Biologischer Fermenter

Das Konzept biologischer Fermenter hat sich seit seiner Einführung erheblich weiterentwickelt. Frühe Entwürfe basierten hauptsächlich auf der mikrobiellen Rührfermentation, bei der Mikroorganismen in einem Rührkesselreaktor kultiviert wurden. Im Laufe der Zeit erlebte die Branche das Aufkommen verschiedener Arten von Fermentern, darunter Systeme mit Wellenmischung, Rührkessel und Orbitalschüttelsysteme. Jeder dieser Typen ist für unterschiedliche Zelltypen und Betriebsvolumina geeignet und spiegelt die Vielfalt und Komplexität der biopharmazeutischen Produktion wider.

Beispielsweise haben Wellenmischfermenter weit verbreitete Anwendung bei der Expansion von Samenzellen und der Kultivierung scherempfindlicher Säugetierzellen gefunden. Ihre sanfte Mischwirkung minimiert Zellschäden und fördert ein gesünderes Zellwachstum und höhere Produkterträge. Im Gegensatz dazu werden orbital geschüttelte Systeme, obwohl sie relativ langsamer in der Entwicklung sind, hauptsächlich für die Kultivierung tierischer und pflanzlicher Zellen mit geringerem Sauerstoffbedarf verwendet. Diese Systeme sind überwiegend auf Anwendungen im Labormaßstab beschränkt und dienen als wichtige Plattform für Forschung und frühe Entwicklungsphasen.

◆ Fermentationskammer: Dies ist das Hauptfach, in dem der biologische Prozess auftritt. Es besteht normalerweise aus Edelstahl, um Haltbarkeit und Sterilität zu gewährleisten.

◆ Agitationssystem: Um ein einheitliches Mischen und Belüftungen innerhalb der Fermentationskammer zu gewährleisten, werden Agitatoren wie Anspker oder Rührer eingesetzt. Diese helfen bei der Aufrechterhaltung homogener Bedingungen während des gesamten Fermentationsprozesses.

◆ Belüftungssystem: Die Bereitstellung von Sauerstoff ist für aerobe Organismen von entscheidender Bedeutung. Dies wird durch Begaser oder Luftverteiler erreicht, die sterile Luft in die Fermentationsbrühe einbringen.

◆ Kühlsystem: Die Temperaturregelung wird unter Verwendung von Jacken oder Spulen gehalten, die mit einem Kühlmittel gefüllt sind. Dies verhindert eine Überhitzung und gewährleistet optimale Wachstumsbedingungen.

◆ pH-Kontrollsystem: Der pH-Wert der Fermentationsbrühe wird überwacht und mithilfe von Säuren, Basen oder Puffern angepasst, um den gewünschten Bereich aufrechtzuerhalten.

◆ Nährstoffzufuhrsystem: Eine kontrollierte Versorgung mit Nährstoffen wie Zucker, Aminosäuren, Vitaminen und Mineralien wird bereitgestellt, um das Zellwachstum und den Stoffwechsel aufrechtzuerhalten.

Die Vielseitigkeit biologischer Fermenter macht sie in verschiedenen Stadien der biopharmazeutischen Produktion unverzichtbar. Eine der bedeutendsten Anwendungen ist die Produktion von rekombinanten Proteinen unter Verwendung von Säugetierzellkulturen. Im Gegensatz zu mikrobiellen Zellen können Säugetierzellen größere Proteine ​​mit komplexen posttranslationalen Modifikationen wie Glycosylierung produzieren, was sie ideal für die Produktion therapeutischer Proteine ​​macht, die menschliche Proteine ​​nachahmen.

Transgene Tiere, insbesondere transgene Ziegen und Kaninchen, haben sich als vielversprechende Modelle für die Herstellung von rekombinanten Proteinen herausgestellt. Durch die Integration menschlicher Gene in das Genom des Tieres können Forscher die natürlichen Produktionssysteme des Tieres nutzen, um therapeutische Proteine ​​in ihrer Milch oder anderen Körperflüssigkeiten zu erzeugen. Dieser als "molekulare Landwirtschaft" bekannte Ansatz bietet mehrere Vorteile, darunter niedrigere Produktionskosten, höhere Erträge und erweiterte Sicherheitsprofile.

Zum Beispiel wird Atryn, ein rekombinantes Antithrombin -Antikörper, das 2009 von der FDA zugelassen wurde, in der Milch transgener Ziegen hergestellt. In ähnlicher Weise wird Ruconest, ein rekombinanter menschlicher C1 -Esterase -Inhibitor, aus der Milch transgener Kaninchen gereinigt. Diese Produkte zeigen die Machbarkeit und Wirksamkeit transgener Tierreaktoren in der biopharmazeutischen Produktion.

◆ Fortschritte in der Zellkulturtechnologie: Die Entwicklung neuer Zellkulturmedien, Fütterungsstrategien und Perfusionssysteme hat die Produktivität und Qualität tierischer Zellkulturen deutlich verbessert. Diese Fortschritte haben die Produktion höherer Titer an therapeutischen Proteinen und Impfstoffen ermöglicht, wodurch die Kosten gesenkt und die Verfügbarkeit dieser Produkte erhöht wurden.

◆ Innovationen im Bioreaktordesign: Neue Bioreaktorkonstruktionen wie wellenmischte und orbital erschütterte Bioreaktoren bieten verbesserte Misch- und Massenübertragungseigenschaften, wodurch die kultivierten sensiblen Zelltypen und die Produktion hochwertiger Produkte ermöglicht werden. Darüber hinaus hat die Verwendung von Einwegbioreaktoren eine Verringerung der Kontaminationsrisiken und vereinfachte Produktionsprozesse.

◆ Integration der Bioprozessautomatisierung: Die Integration von Automatisierungs- und Steuerungssystemen in Bioreaktoren hat eine Verbesserung der Prozesswiederholbarkeit, einen reduzierten Bedienerfehler und die Überwachung der Echtzeit und die Steuerung kritischer Prozessparameter ermöglicht. Dies hat zu einer erhöhten Produktivität, einer verringerten Ausfallzeit und einer verbesserten Produktqualität geführt.

◆ Nachhaltigkeit und Umweltauswirkungen: Die Biotechnologiebranche konzentriert sich zunehmend auf die Reduzierung ihrer Umweltauswirkungen und die Verbesserung der Nachhaltigkeit. Dies hat zur Entwicklung neuer Bioprozesse geführt, die erneuerbare Ressourcen nutzen, die Abfallerzeugung minimieren und den Energieverbrauch senken. Darüber hinaus hat der Einsatz von Einweg-Bioreaktoren den Bedarf an Reinigung und Sterilisation reduziert, was die Umweltbelastung weiter reduziert.