En engangs bioreaktor er et sterilt kulturkammer laget av polymert materiale, godkjent av Food and Drug Administration (FDA). Etter å ha fylt bioreaktoren med dyrkningsmedium og inokulum med den produserende organismen, begynner ønsket gjæring .
I 1963 opprettet Falch og Hedenon den første engangsbioreaktorposen. De dyrket vellykket Bacillus subtilis , Escherichia coli og Serratia marcescens , og tilpasset sitt system for å bringe den første engangsbioreaktoren i markedet på markedet.1972 : Hollow fiber-bioreaktoren . Det tillater produksjon av antistoffer i liten skala: ca. 100 mg .
Siden 1995, med den tekniske utviklingen, har engangsbioreaktorer fortsatt å utvikle seg, og de siste årene har de tatt en betydelig plass på markedet siden “ bioreaktorer med omrørt tank ” kan erstattes av denne typen engangsbioreaktor.
Når produksjonen av produktet og dets utvinning er fullført, kastes plasten som brukes til dyrking .
I statiske bioreaktorer i engangsposer skyldes produktdannelse eller cellevekst utelukkende av ledningsfenomener og reaksjonsprosesser som forekommer inne i kulturposen og dens interaksjoner med miljøet . Den genererte kraften er ansvarlig for den interne overføringen av energi og masse og dermed cellevekst og / eller ekspresjonsprodukter i dynamiske bioreaktorer. Posebioreaktorer brukes oftest til dyr og menneskelige cellekulturer. De kan klassifiseres i statiske poser med bioreaktorer, mekanisk drevet med vibrerende , vibrasjonsblandede eller bølgefremkalte omrøringsbioreaktorer, og hybride poser med bioreaktorer hvor mekanisk og pneumatisk omrøring kombineres.
Det er mer fornuftig å skille mellom de forskjellige typene bioreaktorer etter deres blandingsprinsipp eller deres kulturbeholder. Bioreaktorer kan være statiske eller urolige. Agiterte bioreaktorer kan være mekanisk (tilt, rotasjon, vibrasjon) eller pneumatisk (seng av luft , boblende).
Denne studien vil beskrive de viktigste typer engangs bioreaktorer og fokusere på de som har en stor innvirkning på området engangs bioteknologi . Denne listen er ikke uttømmende. I tillegg, siden engangs bioreaktorer er mer fleksible enn tradisjonelle bioreaktorer, kan de mer eller mindre tilpasses av brukeren, i henhold til hans behov.
Disse bioreaktorene er veldig enkle og uten instrument for kontroll under gjæring . Disse enhetene er små og er veldig til stede i markedet i dag. De brukes mest under forkulturer, visninger eller til og med i produksjon der de brukes parallelt.
Statisk bioreaktorposeDen gasspermeable er den eldste og enkleste modellen av lukkede grow enheter. Til tross for forskjellige laboratorie- og kliniske anvendelser er disse bioreaktorene begrenset til lav celletetthet, og til slutt resulterer i et lavt cellevolum, i størrelsesorden milliliter . Eksisterende systemer varierer i størrelse og type polymer og er ideelle for celleutvidelse, differensiering og kjøling av celler.
De sylindriske flaskene (rulleflaske eller rulleflaske) og bioreaktorene med flere plater kan være tusenvis koblet sammen, for eksempel for produksjon av ErythroPoietin (EPO) .
Industriell automatisering kan erstatte manuell drift med Cellons RollerCell.
Imidlertid skaper visse begrensninger, for eksempel behovet for matet batchfôr, høyere risiko for forurensning. I kolber eller i mikroplatene begrenser et lite overflateareal for celleutvidelse cellevekst, med tillegg av umuligheten for brukeren å overvåke mikromiljøet av kulturen ved hjelp av skjerm, som deretter krever eksternt utstyr, som en CO 2 inkubator.
To-kammer bioreaktorerTo-kammer bioreaktorer er små bioreaktorsystemer med to dialysemembraner for å separere kulturen plass fra kulturmediet . De er preget av sin høye volumetriske produksjon. Den MiniPERM systemet fra Vivascience, eller den CellLine fra Integra Biosciences er meget effektiv i laboratorieskala, som produserer opp til flere hundre milligram av monoklonale antistoffer (MAC).
Generelt er en mekanisk omrørt bioreaktor et veldig heterogent miljø både når det gjelder turbulente egenskaper og når det gjelder konsentrasjon. Skjematisk, jo lenger bort fra omrøreren injiseres , jo større blir konsentrasjonen heterogenitet. I tillegg observeres noen ganger døde soner der oksygenoverføring er begrenset, som i sentrifugal-omrørte bioreaktorer. Men omrørte bioreaktorsekker foretrekkes fordi de lager biomasse og produkter til høyere priser. Faktisk øker verdien av den volumetriske overføringskoeffisienten (KLxa) når luftingshastigheten er høyere og mediet er mer homogent enn i et statisk system.
SpinnerflaskerDen spinnerflasker engangs plastflasker (agitert) er små bioreaktorer med omrøring i system, som kan brukes for å utvikle fremgangsmåter, særlig for testing av kulturmedier og kraft .
Omrørt pose bioreaktor eller omrørte bioreaktorerDe bioreaktorer omrørt tankflergangs bioreaktorer er for tiden den mest brukte, spesielt i industriell målestokk. Engangsmodeller kom inn på markedet i2006og er gjenstand for patenter. Det har blitt mer og mer vanlig å se engangsbioreaktorer i plastposer eller bølgebioreaktorer som erstatter omrørte tankbioreaktorer .
Entusiasmen for denne typen bioreaktor tilskrives den nylige markedsføringen av det omrørte bioreaktor benchtop-systemet , som Mobius CellReady 3 L Bioreactor . Den første modellen kom inn i markedet i 2006.
Ingen bibliografisk informasjon sammenligner standard bioreaktorer i rustfritt stål med engangsbioreaktorer (hydrodynamiske egenskaper, oksygenoverføring osv.), Bortsett fra blandingsrøringen på 250 L Bioreactor (SUB) for engangsbruk . Imidlertid er kvaliteten og kvantiteten til de oppnådde produktene den samme som den som oppnås med den tilsvarende bioreaktoren av stål. Og for å sikre sammenlignbare resultater holdes forholdet mellom høyde og diameter på 1,5: 1.
Prinsippet deres ligner på tradisjonelle beholdere i rustfritt stål, dette letter overføringen til stålbioreaktorer med større volum. Beholderens geometri og omrøringssystemene er en kopi av tradisjonelle stålmodeller.
Kultursekken er integrert i en permanent beholder i rustfritt stål utstyrt med varmebånd. Dette er tilfelle, men dette beltet tar derimot mer tid å tilpasse temperaturen til et visst nivå på grunn av en redusert kontaktflate sammenlignet med den konvensjonelle omrørte tankens bioreaktor.
Disse bioreaktorene er hovedsakelig ment for dyrking av dyreceller (insekter og pattedyr) for produksjon av mAc og vaksiner.
Det er noen forskjeller mellom dem når det gjelder dyrking, omrøringsprinsipp og temperaturkontroll.
De har aksiale rørere eller rør som er forhåndsinstallert, så vel som konvensjonelle røre instrumenter som for eksempel mikro sprinkleranlegg eller åpne rør eller ring sprinkleranlegg , gassfiltre , porter for integrering av sonder og serieporter .
De har sin egen måleenhet og kontroll, og gir muligheten til å kontrollere kulturens forskjellige parametere. Imidlertid må prober settes sterilt inn i noen systemer. Den matede batch- modusen for mating kan automatiseres og en celletetthet større enn 106 celler per milliliter kan støttes.
For kontinuerlig strømmodus kan bioreaktoren utstyres med celleoppbevaring ekstern enhet: Det pneumatiske systemet Centritech of Xcellerex ble testet på 200 liter og 1000 liter . Denne typen bioreaktor kan også kobles parallelt.
Bioreaktor med vibrasjonsblanderKraften til bioreaktoren kan reguleres av omrøringsamplituden og frekvensen. Nøkkelelementet er den hule vertikale svingakselen med perforerte skiver, som er sveiset til den fleksible plastposen. Posen inneholder engangsdetektorer for måling av pH og / eller oppløst oksygen . Bevegelsen av perforerte koniske skiver induserer aksial flyt i posen, som rører og lufter dyrkningsmediet og cellene. Med dette systemet er det ingen vortexdannelse . En KLxa fra 26 til 82h-1 kan fås i en 2 L bioreaktor .
Rocking, inversjon eller kile agitasjon plattformerSystemer med bølgeangrering er de mest avanserte for biofarmasøytisk gjæring eller pattedyrcellekultur. De brukes hovedsakelig i batch og matet batchfermentering. Utstyr kan tilsettes for å beholde celler og tillate kontinuerlig infusjon.
Denne typen bioreaktor ble utviklet i 1996 og har vært kommersielt tilgjengelig siden 1998, med Wave Bioreactor System20. Det var han som satset på utvikling av engangsbioreaktorer. AppliFlex's BioWave & Wave Reactor er den mest brukte i dag. Oppholdstidsfordelingen viser at drift i en bølgerørt bioreaktor i kontinuerlig tilføringsmodus kan beskrives som en ideell modell for en omrørt bioreaktor. Det største systemet som eksisterer i dag har en kapasitet på 1000 liter hos GE Healthcare, som inneholder maksimalt 650 liter effektivt medium. Det er mulig å fylle posen ytterligere hvis du bruker en bioreaktor omrørt tank til engangsbruk med aktiv oksygen og forskjellige blandingsteknikker som Rushton turbin eller propell.
Bortsett fra muligheten for å øke posens størrelse for å øke produksjonen, er det mulig å betjene flere poser parallelt. Dette er prinsippet til Tsunami-bioreaktoren.
Den Slug boble består av et vertikalt fleksibelt plast rør fylt til 80% av dens høyde med kulturmediet. Den omrøring og lufting blir utført med den intermitterende dannelse av store gassbobler i systemet bakgrunnen som deretter stiger til toppen. Disse boblene tar opp hele bredden på røret. Undersiden av boblen er preget av sterk uro.
Den Slug Bubble bioreaktor av Nestlé eller plastforede bioreaktor , blir brukt for plantecellekultur. Begge bruker en boblekolonne for et kulturvolum på opp til 100 l .
LuftløftreaktorEngangsluftsengesystemet er laget av en forhåndssterilisert plastfilm som lar lys passere gjennom . Omrøringen utføres av luftboblene. Problemer med skjær og skum på grunn av plantecellens stivhet og størrelse reduseres. Systemer som Cellexus CellMaker er mer fleksible i agitasjonsprinsippet og fører til et bredere spekter av applikasjoner. De kan fungere som en luftløft-bioreaktor alene eller i kombinasjon med et internt agitasjonssystem for pattedyrcellekulturer .
Blanding og lufting oppnås ved hjelp av luftstrømmen til et sprinklerrør og to magnetisk induserte propeller . Cellebuljongen luftes fra bunnen av posen.
Overføringsbevegelser garanterer gassutveksling med posens øvre rom, som kan ventileres uavhengig av gassblandingene.
Strømmen reduserer overdreven skumdannelse ved å legge press på posens øvre rom. Masseoverføringen av oksygen økes dermed.
Imidlertid måles ikke oksygen og pH kontinuerlig.
Den hule fiber-bioreaktoren eller den hule fiber- bioreaktoren har blitt brukt siden1972, i sin gamle versjon, som en kunstig lever for dialyse hos kliniske pasienter.
I denne bioreaktoren vokser celler med høy tetthet inne i en patron. De holdes i live i lang tid gjennom et medium som sirkulerer kontinuerlig i hule organiske fibre i form av kapillarrør med en diameter på 0,1 til 2 mm .
Cellene, som er mer eller mindre immobiliserte, tåler høyere konsentrasjoner av produkter (for eksempel benzen eller toluen ) og har en mer effektiv metabolisme (opptil 16 ganger høyere for nedbrytning av benzen).
Det er den første engangsreaktoren på markedet med god produksjonskapasitet. Imidlertid, selv om dette systemet er en pioner innen engangs bioreaktorer, har det ikke samme ytelse som rustfritt stålteknologi eller mekanisk omrørte bioreaktorsekker. Søknader er svært begrenset i dag.
Bruken av en hulfiber-bioreaktor er kun ment for å oppnå en høy celletetthet som tilføres ved kontinuerlig perfusjon.
Imidlertid er den maksimale kommersielle kapasiteten på 2,5 liter med 20 patroner av hule fibre koblet parallelt. Derfor er deres bruk begrenset til små volumer for in vivo diagnostikk eller biofarmaka. De brukes også til å produsere nye stoffer i liten skala, og unngår utvikling av sofistikert produksjon.
Systemet er preget av et uavhengig kulturmedium og en dryppfôret kultur. Dette tillater oppbevaring av celler og produkt i kulturkammeret. Separasjonen oppnås med de indre og ytre kapillærrommene i fiberpatronen. Systemet har to uavhengige driftssykluser. Den første tillater kontinuerlig strøm av dyrkningsmedium gjennom de hule fibrene og oksygenatoren (middels sirkulasjon). Den andre går gjennom det ekstra kapillære rommet, også kalt kulturområdet, og brukes til inokulering og prosedyrer for høsting av produkter.
Siden avlingen er uavhengig av tilførselshastigheten, kan produktkonsentrasjonen justeres. Dette er en fordel for ustabil produsere, for å overvinne produkt hemning (høyere avling rate), eller for å redusere avling volum (lavere avling rate).
Andre generasjons reaktorer er utviklet for å forbedre membranen . De er utstyrt med et ekspansjonskammer for hver driftssyklus der gastrykket kan økes selektivt (opptil 100 mmHg ). Dette sikrer transmembrantrykkontroll som gir større masseoverføring enn den som oppnås ved enkel diffusjon. Den transmembrane strømmen kan justeres opptil seks ganger volumet av cellekultur per time.
Overflaten til membranen ble studert slik at det ikke ble tilsmussing i løpet av minst 60 dagers kultur. Under dyrking gir rotering av patronen alternativ eksponering av celler for oksygen og dyrkningsmedium for å tillate tilstrekkelig næringsstoffinntak, avfallshåndtering og produkthøsting. Røret beskytter celler mot skjærspenning, med forsiktig rotasjon.
Den minste bioreaktoren av denne typen har et volum på 100 ml og kan kobles sammen med syv andre bioreaktorer parallelt. Det søkes en 10 L bioreaktor for produksjon av preklinisk materiale og kliniske undersøkelser.
Det er også 100 l bioreaktorer på markedet, og det forventes et volum på 400 l .
Den SuperSpinner D1000 er basert på prinsippet av hule organiske fibre viklet rundt laminert blad. Lufting gir 3,5 ganger oksygenoverføringshastigheten og tre ganger celletettheten standard glass spinner . Disse resultatene er lik de som er oppnådd av Wave-bioreaktoren . Dette systemet er derfor også anvendelig for dyrking av dyreceller.