이 결정을 한 줄로 요약하자면 다음과 같습니다: 부피가 증가함에 따라 세포 행동을 안정적으로 유지하는 바이오리액터를 선택하십시오, 헤드라인 용량에서만 좋아 보이는 것을 선택하지 마십시오.
생물공정 엔지니어, 세포 배양 과학자, 배양육 R&D 팀에게, 대부분의 후보는 STR, 에어리프트, 록킹 시스템, 고정층/충전층, 그리고 중공섬유와 같은 퍼퓨전 형식으로 좁혀집니다 . 저는 다음과 같은 짧은 프로세스 제한에 대해 평가할 것입니다: 산소 전달, 혼합 시간, 전단, CO₂ 제거, 열 제거, 감지, 및 수확 경로. 이 기사에서는 또한 한 가지 점을 매우 명확히 하고 있습니다: 약 10^7 cells/mL을 넘어서면산소 수요와 전단이 종종 서로 충돌하기 시작합니다.
한눈에 보면, 여기서 얻을 수 있는 것은 다음과 같습니다:
- STRs는 규모 확장을 위한 가장 많이 사용되는 경로이며 약 20,000 L , 까지 도달할 수 있지만, 임펠러와 스파징은 전단에 민감한 세포를 손상시킬 수 있습니다.
- 에어리프트 반응기는 기계적 스트레스를 줄이고 매우 큰 부피에 적합할 수 있지만, 데이터베이스는 STRs에 비해 여전히 부족합니다.
- 록킹 시스템은 부드럽고 시드 트레인 작업에 유용하지만, 보통 약 6,000 L . 에서 최고치를 기록합니다.
- 고정층 및 충전층 시스템은 부착 의존성 세포에 적합하지만, 수확이 더 어렵고 용기당 출력이 종종 낮습니다.
- 퍼퓨전은 배양을 10^7 to 10^8 cells/mL , 로 밀어 넣을 수 있으며, 경우에 따라 10^8 to 10^9 cells/mL, 로 밀어 넣을 수 있지만, 더 엄격한 제어와 세포 유지가 필요합니다.
- 중공사 섬유는 매우 높은 밀도로 작동할 수 있지만, 규모는 종종 하나의 큰 용기보다는 병렬 유닛으로 처리됩니다.
- 주요 규모 확대 실패 지점은 산소 제한, CO₂ 축적, 전단 손상, pH 구배, 대사물 축적, 온도 제어.
- 구매 전에, 축소 데이터, CFD 작업, 파일럿 실행, 규모 간 센서 비교 가능성.
실험실에서 생산으로 단일 사용 바이오리액터 확장 - TECNIC
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빠른 비교
| 플랫폼 | 최적의 적합성 | 주요 제한점 | 스케일 신호 |
|---|---|---|---|
| STR | 현탁액 또는 마이크로캐리어 | 임펠러와 기포로 인한 전단 | 최대 ~20,000 L |
| 에어리프트 | 전단 민감성 현탁 배양 | STR보다 적은 프로세스 이력 | >20,000 L 이론적으로 논의됨 |
| 록킹 | 시드 트레인 및 부드러운 확장 | 낮은 스케일 한계 | 최대 ~6,000 L |
| 고정-/포장-베드 | 부착 세포 및 조직 중심 성장 | 수확이 더 어려움 | 중규모 |
| 관류 | 고밀도 배양 | 더 많은 제어 하드웨어 및 모니터링 | 용기 의존적 |
| 중공 섬유 | 전문 고밀도 실행 | 오염 및 제한된 단일 유닛 규모 | 병렬 배치 |
내 의견: 올바른 선택은 보통 반응기 레이블보다는 세포 부착 필요성, 전단 환경, 최대 밀도 목표, 그리고 프로세스가 배치, 피드 배치, 또는 관류. 로 실행되어야 하는지에 더 관련이 있습니다.그것은 내가 어떤 공급업체와 이야기하기 전에 사용할 필터입니다.
배양육 규모 확장을 위한 바이오리액터 플랫폼
배양육 규모 확장을 위한 바이오리액터 플랫폼 비교
모든 바이오리액터 플랫폼은 혼합, 산소 전달, 전단 및 규모 간의 절충을 강요합니다. 실제로 최선의 선택은 세포의 생물학, 부착할 표면이 필요한지 여부, 처리할 수 있는 유체역학적 스트레스의 양, 목표로 하는 생산 규모에 따라 달라집니다. 플랫폼을 비교하는 유용한 방법은 간단합니다: 각 플랫폼이 세포 유형, 공정 모드 및 규모 목표.
에 얼마나 잘 맞는지를 보는 것입니다.교반 탱크 및 에어리프트 시스템
교반 탱크 반응기(STRs)는 여전히 배양육 세포 배양을 위한 가장 확립된 옵션이며, 약 20,000리터 [1]. 까지 규모 확장이 가능합니다.그들은 대량 혼합, 세포 현탁 및 산소 전달을 위해 임펠러에 의존하며, 이는 현탁 배양 및 마이크로캐리어 기반 공정에 실용적인 적합성을 제공합니다.
문제는 전단입니다. 임펠러 구동 흐름과 스파저에서의 기포 파열은 동물 세포를 손상시킬 수 있는 힘을 생성할 수 있습니다. 이러한 이유로, 전단 내성은 각 세포주에 대해 초기 단계에서 매핑되어야 하며, 공정이 이미 고정된 후에 추측해서는 안 됩니다. 폴록사머와 같은 보호 첨가제는 도움이 될 수 있으며, 흐름을 위쪽으로 편향시켜 국부적인 스트레스를 낮추면서도 산소 전달을 유지하는 임펠러 기하학도 도움이 될 수 있습니다.
에어리프트 반응기는 임펠러를 제거하고 가스 주입을 사용하여 기포 구동 순환을 통해 배양액을 이동시킵니다. 이는 기계적 스트레스의 주요 원인을 제거하고 전력 수요도 줄입니다.매우 큰 규모에서는 공기 리프트 시스템이 더 매력적이 됩니다. 이는 더 균일한 혼합, 더 적은 영양소 구배, 그리고 더 간단한 운영을 제공할 수 있기 때문입니다[1] . 이론적으로 300,000리터 공기 리프트 반응기는 배양육 세포에 맞춰 조정되었으며, 2 × 10^8 세포/mL [1]. 로 모델링되었습니다. 그렇긴 하지만, 실험적 기반은 여전히 STR에 비해 얇습니다.
전단 감도가 절대 처리량보다 더 중요하다면, 더 부드럽고 작은 용량의 플랫폼이 더 유용해 보이기 시작합니다.
파동 유도, 고정층 및 충전층 시스템
파동 유도, 또는 흔들림, 생물 반응기는 부드러운 움직임을 사용하여 배양액을 혼합합니다. 이는 전단에 민감한 세포와 씨앗 기차 확장에 유용합니다. 이들의 실용적인 상한선은 약 6,000리터[1], 이므로, 일반적으로 전체 생산 규모의 주요 선택은 아닙니다.
고정층 및 충전층 반응기는 세포를 비직포 스캐폴드나 다공성 캐리어와 같은 고정된 매트릭스에 부착시킨 상태로 유지하며, 신선한 배지가 층을 통해 흐르도록 합니다. 이러한 시스템은 부착 의존성 세포와 조직 중심의 성장을 위해 적합하며, 종종 퍼퓨전 모드로 작동하여 높은 세포 밀도를 달성합니다. 그러나 이들은 만능 시스템이 아닙니다. 세포 수확이 더 어렵고, 부피 출력이 현탁 기반 플랫폼보다 종종 낮습니다.
주요 목표가 높은 밀도와 안정적인 출력을 달성하는 것이라면, 퍼퓨전 기반 설정이 다음 단계가 됩니다.
퍼퓨전 및 중공 섬유 시스템
퍼퓨전은 공정 모드이지 반응기 형상이 아닙니다. 아이디어는 세포 보유 장치를 사용하는 것으로, 가장 흔히 교대 접선 흐름 (ATF) 또는 접선 흐름 여과 (TFF), 를 사용하여 소모된 배지를 제거하면서 세포를 용기 내부에 유지하는 것입니다.그것은 배치 또는 피드 배치 공정보다 훨씬 높은 밀도로 배양할 수 있게 합니다. 실제로, 퍼퓨전 시스템은 종종 10^7에서 10^8 세포/mL, 에 도달하며, 일부 설정에서는 10^8에서 10^9 세포/mL 범위[1] .
로 이동합니다.중공 섬유 생물 반응기는 보다 전문화된 퍼퓨전 형식입니다. 세포는 반투과성 모세관 섬유 안팎에서 성장하며, 영양소 공급과 폐기물 제거는 막을 통한 확산에 의해 이루어집니다. 이들은 긴 연속 운전과 매우 높은 세포 밀도를 지원할 수 있습니다. 단점은 규모입니다. 이러한 시스템은 매우 큰 작업 부피로 확장하기 어렵고, 막 오염은 실제 운영 위험입니다. 중공 섬유를 일반적인 생산 플랫폼보다는 전문적인 고밀도 시스템으로 생각하는 것이 좋습니다.
아래 표는 규모, 전단 프로파일 및 배양 모드에 따라 후보 목록을 좁히는 데 도움이 됩니다.
| 바이오리액터 유형 | 혼합 원리 | 전단 환경 | 확장성 | 일반적인 공정 모드 | 일반적인 밀도 범위 |
|---|---|---|---|---|---|
| 교반 탱크 (STR) | 기계적 임펠러 | 중간–높음 | 최대 약 20,000 L | 배치, 피드 배치, 퍼퓨전 | 10^6 – 10^7 |
| 에어리프트 | 가스 버블링 | 낮음 | >20,000 L (이론적) | 연속, 서스펜션 | 10^6 – 10^7 |
| 파동 유도 (흔들림) | 흔들림 플랫폼 | 매우 낮음 | 최대 약 6,000 L | 시드 트레인, 소규모 배치 | STR보다 낮음 |
| 고정층 / 충전층 | 매트릭스를 통한 관류 | 낮음 | 중간 | 부착성, 조직 지향적 | 10^8 – 10^9 |
| 관류 (일반) | 혈관 의존적 + 유지 | 혈관 의존적 | 혈관 의존적 | 연속적, 고밀도 | 10^7 – 10^8 |
| 중공 섬유 | 확산 / 관류 | 낮음 | 제한적 (병렬 배치) | 연속적, 고밀도 | 10^8 – 10^9 |
규모 확대 바이오리액터 결정의 선택 기준
플랫폼 비교는 옵션을 줄이는 데 도움이 됩니다.그 후, 결정은 주로 세포 생물학, 전이 성능, 그리고 일상 운영.
에 관한 것입니다.반응기를 세포 생물학 및 배양 모드에 맞추기
많은 배양육 세포 유형은 부착 의존적입니다. 따라서 첫 번째 선택은 비교적 직접적입니다: 세포를 부유 상태로 적응시키거나, 마이크로캐리어를 사용하거나, 부착 성장 시스템을 운영합니다.
반응기 기하학을 확정하기 전에 전단 내성을 측정해야 하며, 가정해서는 안 됩니다. 에어리프트 및 록킹 시스템은 기계적 스트레스를 줄일 수 있지만, 이는 보통 규모 제약과 함께 옵니다.
프로세스에 지방세포 분화가 포함된 경우, 혼합 및 수확 단계를 설계할 때 지방세포 부력을 고려해야 합니다. 이 세부 사항을 초기 단계에서 무시하면 나중에 문제가 발생할 수 있습니다.
전이 성능 평가 및 연속성 제어
대부분의 경우, 산소 전이가 규모 한계를 설정합니다. .배양 밀도가 10^7 cells/mL, 를 초과하면 산소 수요가 종종 더 높은 교반이나 더 많은 공기 공급을 강요하게 되며, 이는 동시에 전단을 증가시킵니다.
후보 시스템을 비교할 때, 프로세스가 규모에 맞게 유지될지를 결정할 매개변수에 집중하십시오:
- 체적 산소 전달 계수 (kLa)
- 혼합 시간
- 임펠러 팁 속도 또는 가장 가까운 동등한 교반 지표
- CO₂ 제거 효율
- 용존 산소 (DO) 및 pH의 제어 범위
이들은 개발 규모에서 생산 규모까지의 전체 경로에서 확인되어야 합니다. 작은 용기에서 괜찮아 보이는 반응기는 기하학적 변화나 혼합 체제가 바뀌면 상당히 다르게 작동할 수 있습니다.
제어 연속성은 원시 전달만큼 중요합니다.개발 시스템의 pH, DO, 및 영양소 공급 데이터가 생산 용기와 제대로 비교되지 않으면, 많은 소규모 공정 특성화 작업이 유용성을 잃게 됩니다. 센서 통합이 규모에 걸쳐 일관되게 유지되는 시스템을 선호하는 것이 합리적이며, 이상적으로는 실시간, 인라인 모니터링을 통해 포도당, 생체량 및 대사산물을 모니터링하는 것이 좋습니다. 분광학적 인라인 센서는 반복적인 오프라인 샘플링과 관련된 오염 위험을 줄이고, 고밀도 배양을 안정적으로 유지하는 데 도움이 되는 자동화된 공급 변경을 허용합니다. [1] .
생산에 대한 운영 적합성 확인
공정 모드는 첫 번째 운영 선택입니다. 배치 및 피드 배치는 실행 및 검증이 더 간단하지만, 세포 밀도에 대한 실질적인 한계에 도달합니다.퍼퓨전은 세포를 더 작은 공간에서 더 오랜 시간 동안 지수 성장 상태로 유지합니다 [1] , 하지만 세포 유지 장치와 더 엄격한 자동화 및 모니터링이 필요합니다.
일회용 시스템은 세척 및 교차 오염 위험을 줄입니다. 반면 스테인리스 스틸 시스템은 CIP/SIP 인프라가 필요합니다.
아래의 매트릭스는 이러한 기준을 단축 목록으로 전환하는 유용한 방법입니다.
| 프로세스 요구사항 | 교반 탱크 (STR) | 에어리프트 | 중공 섬유 / 퍼퓨전 | 고정층 / 충전층 |
|---|---|---|---|---|
| 높은 전단 민감성 | 적합하지 않음 | 적합함 | 적합함 | 적합함 |
| 부유 배양 | 강한 적합성 | 강한 적합성 | 보통 적합성 | 적합하지 않음 |
| 부착 의존성 세포 | 마이크로캐리어와의 적합성 | 마이크로캐리어와의 적합성 | 보통 적합성 | 강한 적합성 |
| 높은 산소 요구량 (>10^7 세포/mL) | 강한 적합성 | 보통 적합성 | 보통 적합성 | 낮음–보통 적합성 |
| 연속 / 퍼퓨전 모드 | 호환 가능 | 호환 가능 | 최적의 적합성 | 최적의 적합성 |
| 스케일 >20,000 L | 제한적 | 강한 적합성 | 제한적 | 중간 적합성 |
| 자동 인라인 모니터링 | 중간 | 중간 | 높은 요구사항 | 중간 |
| 수확의 단순성 | 중간 (마이크로캐리어 분리가 필요) | 중간 | 복잡 | 복잡 |
최종 목록을 확정하기 전에 수확 단계를 정의하십시오.부유 배양은 가장 간단한 경우입니다. 미세 운반체는 해리와 분리를 추가합니다. 고정층은 운반체 분리 문제를 제거하지만, 세포 회수가 더 어려워집니다.
최종 후보 목록이 마련되면, 다음 단계는 공급업체 선정입니다. 검증된 바이오리액터, 유지 장치 및 센서를 소싱하기 위해,
확대 위험, 검증 및 구현
확대는 비선형적입니다 . 부피가 증가함에 따라 혼합 시간이 빠르게 늘어나고, 수송 한계가 프로세스를 형성하기 시작합니다. 이 시점에서 반응기는 이론상으로는 괜찮아 보이지만 약점을 드러내기 시작합니다. 최종 후보에 오른 시스템은 파일럿 규모 이전에 이러한 조건을 통과해야 합니다.
스케일업 중 일반적인 실패 지점
주요 실패 모드는 산소 제한, CO₂ 축적, 전단 손상, pH 구배, 대사물 축적 및 열 불안정성입니다.
아래 표는 각각을 실용적인 것으로 변환합니다: 원인, 주의해야 할 신호, 다음에 할 일.
| 규모 확대 위험 | 가능한 원인 | 탐지 신호 | 완화 조치 |
|---|---|---|---|
| 산소 제한 | 낮은 kLa; 높은 세포 밀도 (>20 million cells/mL) [3] | DO가 30% 포화 이하로 떨어짐 [3] | 교반 증가; 산소 농축; 마이크로 스파저 사용 [3] |
| CO₂ 축적 | 감소된 SA/V 비율; 높은 정수압 [3] | 용존 CO₂ 증가; pH 감소; 삼투압 증가 [3] | 총 가스 흐름 증가 (vvm); 헤드스페이스 퍼징 [3] |
| 전단 손상 | 임펠러 팁 속도 증가; 기포 파열 [1] | 생존율 감소; 분화 억제 [1] | 폴록사머 추가; 층류 흐름을 위한 임펠러 재설계 [1] |
| pH 구배 | 혼합 불량; 긴 순환 시간 [3] | 기저 추가 포트 근처의 국부적 pH 급증 [3] | 포트 배치 최적화; 전단 한계 내에서 교반 증가 [3] |
| 대사체 독성 | 암모니아 및 젖산 축적 [1] | 성장률 감소; 생체량 정체 [1] | 퍼퓨전 또는 배지 교환; 엔지니어링된 암모니아 내성 세포주 [1] |
| 열 불안정성 | 열 방출을 제한하는 감소된 SA/V 비율 [3] | 용기 전반의 온도 변동 [3] | 최적화된 냉각 재킷; CFD 안내 용기 형상 [3] |
실용적인 검증 워크플로우
검증은 생산 용기에 대한 어떤 약속도 하기 전에 시작해야 합니다.축소 모델링은 일반적으로 15–250 mL 범위의 고처리량 미니어처 생물반응기에서 시작되며, 여기서 팀은 매개변수를 조정하고 운영 창을 테스트할 수 있습니다 [1] [3]. 이 모델들은 이질적인 대규모 환경에서 세포가 경험할 수 있는 DO와 pH의 일시적인 변화 등 어려운 경우를 모방할 때 가장 중요합니다 [3].
CFD는 물리적 실행 전에 위험을 선별하는 데 도움을 줍니다. 이는 산소 분포와 전단을 사전에 예측할 수 있습니다 [1] [2]. Li et al.은 동물 세포 성장을 위한 300,000 L 공기 리프트 반응기를 모델링하면서 반응기 기하학을 최적화하기 위해 CFD를 사용했습니다. 그들의 모델링은 이 규모의 단일 용기가 이론적으로 매년 75,000명을 먹일 수 있음을 시사했습니다 [1].
파일럿 규모 작업이 다음으로 진행됩니다.그 단계에서 목표는 간단합니다: 세포가 더 큰 용기에서 흐름 환경을 처리할 수 있는지 확인하고, 공정이 견딜 수 있는 유체역학적 스트레스의 상한선을 정의하는 것입니다 [2].
센서의 비교 가능성도 규모에 따라 직접 확인이 필요합니다. 대형 용기의 인라인 센서는 멸균을 견디고 재교정 없이 몇 주 동안 작동해야 합니다 [1] [4]. 많은 경우, 하나의 프로브로는 충분하지 않습니다. 단일 측정 지점에서 놓칠 수 있는 구배를 감지하기 위해 센서 배열이 필요할 수 있습니다 [1] [4]. 규모에 걸쳐 비교 가능한 데이터를 생성하는 용기만이 조달 검토로 진행되어야 합니다.
결론: 공정 적합성을 중심으로 바이오리액터 후보 목록 작성
스케일업은 일련의 절충입니다. 생물학이 경계를 설정합니다.그런 다음 혼합, 산소 전달, 제어 아키텍처 및 용기 설계가 이러한 경계 내에서 작동해야 합니다. 이 세 가지 결정 축 - 세포 생물학, 전달 성능 및 운영 적합성 - 은 이 가이드의 모든 플랫폼 비교 및 모든 검증 단계에서 나타납니다.
이렇게 하면 후보 목록이 빠르게 좁혀집니다. 목표는 가장 많은 기능 목록을 가진 반응기를 찾는 것이 아닙니다. 프로세스 모드와 일치하고 확장할 때 그 적합성을 유지할 수 있는 플랫폼을 찾는 것입니다.
어떠한 자본 결정 전에, 축소 모델, CFD 및 파일럿 규모 작업으로 후보 목록을 테스트하십시오 [1]. 시스템이 이러한 조건에서 성능을 유지할 수 없다면, 공급업체 선택으로 진행해서는 안 됩니다.
조달 시 고려해야 할 주요 결정 사항
공급업체와 대화하기 전에 이러한 기준을 서면 요구 사항 목록에 포함하십시오.
| 요구 사항 | 정의할 내용 |
|---|---|
| 세포 유형 및 부착 의존성 | 부유 적응형, 마이크로캐리어 의존형, 또는 스캐폴드 통합형 |
| 배양 모드 | 배치, 피드 배치, 또는 퍼퓨전 - 연속 처리 여부가 목표인지 |
| 산소 수요 및 전달 목표 | 최대 세포 밀도에 기반한, 산소 전달 속도, 및 열 발산 요구 사항 |
| 전단 내성 범위 | 세포주가 견딜 수 있는 최대 유체역학적 스트레스, 경험적으로 결정됨 |
| 제어 및 감지 요구 사항 | 인라인 대 오프라인; 실시간으로 모니터링할 매개변수 (pH, DO, CO₂, 포도당, 생체량) |
| 규모 목표 및 용기 재질 | 생산량 및 식품 등급 재료 요구 사항에 따라 일회용 대 스테인리스 스틸 |
| 종별 조건 | 작동 온도 (e.g. 포유류 세포의 경우 37 °C; 해양 종의 경우 더 낮음) 및 가스 교환 속도 [1] |
자주 묻는 질문
STR과 에어리프트 중 어떻게 선택하나요?
이는 세포 유형, 규모 확대 목표 및 프로세스 우선순위에 따라 다릅니다.
STRs는 널리 사용되며, 규모가 잘 확장되고 프로세스 제어가 엄격합니다. 이는 특히 더 큰 부피로 이동할 때 현탁 배양 및 마이크로캐리어 기반 세포에 일반적으로 적합합니다. 단점은 전단력: STR은 세포를 더 많은 유체역학적 스트레스에 노출시킬 수 있으므로 임펠러 선택, 팁 속도 및 가스 전략이 중요합니다.
에어리프트 바이오리액터는 일반적으로 전단에 민감한 세포에 더 부드럽고 내부 교반에 의존하지 않기 때문에 기계적 복잡성이 적습니다. 그러나 혼합, 가스 전달 및 순환 행동을 규모에 맞게 유지해야 할 때 규모 확장이 덜 간단할 수 있습니다.
일반적으로 에어리프트 시스템은 더 섬세한 세포에 적합한 경향이 있으며, STR은 종종 더 잘 확립된 대규모 프로세스의 기본값입니다.
언제 배치에서 퍼퓨전으로 전환해야 하나요?
배치에서 퍼퓨전으로 전환하는 것을 고려하십시오, 더 높은 세포 밀도와 배양육 생산을 위한 더 많은 프로세스 집중화가 필요할 때.
대부분의 경우, 매우 높은 세포 밀도 - 밀리리터당 1억 개 이상의 세포 - 를 유지해야 하고, 연속적인 영양소 공급, 폐기물 제거, 더 엄격한 공정 제어, 그리고 R&D에서 제조로 이동할 때 더 높은 생산성을 얻을 수 있을 때 의미가 있습니다.
어떤 스케일업 위험을 먼저 테스트해야 합니까?
가장 초기의 스케일업 위험을 세포 생존율 과 공정 제어에 대해 테스트하십시오. 다음에 추가적인 초점을 맞추십시오:
- 증가된 전단 응력
- 산소 전달
- 폐기물 제거, CO₂ 축적 포함
또한 온도, pH, 영양소 전달, 오염 위험, 그리고 작은 실험실 설정에서 더 큰 바이오리액터로 이동할 때 조건이 균일하게 유지되는지 확인해야 합니다.
이는 벤치 스케일에서 안정적으로 보이는 공정이 부피가 증가하면 변동할 수 있기 때문에 중요합니다. 혼합이 변합니다.가스 전달 변화. 국부적인 기울기가 나타날 수 있습니다. 세포는 종종 주요 프로세스 지표보다 이러한 변화를 먼저 감지합니다.
조기 모니터링은 불일치를 줄이고 세포 건강을 보호하는 데 도움이 됩니다.
