หากฉันต้องตัดสินใจนี้ให้เหลือเพียงบรรทัดเดียว มันจะเป็นดังนี้: เลือกไบโอรีแอคเตอร์ที่รักษาพฤติกรรมของเซลล์ให้คงที่เมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้น, ไม่ใช่ตัวที่ดูดีแค่ในความจุพาดหัวข่าว.
สำหรับ วิศวกรกระบวนการชีวภาพ นักวิทยาศาสตร์เพาะเลี้ยงเซลล์ และทีมวิจัยและพัฒนาการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง&, รายการที่คัดเลือกมักจะลงเอยที่ STRs, ระบบอากาศยก, ระบบโยก, ระบบเตียงคงที่/เตียงบรรจุ, และรูปแบบการกรอง เช่น เส้นใยกลวง . ฉันจะประเมินพวกเขาตามขีดจำกัดของกระบวนการสั้นๆ: การถ่ายโอนออกซิเจน, เวลาผสม, แรงเฉือน, การกำจัด CO₂, การกำจัดความร้อน, การตรวจจับ, และเส้นทางการเก็บเกี่ยว. บทความยังทำให้เห็นชัดเจนว่า: เมื่อคุณก้าวข้ามไปมากกว่า 10^7 เซลล์/มล., ความต้องการออกซิเจนและแรงเฉือนมักจะเริ่มขัดแย้งกัน.
โดยสรุป นี่คือสิ่งที่ฉันจะนำไปจากมัน:
- STRs เป็นเส้นทางที่ใช้มากที่สุดสำหรับการขยายขนาดและสามารถถึงประมาณ 20,000 L , แต่ใบพัดและการกระจายอากาศสามารถทำลายเซลล์ที่ไวต่อแรงเฉือน.
- เครื่องปฏิกรณ์แบบ Airlift ลดความเครียดทางกลและอาจเหมาะกับปริมาณมากมาก แต่ฐานข้อมูลยังบางกว่าเมื่อเทียบกับ STRs.
- ระบบ Rocking อ่อนโยนและมีประโยชน์สำหรับงานสายพันธุ์เมล็ดพันธุ์ แม้ว่าปกติจะสูงสุดที่ประมาณ 6,000 L .
- ระบบ Fixed-bed และ packed-bed เหมาะกับเซลล์ ที่ต้องการยึดเกาะ แต่การเก็บเกี่ยวทำได้ยากกว่าและผลผลิตต่อภาชนะมักจะต่ำกว่า.
- Perfusion สามารถผลักดันวัฒนธรรมไปสู่ 10^7 ถึง 10^8 เซลล์/มล. , และในบางกรณี 10^8 ถึง 10^9 เซลล์/มล., แต่ต้องมีการควบคุมที่เข้มงวดขึ้นและการกักเก็บเซลล์.
- เส้นใยกลวง สามารถทำงานได้ที่ความหนาแน่นสูงมาก แต่การขยายขนาดมักจะจัดการโดยหน่วยขนานมากกว่าภาชนะขนาดใหญ่เพียงหนึ่งเดียว
- จุดล้มเหลวหลักในการขยายขนาดคือ ข้อจำกัดของออกซิเจน, การสะสมของ CO₂, ความเสียหายจากแรงเฉือน, ความแตกต่างของค่า pH, การสะสมของเมตาบอไลต์, และการควบคุมอุณหภูมิ.
- ก่อนการจัดซื้อ ฉันต้องการ ข้อมูลการลดขนาด, งาน CFD, การทดลองนำร่อง, และการเปรียบเทียบเซ็นเซอร์ในทุกขนาด.
การขยายขนาดเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียวจากห้องปฏิบัติการสู่การผลิต - TECNIC
sbb-itb-ffee270
การเปรียบเทียบอย่างรวดเร็ว
| แพลตฟอร์ม | เหมาะสมที่สุด | ข้อจำกัดหลัก | สัญญาณการขยายขนาด |
|---|---|---|---|
| STR | การแขวนลอยหรือไมโครแคร์ริเออร์ | แรงเฉือนจากใบพัดและฟองอากาศ | สูงสุด ~20,000 L |
| Airlift | วัฒนธรรมการแขวนลอยที่ไวต่อแรงเฉือน | ประวัติกระบวนการน้อยกว่า STRs | >20,000 L กล่าวถึงในทฤษฎี |
| Rocking | การฝึกเมล็ดพันธุ์และการขยายตัวอย่างอ่อนโยน | เพดานขนาดต่ำกว่า | สูงสุด ~6,000 L |
| Fixed-/packed-bed | การเจริญเติบโตที่เน้นเซลล์ที่ติดอยู่และเนื้อเยื่อ | การเก็บเกี่ยวที่ยากขึ้น | ขนาดกลาง |
| การไหลเวียน | การเพาะเลี้ยงความหนาแน่นสูง | ฮาร์ดแวร์ควบคุมและการตรวจสอบเพิ่มเติม | ขึ้นอยู่กับภาชนะ |
| เส้นใยกลวง | การวิ่งความหนาแน่นสูงเฉพาะทาง | การอุดตันและขนาดหน่วยเดียวที่จำกัด | การใช้งานคู่ขนาน |
การอ่านของฉัน: การเลือกที่ถูกต้องมักจะไม่เกี่ยวกับป้ายชื่อเครื่องปฏิกรณ์ แต่เกี่ยวกับ ความต้องการในการยึดเกาะของเซลล์, ขอบเขตการเฉือน, เป้าหมายความหนาแน่นสูงสุด, และว่ากระบวนการของคุณต้องทำงานเป็น แบทช์, เฟด-แบทช์, หรือการไหลเวียน. นั่นคือฟิลเตอร์ที่ฉันจะใช้ก่อนพูดคุยกับซัพพลายเออร์ใด ๆ
แพลตฟอร์มไบโอรีแอคเตอร์ที่ใช้ในการขยายขนาดการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง
การเปรียบเทียบแพลตฟอร์มไบโอรีแอคเตอร์สำหรับการขยายขนาดการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง
แพลตฟอร์มไบโอรีแอคเตอร์ทุกแบบมีการแลกเปลี่ยนระหว่างการผสม, การถ่ายโอนออกซิเจน, แรงเฉือน, และขนาด ในทางปฏิบัติ การเลือกที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับชีววิทยาของเซลล์, ว่าพวกมันต้องการพื้นผิวในการยึดเกาะหรือไม่, ความเครียดไฮโดรไดนามิกที่พวกมันสามารถรับได้, และขนาดการผลิตที่คุณตั้งเป้าไว้ วิธีที่มีประโยชน์ในการเปรียบเทียบแพลตฟอร์มคือการดูว่าทุกแพลตฟอร์มเหมาะสมกับประเภทเซลล์, โหมดกระบวนการ, และ เป้าหมายขนาด.
ระบบถังปั่นและระบบแอร์ลิฟต์
ถังปั่น (STRs) ยังคงเป็นตัวเลือกที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดสำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์เนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง โดยมีการขยายขนาดถึงประมาณ 20,000 ลิตร [1]. พวกเขาพึ่งพาใบพัดสำหรับการผสมจำนวนมาก, การแขวนเซลล์, และการถ่ายโอนออกซิเจน, ซึ่งทำให้พวกเขาเหมาะสมสำหรับการเพาะเลี้ยงแบบแขวนลอยและกระบวนการที่ใช้ไมโครแคเรียร์
ปัญหาคือแรงเฉือน การไหลที่ขับเคลื่อนด้วยใบพัด, พร้อมกับการแตกของฟองที่สปาร์เกอร์, สามารถสร้างแรงที่ทำให้เซลล์สัตว์บาดเจ็บ ด้วยเหตุนี้ ความทนทานต่อแรงเฉือนควรถูกกำหนดตั้งแต่เนิ่นๆ สำหรับแต่ละสายเซลล์, ไม่ใช่คาดเดาในภายหลังเมื่อกระบวนการถูกล็อคแล้ว สารเติมแต่งป้องกันเช่นโพลอกซาเมอร์สามารถช่วยได้, และรูปทรงใบพัดที่มีอคติการไหลขึ้นด้านบนก็สามารถช่วยได้เช่นกัน, ลดความเครียดในท้องถิ่นในขณะที่ยังคงรักษาการถ่ายโอนออกซิเจน
เครื่องปฏิกรณ์แบบยกอากาศ ลบใบพัดออกและใช้การฉีดก๊าซเพื่อเคลื่อนย้ายวัฒนธรรมผ่านการหมุนเวียนที่ขับเคลื่อนด้วยฟอง นั่นช่วยลดแหล่งที่มาหลักของความเครียดทางกลและยังลดความต้องการพลังงานในระดับขนาดใหญ่มาก ระบบแอร์ลิฟท์จะน่าสนใจมากขึ้นเพราะสามารถให้การผสมที่สม่ำเสมอมากขึ้น มีความแตกต่างของสารอาหารน้อยลง และการดำเนินงานที่ง่ายขึ้น[1] . มีการจำลองเครื่องปฏิกรณ์แอร์ลิฟท์ขนาด 300,000 ลิตร ที่ปรับแต่งสำหรับเซลล์เนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง โดยมีการคำนวณที่ 2 × 10^8 เซลล์/มล. [1]. อย่างไรก็ตาม ฐานการทดลองยังคงบางกว่าที่มีสำหรับ STRs.
หากความไวต่อแรงเฉือนมีความสำคัญมากกว่าการผลิตที่แน่นอน แพลตฟอร์มที่อ่อนโยนและมีปริมาตรน้อยกว่าจะเริ่มดูมีประโยชน์มากขึ้น.
ระบบที่ใช้คลื่น, เตียงคงที่, และเตียงบรรจุ
เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้คลื่นหรือการโยกใช้การเคลื่อนไหวที่อ่อนโยนในการผสมวัฒนธรรม ทำให้มีประโยชน์สำหรับเซลล์ที่ไวต่อแรงเฉือนและสำหรับการขยายการเพาะเลี้ยงเมล็ด ขีดจำกัดสูงสุดในทางปฏิบัติอยู่ที่ประมาณ 6,000 ลิตร[1], ดังนั้นจึงไม่ใช่ตัวเลือกหลักสำหรับการผลิตเต็มรูปแบบ.
เครื่องปฏิกรณ์แบบเตียงคงที่และเตียงบรรจุ รักษาเซลล์ให้ติดอยู่กับเมทริกซ์ที่อยู่กับที่ ซึ่งมักจะเป็นโครงที่ไม่ทอหรือพาหะที่มีรูพรุน ในขณะที่มีเดียมสดไหลผ่านเตียง ระบบเหล่านี้เหมาะสำหรับเซลล์ที่ต้องการยึดเกาะและการเจริญเติบโตที่เน้นเนื้อเยื่อ และมักจะทำงานในโหมดการไหลเวียนเพื่อให้ได้ความหนาแน่นของเซลล์สูง แต่พวกมันไม่ใช่ระบบที่ใช้ได้ทุกวัตถุประสงค์ การเก็บเกี่ยวเซลล์ทำได้ยากกว่า และผลผลิตเชิงปริมาตรมักจะต่ำกว่าระบบที่ใช้การแขวนลอย
เมื่อเป้าหมายหลักคือความหนาแน่นสูงและผลผลิตที่สม่ำเสมอ การตั้งค่าที่ใช้การไหลเวียนจะกลายเป็นหน้าจอถัดไป
ระบบการไหลเวียนและเส้นใยกลวง
การไหลเวียน เป็นโหมดกระบวนการ ไม่ใช่รูปทรงของเครื่องปฏิกรณ์ แนวคิดคือการใช้เครื่องมือกักเก็บเซลล์ ซึ่งมักจะเป็น การไหลแบบสลับแนวขวาง (ATF) หรือ การกรองแบบไหลแนวขวาง (TFF) , เพื่อกำจัดมีเดียมที่ใช้แล้วในขณะที่รักษาเซลล์ไว้ภายในภาชนะที่ช่วยให้วัฒนธรรมดำเนินไปในความหนาแน่นที่สูงกว่ากระบวนการแบบแบทช์หรือเฟดแบทช์มาก ในทางปฏิบัติ ระบบเพอร์ฟิวชั่นมักจะถึง 10^7 ถึง 10^8 เซลล์/มล. , และบางการตั้งค่าย้ายไปสู่ช่วง 10^8 ถึง 10^9 เซลล์/มล.[1].
เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเส้นใยกลวง เป็นรูปแบบเพอร์ฟิวชั่นที่มีความเชี่ยวชาญมากขึ้น เซลล์เติบโตในหรือรอบเส้นใยฝอยกึ่งซึมผ่านได้ โดยการส่งสารอาหารและการกำจัดของเสียเกิดขึ้นโดยการแพร่ผ่านเมมเบรน พวกเขาสามารถรองรับการทำงานต่อเนื่องยาวนานและความหนาแน่นของเซลล์ที่สูงมาก ข้อเสียคือขนาด ระบบเหล่านี้ยากที่จะขยายไปสู่ปริมาณการทำงานที่ใหญ่มาก และการอุดตันของเมมเบรนเป็นความเสี่ยงในการดำเนินงานที่แท้จริง ควรคิดว่าเส้นใยกลวงเป็นระบบความหนาแน่นสูงเฉพาะทางมากกว่าที่จะเป็นแพลตฟอร์มการผลิตทั่วไป
ตารางด้านล่างช่วยจำกัดรายชื่อโดยขนาด โปรไฟล์แรงเฉือน และโหมดการเพาะเลี้ยง
| ประเภทเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ | หลักการผสม | สภาพแวดล้อมของแรงเฉือน | ความสามารถในการขยายขนาด | โหมดกระบวนการทั่วไป | ช่วงความหนาแน่นทั่วไป |
|---|---|---|---|---|---|
| ถังผสม (STR) | ใบพัดกลไก | ปานกลาง–สูง | สูงสุด ~20,000 ลิตร | แบทช์, เฟดแบทช์, เพอร์ฟิวชั่น | 10^6 – 10^7 |
| แอร์ลิฟต์ | การพ่นฟองอากาศ | ต่ำ | >20,000 ลิตร (ทฤษฎี) | ต่อเนื่อง, การแขวนลอย | 10^6 – 10^7 |
| การโยกคลื่น | แพลตฟอร์มโยก | ต่ำมาก | สูงสุด ~6,000 ลิตร | สายพันธุ์เมล็ด, แบทช์ขนาดเล็ก | ต่ำกว่า STRs |
| เตียงคงที่ / เตียงบรรจุ | การไหลเวียนผ่านเมทริกซ์ | ต่ำ | ปานกลาง | ยึดติด, มุ่งเน้นเนื้อเยื่อ | 10^8 – 10^9 |
| การไหลเวียน (ทั่วไป) | ขึ้นอยู่กับหลอดเลือด + การกักเก็บ | ขึ้นอยู่กับหลอดเลือด | ขึ้นอยู่กับหลอดเลือด | ต่อเนื่อง, ความหนาแน่นสูง | 10^7 – 10^8 |
| เส้นใยกลวง | การแพร่ / การไหลเวียน | ต่ำ | จำกัด (การใช้งานแบบขนาน) | ต่อเนื่อง, ความหนาแน่นสูง | 10^8 – 10^9 |
เกณฑ์การเลือกสำหรับการตัดสินใจขยายขนาดไบโอรีแอคเตอร์
การเปรียบเทียบแพลตฟอร์มช่วยลดตัวเลือกลง.หลังจากนั้น การตัดสินใจส่วนใหญ่เกี่ยวกับชีววิทยาของเซลล์ ประสิทธิภาพการถ่ายโอน และการดำเนินงานในแต่ละวัน.
จับคู่เครื่องปฏิกรณ์กับชีววิทยาของเซลล์และโหมดการเพาะเลี้ยง
เซลล์ประเภทเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงหลายชนิดต้องการการยึดเกาะ ดังนั้นตัวเลือกแรกค่อนข้างตรงไปตรงมา: ปรับเซลล์ให้เข้ากับการแขวนลอย ใช้ไมโครแคเรียร์ หรือใช้ระบบการเจริญเติบโตแบบยึดเกาะ.
ความทนทานต่อแรงเฉือนควรวัด ไม่ควรสันนิษฐาน ก่อนที่คุณจะกำหนดรูปทรงเรขาคณิตของเครื่องปฏิกรณ์ ระบบ Airlift และ Rocking สามารถลดความเครียดทางกลได้ แต่โดยปกติจะมาพร้อมกับข้อจำกัดด้านขนาด
หากกระบวนการรวมถึงการแยกแยะเซลล์ไขมัน ให้คำนึงถึงความลอยตัวของเซลล์ไขมันเมื่อคุณออกแบบขั้นตอนการผสมและการเก็บเกี่ยว รายละเอียดนั้นอาจทำให้เกิดปัญหาในภายหลังหากถูกละเลยตั้งแต่แรก
ประเมินประสิทธิภาพการถ่ายโอนและควบคุมความต่อเนื่อง
ในกรณีส่วนใหญ่ การถ่ายโอนออกซิเจนกำหนดขีดจำกัดของขนาด. เมื่อความหนาแน่นของเซลล์เกิน 10^7 เซลล์/มล., ความต้องการออกซิเจนมักจะบังคับให้มีการกวนหรือการเติมอากาศมากขึ้น และนั่นจะเพิ่มแรงเฉือนในเวลาเดียวกัน
เมื่อเปรียบเทียบระบบที่เป็นตัวเลือก ให้เน้นที่พารามิเตอร์ที่จะตัดสินว่ากระบวนการจะคงอยู่ได้ในระดับใหญ่หรือไม่:
- สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนออกซิเจนเชิงปริมาตร (kLa)
- เวลาผสม
- ความเร็วปลายใบพัด หรือเมตริกการกวนที่ใกล้เคียงที่สุด
- ประสิทธิภาพการกำจัด CO₂
- ช่วงการควบคุมสำหรับ ออกซิเจนละลาย (DO) และ pH
สิ่งเหล่านี้จำเป็นต้องตรวจสอบตลอดเส้นทางจากระดับการพัฒนาไปจนถึงระดับการผลิต เครื่องปฏิกรณ์ที่ดูดีในภาชนะขนาดเล็กอาจมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันมากหากมีการเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิตหรือการเปลี่ยนแปลงระบบการผสม
ความต่อเนื่องในการควบคุมมีความสำคัญพอๆ กับการถ่ายโอนดิบหาก ข้อมูล pH, DO และการป้อนสารอาหาร จากระบบพัฒนาไม่สามารถเปรียบเทียบได้อย่างถูกต้องกับภาชนะการผลิต งานการจำแนกลักษณะกระบวนการขนาดเล็กจำนวนมากจะหยุดมีประโยชน์ การเลือกใช้ระบบที่การรวมเซ็นเซอร์ยังคงสอดคล้องกันในทุกขนาดจึงมีเหตุผล โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับ การตรวจสอบแบบเรียลไทม์และแบบอินไลน์ สำหรับกลูโคส, มวลชีวภาพ และเมตาบอไลต์ เซ็นเซอร์อินไลน์แบบสเปกโทรสโกปีช่วยลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนที่มาพร้อมกับการสุ่มตัวอย่างแบบออฟไลน์ซ้ำๆ และช่วยให้สามารถเปลี่ยนการป้อนอาหารอัตโนมัติที่ช่วยรักษาความเสถียรของวัฒนธรรมความหนาแน่นสูง [1].
ตรวจสอบความเหมาะสมในการดำเนินงานสำหรับการผลิต
โหมดกระบวนการเป็นตัวเลือกการดำเนินงานแรก แบทช์และเฟดแบทช์ ง่ายต่อการดำเนินการและตรวจสอบความถูกต้อง แต่พวกเขามีข้อจำกัดในทางปฏิบัติในเรื่องความหนาแน่นของเซลล์การไหลเวียน ช่วยให้เซลล์เติบโตในช่วงการเจริญเติบโตแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลได้นานขึ้นในพื้นที่ที่เล็กลง [1], แต่ก็ต้องการอุปกรณ์กักเก็บเซลล์พร้อมกับระบบอัตโนมัติและการตรวจสอบที่เข้มงวดขึ้นด้วย
ระบบใช้ครั้งเดียวช่วยลดความเสี่ยงในการทำความสะอาดและการปนเปื้อนข้าม ส่วนระบบสแตนเลสสตีลนั้นต้องการ CIP/SIP โครงสร้างพื้นฐาน
ตารางด้านล่างนี้เป็นวิธีที่มีประโยชน์ในการเปลี่ยนเกณฑ์เหล่านี้ให้เป็นรายการสั้น ๆ
| ข้อกำหนดกระบวนการ | ถังปั่น (STR) | แอร์ลิฟต์ | ฮอลโลว์ไฟเบอร์ / เพอร์ฟิวชั่น | เบดคงที่ / เบดบรรจุ |
|---|---|---|---|---|
| ความไวต่อแรงเฉือนสูง | ไม่เหมาะสม | เหมาะสมดี | เหมาะสมดี | เหมาะสมดี |
| การเพาะเลี้ยงแบบแขวนลอย | เหมาะสมมาก | เหมาะสมมาก | เหมาะสมปานกลาง | ไม่เหมาะสม |
| เซลล์ที่ต้องการยึดเกาะ | เหมาะสมกับไมโครแคร์ริเออร์ | เหมาะสมกับไมโครแคร์ริเออร์ | เหมาะสมปานกลาง | เหมาะสมมาก |
| ความต้องการออกซิเจนสูง (>10^7 เซลล์/มล.) | เหมาะสมมาก | เหมาะสมปานกลาง | เหมาะสมปานกลาง | เหมาะสมต่ำถึงปานกลาง |
| โหมดต่อเนื่อง / การกรอง | เข้ากันได้ | เข้ากันได้ | เหมาะสมที่สุด | เหมาะสมที่สุด |
| มาตราส่วน >20,000 ลิตร | จำกัด | เหมาะสมอย่างยิ่ง | จำกัด | เหมาะสมปานกลาง |
| การตรวจสอบในสายอัตโนมัติ | ปานกลาง | ปานกลาง | ความต้องการสูง | ปานกลาง |
| ความเรียบง่ายในการเก็บเกี่ยว | ปานกลาง (ต้องการการแยกไมโครแคเรียร์) | ปานกลาง | ซับซ้อน | ซับซ้อน |
กำหนดขั้นตอนการเก็บเกี่ยวก่อนที่คุณจะสรุปรายการสั้น. การเพาะเลี้ยงแบบแขวนลอยเป็นกรณีที่ง่ายที่สุด ไมโครแคร์ริเออร์เพิ่มการแยกและการแยกตัว เตียงคงที่ช่วยแก้ปัญหาการแยกแคร์ริเออร์ แต่การกู้คืนเซลล์จะยากขึ้น
เมื่อมีรายชื่อสั้น ๆ ขั้นตอนต่อไปคือการเลือกซัพพลายเออร์ สำหรับการจัดหาชีวปฏิกรณ์ที่ผ่านการตรวจสอบ อุปกรณ์กักเก็บ และเซ็นเซอร์
ความเสี่ยงในการขยายขนาด การตรวจสอบความถูกต้อง และการดำเนินการ
การขยายขนาดไม่เป็นเชิงเส้น. เมื่อปริมาณเพิ่มขึ้น เวลาผสมจะยืดออกอย่างรวดเร็ว และข้อจำกัดในการขนส่งเริ่มมีผลต่อกระบวนการ นั่นคือจุดที่เครื่องปฏิกรณ์หยุดดูดีบนกระดาษและเริ่มแสดงจุดอ่อน ระบบใด ๆ ที่อยู่ในรายชื่อสั้น ๆ จำเป็นต้องผ่านเงื่อนไขเหล่านี้ก่อนถึงระดับนำร่อง
จุดล้มเหลวทั่วไปในระหว่างการขยายขนาด
โหมดความล้มเหลวหลักคือการจำกัดออกซิเจน การสะสมของ CO₂ ความเสียหายจากแรงเฉือน ความลาดเอียงของ pH การสะสมของเมตาบอไลต์ และความไม่เสถียรทางความร้อน
ตารางด้านล่างนี้จะแปลงแต่ละอย่างให้เป็นสิ่งที่ปฏิบัติได้จริง: สาเหตุของมัน สัญญาณที่ต้องระวัง และสิ่งที่ต้องทำต่อไป
| ความเสี่ยงในการขยายขนาด | สาเหตุที่เป็นไปได้ | สัญญาณการตรวจจับ | การดำเนินการบรรเทา |
|---|---|---|---|
| ข้อจำกัดของออกซิเจน | ค่า kLa ต่ำ; ความหนาแน่นของเซลล์สูง (>20 ล้านเซลล์/มล.) [3] | ค่า DO ลดลงต่ำกว่า 30% ของการอิ่มตัว [3] | เพิ่มการกวน; เพิ่มออกซิเจน; ใช้ไมโครสปาร์เกอร์ [3] |
| การสะสมของ CO₂ | อัตราส่วน SA/V ลดลง; ความดันไฮโดรสแตติกสูง [3] | การเพิ่มขึ้นของ CO₂ ที่ละลาย; ค่า pH ลดลง; การเพิ่มขึ้นของออสโมลาลิตี้ [3] | เพิ่มการไหลของก๊าซทั้งหมด (vvm); การล้างพื้นที่หัว [3] |
| ความเสียหายจากแรงเฉือน | ความเร็วปลายใบพัดสูง; การแตกของฟอง [1] | ความมีชีวิตลดลง; การแยกแยะถูกยับยั้ง [1] | เพิ่มโพลอกซาเมอร์; ออกแบบใบพัดใหม่สำหรับการไหลแบบลามินาร์ [1] |
| ความชันของค่า pH | การผสมที่ไม่ดี; เวลาหมุนเวียนนาน [3] | การเพิ่มขึ้นของค่า pH ในท้องถิ่นใกล้พอร์ตการเติมฐาน [3] | ปรับตำแหน่งพอร์ตให้เหมาะสม; เพิ่มการกวนภายในขีดจำกัดของแรงเฉือน [3] |
| ความเป็นพิษของเมตาบอไลต์ | การสะสมของแอมโมเนียและกรดแลคติก [1] | อัตราการเติบโตลดลง; มวลชีวภาพคงที่ [1] | การแลกเปลี่ยนเพอร์ฟิวชั่นหรือสื่อ; สายเซลล์ที่ทนต่อแอมโมเนียที่ได้รับการออกแบบ [1] |
| ความไม่เสถียรทางความร้อน | อัตราส่วน SA/V ที่ลดลงจำกัดการกระจายความร้อน [3] | ความผันผวนของอุณหภูมิทั่วทั้งภาชนะ [3] | เสื้อคลุมระบายความร้อนที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม; รูปทรงภาชนะที่แนะนำโดย CFD [3] |
เวิร์กโฟลว์การตรวจสอบความถูกต้องในทางปฏิบัติ
การตรวจสอบความถูกต้องจำเป็นต้องเริ่มก่อนที่จะมีการผูกพันกับภาชนะการผลิตใด ๆการสร้างแบบจำลองขนาดย่อมักเริ่มต้นด้วยเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดเล็กที่มีอัตราการผลิตสูงในช่วง 15–250 มิลลิลิตร ซึ่งทีมสามารถปรับแต่งพารามิเตอร์และทดสอบหน้าต่างการทำงาน [1] [3]. แบบจำลองเหล่านี้มีความสำคัญที่สุดเมื่อพวกเขาจำลองกรณีที่ยากลำบาก ไม่ใช่กรณีที่ง่าย รวมถึงการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวใน DO และ pH ที่เซลล์อาจพบในสภาพแวดล้อมขนาดใหญ่ที่ไม่สม่ำเสมอ [3].
CFD ช่วยคัดกรองความเสี่ยงก่อนการทดลองจริง มันสามารถทำนายการกระจายออกซิเจนและแรงเฉือนล่วงหน้า [1] [2]. Li et al. ใช้ CFD เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเรขาคณิตของเครื่องปฏิกรณ์ในขณะที่สร้างแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์อากาศยกขนาด 300,000 ลิตรสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์สัตว์ การสร้างแบบจำลองของพวกเขาแนะนำว่าเรือเดียวในขนาดนั้นสามารถเลี้ยงคนได้ 75,000 คนต่อปีในทางทฤษฎี [1].
งานในระดับนำร่องจะตามมาในขั้นตอนนั้น เป้าหมายคือการตรวจสอบว่าการไหลของเซลล์สามารถจัดการกับสภาพแวดล้อมในภาชนะขนาดใหญ่ได้หรือไม่ และกำหนดขีดจำกัดสูงสุดของความเครียดทางไฮโดรไดนามิกที่กระบวนการสามารถทนได้ [2].
การเปรียบเทียบเซ็นเซอร์ยังต้องมีการตรวจสอบโดยตรงในทุกขนาด เซ็นเซอร์ในสายการผลิตในภาชนะขนาดใหญ่ต้องทนต่อการฆ่าเชื้อและทำงานต่อเนื่องได้หลายสัปดาห์โดยไม่ต้องปรับเทียบใหม่ [1] [4]. ในหลายกรณี การใช้โพรบเพียงตัวเดียวไม่เพียงพอ อาจจำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์หลายตัวเพื่อตรวจจับความแตกต่างที่จุดวัดเดียวอาจพลาด [1] [4] . เฉพาะภาชนะที่ให้ข้อมูลที่เปรียบเทียบได้ในทุกขนาดเท่านั้นที่ควรดำเนินการต่อไปยังการตรวจสอบการจัดซื้อ
บทสรุป: สร้างรายชื่อเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่เหมาะสมกับกระบวนการ
การขยายขนาดเป็นชุดของการแลกเปลี่ยน ชีววิทยากำหนดขอบเขต จากนั้นการผสม การถ่ายโอนออกซิเจน สถาปัตยกรรมการควบคุม และการออกแบบภาชนะทั้งหมดต้องทำงานภายในขอบเขตเหล่านั้น แกนการตัดสินใจทั้งสามนี้ - ชีววิทยาของเซลล์ ประสิทธิภาพการถ่ายโอน และความเหมาะสมในการดำเนินงาน - ปรากฏในทุกการเปรียบเทียบแพลตฟอร์มและทุกขั้นตอนการตรวจสอบในคู่มือนี้
สิ่งนี้จะช่วยให้คุณจำกัดรายชื่อให้แคบลงอย่างรวดเร็ว เป้าหมายไม่ใช่การหาเครื่องปฏิกรณ์ที่มีรายการคุณสมบัติยาวที่สุด แต่คือการหาแพลตฟอร์มที่ตรงกับโหมดกระบวนการและสามารถรักษาความเหมาะสมนั้นได้เมื่อคุณขยายขนาด
ก่อนการตัดสินใจลงทุนใด ๆ ทดสอบรายชื่อที่คัดเลือกด้วยโมเดลขนาดเล็กลง CFD และงานในระดับนำร่อง [1]. หากระบบไม่สามารถรักษาประสิทธิภาพภายใต้เงื่อนไขเหล่านั้นได้ ไม่ควรก้าวไปสู่การเลือกซัพพลายเออร์
การตัดสินใจสำคัญที่ต้องนำเข้าสู่การจัดซื้อจัดจ้าง
ใส่เกณฑ์เหล่านี้ลงในรายการข้อกำหนดที่เป็นลายลักษณ์อักษรก่อนที่คุณจะพูดคุยกับซัพพลายเออร์
| ข้อกำหนด | สิ่งที่ต้องกำหนด |
|---|---|
| ประเภทเซลล์และการพึ่งพาการยึดเกาะ | ปรับให้เหมาะสมกับการแขวนลอย, ขึ้นอยู่กับไมโครแคร์ริเออร์, หรือรวมเข้ากับโครงสร้างรองรับ |
| โหมดการเพาะเลี้ยง | แบบชุด, แบบป้อนชุด, หรือแบบไหลเวียน - และว่าการประมวลผลอย่างต่อเนื่องเป็นเป้าหมายหรือไม่ |
| ความต้องการออกซิเจนและเป้าหมายการถ่ายโอน | ตามความหนาแน่นของเซลล์สูงสุด, อัตราการถ่ายโอนออกซิเจน, และข้อกำหนดการกระจายความร้อน |
| ขอบเขตความทนทานต่อแรงเฉือน | ความเครียดไฮโดรไดนามิกสูงสุดที่สายเซลล์สามารถทนได้, กำหนดโดยการทดลอง |
| ข้อกำหนดการควบคุมและการตรวจวัด | การตรวจสอบแบบอินไลน์เทียบกับออฟไลน์; พารามิเตอร์ที่ต้องตรวจสอบแบบเรียลไทม์ (pH, DO, CO₂, กลูโคส, ไบโอแมส) |
| เป้าหมายขนาดและวัสดุของภาชนะ | การใช้ครั้งเดียวเทียบกับสแตนเลส, ขึ้นอยู่กับปริมาณการผลิตและข้อกำหนดวัสดุเกรดอาหาร |
| เงื่อนไขเฉพาะของสายพันธุ์ | อุณหภูมิการทำงาน (e.g. 37 °C สำหรับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม; ต่ำกว่าสำหรับสายพันธุ์ทางทะเล) และอัตราการแลกเปลี่ยนก๊าซ [1] |
คำถามที่พบบ่อย
ฉันจะเลือกใช้ระหว่าง STR และ airlift ได้อย่างไร
ขึ้นอยู่กับประเภทเซลล์ของคุณ เป้าหมายการขยายขนาด และลำดับความสำคัญของกระบวนการ
STRs ถูกใช้อย่างแพร่หลาย ขยายขนาดได้ดี และให้การควบคุมกระบวนการที่แน่นหนา ทำให้เหมาะสมกับการเพาะเลี้ยงแบบแขวนลอยและเซลล์ที่ใช้ไมโครแคเรียร์ โดยเฉพาะเมื่อคุณขยายไปยังปริมาณที่มากขึ้น ข้อแลกเปลี่ยนคือแรงเฉือน: STRs สามารถทำให้เซลล์สัมผัสกับความเครียดทางไฮโดรไดนามิกมากขึ้น ดังนั้นการเลือกใบพัด ความเร็วปลาย และกลยุทธ์ก๊าซจึงมีความสำคัญ
เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบ Airlift มักจะอ่อนโยนต่อเซลล์ที่ไวต่อแรงเฉือนและมีความซับซ้อนทางกลไกน้อยกว่าเพราะไม่ต้องพึ่งพาการกวนภายในในลักษณะเดียวกัน แต่การขยายขนาดอาจไม่ตรงไปตรงมา โดยเฉพาะเมื่อคุณต้องการให้การผสม การถ่ายโอนก๊าซ และพฤติกรรมการหมุนเวียนสอดคล้องกันในทุกขนาด
โดยทั่วไปแล้ว ระบบ Airlift มักจะเหมาะกับเซลล์ที่บอบบางมากกว่า ในขณะที่ STRs มักจะเป็นตัวเลือกเริ่มต้นสำหรับกระบวนการขนาดใหญ่ที่มีการจัดตั้งที่ดีกว่า
เมื่อไหร่ที่ฉันควรเปลี่ยนจากการผลิตแบบ Batch เป็น Perfusion?
พิจารณาเปลี่ยนจากการผลิตแบบ Batch เป็น Perfusion เมื่อคุณต้องการ ความหนาแน่นของเซลล์ที่สูงขึ้น และการเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ในกรณีส่วนใหญ่ มันสมเหตุสมผลเมื่อกระบวนการของคุณจำเป็นต้องถือ ความหนาแน่นของเซลล์ที่สูงมาก - มากกว่า 100 ล้านเซลล์ต่อมิลลิลิตร - และได้รับประโยชน์จากการให้อาหารสารอาหารอย่างต่อเนื่อง การกำจัดของเสีย การควบคุมกระบวนการที่เข้มงวดขึ้น และเพิ่มผลผลิตเมื่อคุณย้ายจาก R&D ไปสู่การผลิต
ความเสี่ยงในการขยายขนาดที่ควรทดสอบก่อนคืออะไร?
ทดสอบความเสี่ยงในการขยายขนาดที่เร็วที่สุดเกี่ยวกับ ความมีชีวิตของเซลล์ และการควบคุมกระบวนการ ให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับ:
- ความเครียดจากการเฉือนที่เพิ่มขึ้น
- การถ่ายโอนออกซิเจน
- การกำจัดของเสีย รวมถึงการสะสมของ CO₂
คุณควรตรวจสอบอุณหภูมิ ค่า pH การส่งสารอาหาร ความเสี่ยงของการปนเปื้อน และสภาพแวดล้อมยังคงสม่ำเสมอเมื่อคุณย้ายจากการตั้งค่าห้องปฏิบัติการขนาดเล็กไปยังเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่หรือไม่
สิ่งนี้สำคัญเพราะกระบวนการที่ดูเสถียรในระดับห้องปฏิบัติการสามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อปริมาณเพิ่มขึ้น การผสมเปลี่ยนแปลง การถ่ายโอนก๊าซเปลี่ยนแปลงได้ ความชันในท้องถิ่นสามารถปรากฏขึ้นได้ เซลล์มักจะรู้สึกถึงการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นก่อนที่เมตริกกระบวนการหลักของคุณจะทำ
การตรวจสอบล่วงหน้าช่วยลดความไม่สม่ำเสมอและปกป้องสุขภาพของเซลล์
