Масштабирование (Scaling-up) при производстве терапевтических белков

Статья дана в виде интервью. Здесь собраны ответы специалистов компании БИОТЕХНО по вопросу масштабирования.

Каковы основные проблемы масштабирования при переходе от лабораторного масштаба к пилотному, а затем к промышленному масштабам производства?

При масштабировании биотехнологического процесса основными проблемами являются различия в однородности между разными масштабами, с которыми трудно справиться во время разработки, и которых нельзя избежать. Это может повлиять на качество процесса и/или качество продукта. Гидростатическое давление, которое выше на дне биореактора, влияет на растворимость газов; эффективность перемешивания может приводить к различиям в газо- и массообмене.

Кроме того, динамика жидкости существенно различается на разных масштабах, что создает иную гидродинамическую среду. Для хрупких клеток млекопитающих, которые могут быть повреждены при использовании промышленных биореакторов, гидродинамический стресс является главной проблемой, которая часто обсуждается в контексте масштабирования.

Эти проблемы могут быть решены использованием пилотных биореакторов (также называется "ферментер для культивирования микроорганизмов"), сходных по форме ёмкости с производственными. Однако небольшая разница в форме (и производительности, до некоторой степени) между шагами культивирования будет неизбежной по сугубо техническим причинам. В настоящее время для выполнения масштабирования от лабораторного масштаба до промышленного часто используется компьютерное моделирование. 

Для этого используются различные критерии масштабирования, включая удельную мощность (specific power input (P/V)), скорость вращения импеллера (impeller tip speed (Vtip)), силу сдвига, создаваемую импеллером (impeller shear rate (g)) и удельную мощность массопереноса (specific impeller pumping rate (Qs)), коэффициент массопереноса, K_La. Невозможно одновременно поддерживать все переменные на постоянном уровне из-за ограничений в конфигурации различных биореакторов. Постоянная удельная мощность (P/V) является наиболее часто используемым критерием масштабирования.

Исходя из вашего опыта, облегчает ли процесс масштабирования такой приём как улучшенный мониторинг параметров культуры при отработке процесса на лабораторных масштабах? Как реализовать эту возможность? 

Все измерения параметров культуры, которые могут быть реализованы в небольших масштабах и которые позволяют повысить понимание и контроль процесса, могут затем облегчить путь масштабирования. В фармацевтическом производстве это достигается за счет внедрения процессно-аналитической технологии (Process Analytical Technology – PAT), а также подхода «качество через замысел» (Quality by Design – QbD). 

С другой стороны, вычислительные методы, основанные на гидродинамическом моделировании (computational fluid dynamics – CFD), могут быть использованы для выявления критических ограничений в геометрии для масштабирования, а также моделировать и оптимизировать перемешивание, объём задержки газа (gas hold-up), коэффициенты массопереноса и распределение газов внутри биореактора. CFD дает возможность имитировать поведение производственных ферментеров большого объема, используя лабораторные сосуды.  

В настоящее время на рынке имеется множество доступных датчиков, которые можно легко установить на любой биореактор, независимо от его размера. CFD – это неинтрузивный метод, который может быть реализован на недорогом стеклянном лабораторном биореакторе.

Что сложнее поддерживать на должном уровне в процессе масштабирования: выход продукта или его качество? 

Оба показателя могут создавать определенные трудности в данном вопросе (зависит от конкретного процесса), но, например, в биофармацевтике, если небольшие различия в выходе продукта допустимы, то его качество должно оставаться постоянным независимо от масштаба. 

Для повышения качества необходимо выполнить следующие процедуры:

1) Сделать график трендов параметров культуры. Он будет отражать изменение параметров в течение отработки процесса;
2) Выбрать правильную форму импеллера и определить подходящую скорость перемешивания;
3) Выбрать подходящий способ аэрации, дающий оптимальный размер пузырьков;
4) Выявить концентрацию метаболитов и определить соответствующий метод оптимизации процесса;

Какие ваши продукты/услуги подходят для масштабирования биотехнологического процесса?

Масштабирование (Scaling-up) – это, главным образом, задача Заказчика, но мы можем помочь, предоставив оборудование, сконструированное в соответствии с его требованиями, что позволит максимально облегчить этот процесс: