under processen vokser cellerne, forbruger næringsstoffer og producerer produktet, indtil næringsstofferne er brugt op, eller affaldsstoffer ophobes og hæmmer væksten.
Når dette sker, stoppes processen, og produktet høstes. Batch-processer er lette at opsætte og kontrollere, men de kører ikke kontinuerligt, og produktionen skal genstartes efter hver batch.

Fed-batch-proces

Fed-batch-processen starter som en batch, med en initial mængde næringsstoffer og celler.
Men i stedet for at lade cellerne løbe tør for næringsstoffer, tilføjes mere medie gradvist i løbet af processen. Denne “fodring” holder cellerne i vækst længere og muliggør større produktionsmængder. Det betyder dog, at volumenet i reaktoren stiger over tid, og der er et indløb af medie under produktionen (se figur 3). Fed-batch er særligt nyttig, når tilsætning af alle næringsstoffer på én gang ville stresse cellerne eller få dem til at vokse for hurtigt og danne uønskede biprodukter. Når den ønskede volumen er nået, og næringsstofferne er opbrugt, stoppes processen, og produktet høstes. Fed-batch giver mere kontrol end batch og resulterer ofte i højere udbytter.

Kontinuerlig proces

Den kontinuerlige proces fungerer anderledes. Her tilføres friske næringsstoffer konstant, mens brugt medie (som ikke længere indeholder de nødvendige næringsstoffer) fjernes løbende. Fordi både tilførslen og udledningen foregår med samme hastighed, forbliver volumenet konstant (se figur 3). Dette holder cellerne i deres mest produktive fase i længere tid, så processen kan køre konstant. Produktet kan også indsamles løbende, hvilket gør metoden meget effektiv og velegnet til storskalaproduktion. Dog er kontinuerlige processer mere komplekse at styre og kræver omhyggelig overvågning.

Figur 3:
Oversigt over bioreaktordriftsformer: batch, fed-batch og kontinuerlig process (chemostat).
Pilene viser flow (F) ind og ud af reaktoren. Grafen viser, hvordan batch-processer har intet flow, fed-batch har indgående flow af medie under produktionen, og den kontinuerlige proces har lige store ind- og udgående flow. Batch og kontinuerlig drift har konstant volumen, mens fed-batch har stigende volumen over tid.

Selvom biomanufacturing generelt er mere miljøvenlig end traditionel kemisk produktion, findes der stadig områder, hvor bæredygtighed og effektivitet kan forbedres.

Hvordan man identificerer og løser disse områder, beskrives i det næste kapitel.