一次性反應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)放大的一次性反應器解決方案是否可以解決？傳質、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)中尤其嚴重，并且經(jīng)常限制一次性反應器的應用。
我們將介紹此類系統(tǒng)開發(fā)中需要克服的技術挑戰(zhàn)，如泡沫檢測、pH測量、可放大性、傳熱、混合和傳質。通過工程表征原則標準指南進行測量，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)可放大一次性反應器進行微生物工藝開發(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指導原則進行工藝表征
圖1:DECHEMA表征原則
工藝工程表征
■攪拌速度
■最大工作體積
■通過電導率/脫色測定的混合時間
■基于罐體和電機幾何結構/扭矩測定的功率輸入
■pO2具有良好傳感器響應時間(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))的關鍵生物學表征結果:
■ 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補料分批大腸桿菌培養(yǎng)模型(方形)與Univessel® Glass 5L生物反應器(圓形)的比較
注：所示600nm波長(藍色)、生長速度(深粉色)、乙酸(藍綠色)和葡萄糖濃度(紫色)。虛線表示補料。
| Biostat STR® 50 L系統(tǒng)具有Biobrain®自動化平臺,可以進行可靠的規(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)的關鍵生物學表征結果。陰影區(qū)域顯示補料分批開始前的分批培養(yǎng)。垂直虛線表示一次性加入補料2(灰色)。未顯示分批模型結果，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(藍色)、比生長速度μ(深粉色)、細胞濕重(深藍色實方塊)、細胞干重(深藍色空方塊)、葡萄糖濃度(紫色)和乙酸濃度(藍綠色)。
表2:Biostat STR® 50 L補料分批參數(shù)
平臺經(jīng)過良好表征
能夠實現(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)模的分批和補料分批模式下均具有重現(xiàn)性，可以加速和優(yōu)化細胞系篩選工藝開發(fā)，提高開發(fā)生產(chǎn)平臺的可靠性?？梢圆捎脴藴驶姆绞教岣吖に嚠a(chǎn)量。
因此，最初采用Ambr®平臺開發(fā)的生物模型可以順利轉移到更大的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行工藝放大。盡管Ambr®(光學)和STR®(電容)泡沫測量原理不同，兩種系統(tǒng)均可避免產(chǎn)生過量泡沫導致排氣過濾器堵塞，支持高密度細胞培養(yǎng)。賽多利斯一次性發(fā)酵罐的幾何相似性均基于經(jīng)典的攪拌漿設計，易于進行工藝放大，可在一次使用罐體和多次使用反應器設計之間進行切換。
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，具有先進的自動化技術，采用創(chuàng)新過程分析工具、快速設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，可用于要求嚴格的生產(chǎn)工藝，在較高的行業(yè)標準下也能獲得可重現(xiàn)的結果。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)模放大和技術轉移階段，Ambr®和Biostat®平臺可用于表征工藝并降低風險。
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，突破多次使用與一次使用培養(yǎng)系統(tǒng)通用技術的界限。
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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參考資料
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