Nova Biomedical предлагает усовершенствованные аппараты, позволяющие приблизить процесс культивирования к полной автоматизации

Nova Biomedical предлагает усовершенствованные аппараты, позволяющие приблизить процесс культивирования к полной автоматизации

Перед технологами на этапе проектирования ферментационного отделения биотехнологического производства и в процессе последующей его эксплуатации стоит задача создания и поддержания самых благоприятных условий для роста культур и увеличения выхода требуемого продукта. Здесь важны такие процессы, как поддержание необходимой температурной среды на заданном уровне, контроль pH уровня, контроль свойств и состава питательной среды.

При производстве метаболитов возникают сложности по причине особенностей протекания процесса. Это происходит по той причине, что в тот или иной период культивирования среда, то есть ее состав должен соответствовать этапу развития клетки штамма-продуцента и изменяться: на каждом этапе среда должна соответствовать фазе роста, уровню активности и состоянию клетки. Это обстоятельство препятствует переводу оборудования и связанного с ним производства в режим непрерывной работы. Кроме того, задача усложняется еще и необходимостью присутствия оператора, осуществляющего постоянный мониторинг и непосредственное управление процессом.

К этому следует добавить необходимость перманентной корректировки состава питательной среды, приводя его в соответствие с потребностями штамма-продуцента, которые отслеживает он же. При культивировании клетки в непрерывном режиме задача оператора значительно проще – он корректирует концентрации кислорода и питательных веществ во время работы ферментера и вводит по определенной схеме кислоты или щелочи для уравновешивания уровня pH.

Новые разработки в сфере промышленных биотехнологий отчасти решают ряд задач за счет применения надежных экспресс-методов получения количественных данных о состоянии и свойствах живых клеток, уровня и состава питательных веществ и метаболитов. За последние несколько лет разработаны, протестированы и внедрены эффективные аппаратные решения, позволяющие в режиме реального времени осуществлять экспресс-контроль развития культуры и состава питательных сред.

К таким аппаратным средствам относят биотехнологические анализаторы, позволяющие получать все необходимые данные и передавать их пользователям в режиме онлайн. Работа прибором основана на биосенсорных технологиях, позволяющих получать точные данные с последующим их воспроизведением.

Возможности аппаратного контроля культуральной среды

Биореактор (или ферментер) – основной аппарат, задействуемый в биотехнологическом процессе. С его помощью создаются оптимальные условия для культивирования микроорганизмов (или культур клеток): подготавливается требуемая питательная среда, поддерживается высокий уровень стерильности и постоянная температура, регулируется интенсивность перемешивания, осуществляется продувание стерильным воздухом или, если это требует технология, газовыми смесями.

Современная аппаратура значительно упрощает контроль и управление культивированием, она позволяет достигать высоких результатов производства целевого продукта. Но она не способна заменить оператора-технолога, который, как и раньше, выполняет операции по управлению факторами культуральной среды, пользуясь рутинными методиками по забору проб на определение уровня метаболитов, состава питательных веществ.

В какой-то степени облегчают работу технологов биотехнологические анализаторы, получившие широкое распространение благодаря способности быстро определять параметры среды. Им на забор проб и анализ требуется всего 1 – 2 минуты. Интегрированные биосенсоры чутко реагируют на биологический материал, быстро идентифицируя компоненты и определяя заданные показатели.

Они позволяют получать точные данные о процессе, и, соответственно, оперативно корректировать состояние среда. Могут использоваться как в непрерывном, так и в периодических процессах. Ниже в таблице показаны возможности аппаратуры по определению среды, контролю и управлению факторами, на нее влияющими.

Фактор

Роль при культивировании

Аппаратурные методы управления фактором

Состав питательной среды и уровень насыщенности

Поддержание метаболизма

Измерение концентрации с помощью анализаторов Bioprofile или рутинным способом.

Интеграция контроллера биореактора и анализатора возможна автоматизация подпитки.

Концентрация продуктов и ингибиторов

Замедляет биохимические реакции

Измерение концентрации продуктов метаболизма с помощью анализаторов Bioprofile и их выведение из среды ферментирования с помощью роторного фильтра.

рН

Оптимизирует скорости биохимических реакций

Измерение уровня pH с помощью датчиков, встроенных в контроллер биореактора. Автоматизация подачи кислоты и щелочи.

Температура

Оптимизирует скорости биохимических реакций

Измерение температуры с помощью встроенных в биореактор температурных датчиков, изменение температуры водяной рубашки.

Осмотическое давление или активность воды

Определяет границы жизни (составляет 0,6-0,998)

Измерение осмотического давления среды с помощью автоматического осмометра или с помощью анализатора Bioprofile FLEX. Автоматическое разбавление среды в случае интегрирования контроллера ферментера и анализатора Bioprofile FLEX.

Содержание растворенного кислорода

Для аэробов обеспечивает аэробный метаболизм; является акцептором Н+; ингибирует развитие анаэробов

Измерение кислорода встроенным в ферментер датчиком кислорода, аэрация культуральной среды.

Содержание диоксида уг-лерода

Источник углерода для автотрофов; некоторые гетеротрофы нуждаются, а некоторые замедляют метаболизм в присутс-твии СО2

Измерение углекислого газа встроенным датчиком, продувание культуральной среды CO2.

Перемешива-ние среды

Равномерное распределе-ние питательных веществ и биомассы по всему пространству среды

С помощью мешалок ферментера различной конструкции.

Вязкость сре-ды

Определяет диффузию питательных веществ и перемешивание клеток продуцента

Разбавление культуральной среды, регулиров-ка работы мешалки, аэрация.

В таблице приведены обобщенные данные по возможным аппаратным методам управления факторами при использовании биореактора в интеграции с биоанализатором. Исследование приводилось на основе использования анализатора Bioporfile FLEX. Приводятся его возможности, поскольку на сегодняшний день он является наиболее эффективным и продуктивным прибором. Благодаря своим характеристикам он способен заменить несколько лабораторных приборов, используемых для контроля среды, а также часть применяемых рутинных методик.

Анализатор модели Bioprofile FLEX позволяет технологу практически мгновенно производить замеры питательных веществ, осмотического давления, метаболитов, а также анализировать физиологический статус микроорганизма. Он отлично интегрируется с контроллером биореактора и играть активную роль в автоматизации подпитки.

На тему эффективности использования анализаторов этой марки проведено множество исследований, результаты которых опубликованы в специализированных изданиях. Доказана их эффективность в части составления питательных сред с питательными веществами в оптимальной концентрации, автоматизации и продуктивности подпитки. Применение биоанализаторов в лабораториях и на производстве во многих отраслях стало нормой.