一次性反應(yīng)器是否適合微生物工藝開發(fā)？
現(xiàn)代微生物工藝開發(fā)和中試生產(chǎn)遇到的難題，大體積且可連續(xù)放大的一次性反應(yīng)器解決方案是否可以解決？傳質(zhì)、傳熱、混合、泡沫形成等問題在更高生長和生產(chǎn)速率的微生物培養(yǎng)中尤其嚴(yán)重，并且經(jīng)常限制一次性反應(yīng)器的應(yīng)用。
我們將介紹此類系統(tǒng)開發(fā)中需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)，如泡沫檢測、pH測量、可放大性、傳熱、混合和傳質(zhì)。通過工程表征原則標(biāo)準(zhǔn)指南進(jìn)行測量，驗證不同生產(chǎn)規(guī)模之間的一致性。
我們還將討論使用連續(xù)可放大一次性反應(yīng)器進(jìn)行微生物工藝開發(fā)的優(yōu)勢，如賽多利斯一次性Biostat® STR微生物培養(yǎng)系統(tǒng)。我們將展示系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，包括與賽多利斯Ambr®等現(xiàn)有系統(tǒng)的表征數(shù)據(jù)比較，以及展示現(xiàn)有系統(tǒng)可放大性的工業(yè)實例研究。
根據(jù)DECHEMA指導(dǎo)原則進(jìn)行工藝表征
圖1:DECHEMA表征原則
工藝工程表征
■攪拌速度
■最大工作體積
■通過電導(dǎo)率/脫色測定的混合時間
■基于罐體和電機(jī)幾何結(jié)構(gòu)/扭矩測定的功率輸入
■pO2具有良好傳感器響應(yīng)時間(11s)
■通過排氣法測定的kLa
圖2:水冷卻能力：34 K/h
注：高細(xì)胞密度大腸桿菌培養(yǎng)過程中的冷卻能力(包括代謝熱)：21 k/h
用于篩選和工藝優(yōu)化的Ambr®平臺
Ambr® 250 Modular(模塊培養(yǎng)系統(tǒng))的關(guān)鍵生物學(xué)表征結(jié)果:
■ OTR和混合特性可支持不同水平的高密度培養(yǎng)
■ 與5 L臺式Univessel®和更大規(guī)模分批培養(yǎng)模型具有相似的結(jié)果(趨勢圖未顯示)，分批生長數(shù)據(jù)參見表2和表3。
圖3 :Ambr®250 Modular補(bǔ)料分批大腸桿菌培養(yǎng)模型(方形)與Univessel® Glass 5L生物反應(yīng)器(圓形)的比較
注：所示600nm波長(藍(lán)色)、生長速度(深粉色)、乙酸(藍(lán)綠色)和葡萄糖濃度(紫色)。虛線表示補(bǔ)料。
| Biostat STR® 50 L系統(tǒng)具有Biobrain®自動化平臺,可以進(jìn)行可靠的規(guī)模放大，并用于商業(yè)化生產(chǎn)
圖4顯示Biostat STR®微生物培養(yǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵生物學(xué)表征結(jié)果。陰影區(qū)域顯示補(bǔ)料分批開始前的分批培養(yǎng)。垂直虛線表示一次性加入補(bǔ)料2(灰色)。未顯示分批模型結(jié)果，分批生長數(shù)據(jù)見表2和表3。
圖4：Biostat STR® 50 L微生物培養(yǎng)系統(tǒng)中的補(bǔ)料分批大腸桿菌培養(yǎng)模型
注：所示為分批階段y = 0.71 e0.60 t(R = 0.998)和補(bǔ)料分批階段y = 16 e0.13 t(R = 0.995)(淺粉色))的對數(shù)光密度log(OD600)指數(shù)擬合。此外，還顯示了光密度OD600(藍(lán)色)、比生長速度μ(深粉色)、細(xì)胞濕重(深藍(lán)色實方塊)、細(xì)胞干重(深藍(lán)色空方塊)、葡萄糖濃度(紫色)和乙酸濃度(藍(lán)綠色)。
表2:Biostat STR® 50 L補(bǔ)料分批參數(shù)
平臺經(jīng)過良好表征
能夠?qū)崿F(xiàn)生物一致性培養(yǎng)
表3:Ambr® 250 Modular和Biostat STR® 50L培養(yǎng)系統(tǒng)的結(jié)果
*不包括頂部氣體交換(HSE)。**包括頂部氣體交換(HSE)。
一次性培養(yǎng)系統(tǒng)
是否可以替代多次使用反應(yīng)器？
成功的微生物發(fā)酵工藝需要通過適宜的攪拌速度和通氣速度進(jìn)行有效氧氣供給并提高kLa值，同時實現(xiàn)可靠的溫度控制。Ambr® 250和Biostat STR®微生物培養(yǎng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置經(jīng)過優(yōu)化，此類一次性培養(yǎng)系統(tǒng)可以替代多次使用反應(yīng)器，用于微生物培養(yǎng)工藝開發(fā)和商業(yè)化生產(chǎn)。研究顯示Ambr®和Biostat®一次性平臺之間的工藝放大具有可靠性和一致性。
在所有培養(yǎng)規(guī)模，Ambr®和Biostat®平臺的kLa大于675 h−1。生長數(shù)據(jù)(µ)和最大生物量(OD600)在不同規(guī)模的分批和補(bǔ)料分批模式下均具有重現(xiàn)性，可以加速和優(yōu)化細(xì)胞系篩選工藝開發(fā)，提高開發(fā)生產(chǎn)平臺的可靠性?？梢圆捎脴?biāo)準(zhǔn)化的方式提高工藝產(chǎn)量。
因此，最初采用Ambr®平臺開發(fā)的生物模型可以順利轉(zhuǎn)移到更大的Biostat STR®微生物培養(yǎng)系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)均可針對泡沫控制進(jìn)行工藝放大。盡管Ambr®(光學(xué))和STR®(電容)泡沫測量原理不同，兩種系統(tǒng)均可避免產(chǎn)生過量泡沫導(dǎo)致排氣過濾器堵塞，支持高密度細(xì)胞培養(yǎng)。賽多利斯一次性發(fā)酵罐的幾何相似性均基于經(jīng)典的攪拌漿設(shè)計，易于進(jìn)行工藝放大，可在一次使用罐體和多次使用反應(yīng)器設(shè)計之間進(jìn)行切換。
賽多利斯一次性微生物培養(yǎng)系統(tǒng)
助力微生物工藝開發(fā)
Ambr®平臺提供了高通量平行實驗策略，具有先進(jìn)的自動化技術(shù)，采用創(chuàng)新過程分析工具、快速設(shè)置和高性能過程控制以及自動采樣，特別適用于研發(fā)和工藝開發(fā)。
賽多利斯Biostat STR®微生物培養(yǎng)系統(tǒng)可提供一次性發(fā)酵罐，非常適合基于Ambr®250的工藝放大研究，可用于要求嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝，在較高的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下也能獲得可重現(xiàn)的結(jié)果。通過賽多利斯BioPAT®平臺和Biobrain®自動化平臺，該系統(tǒng)可利用最新研發(fā)的過程分析工具提高自動化水平。
在規(guī)模放大和技術(shù)轉(zhuǎn)移階段，Ambr®和Biostat®平臺可用于表征工藝并降低風(fēng)險。
賽多利斯正在為一次性微生物培養(yǎng)系統(tǒng)研究整套規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)，突破多次使用與一次使用培養(yǎng)系統(tǒng)通用技術(shù)的界限。
對于客戶所需要的在快速變化的環(huán)境中尋求穩(wěn)健和靈活的工藝，賽多利斯可以幫助這些客戶創(chuàng)造更多價值。
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