Поиск
Поиск
Большинство людей не знают, как глубоко биотехнологические продукты, производимые путем крупномасштабного культивирования, влияют на нашу повседневную жизнь. Общественность может знать о классических антибиотиках или рекомбинантных белках, таких как антитела, продуцируемых «в промышленных масштабах». Однако роль ферментации/культивирования для низкомолекулярных фармацевтических препаратов, стероидов или цитотоксиков, как правило, не известна, а тем более роль ферментации для продуктов, используемых во вкусовых добавках и ароматизаторах, бытовых приборах, химическом производстве и многих других рынках. Первоначально термин «ферментация» использовался для описания анаэробных процессов преобразования крахмальных зерен в спирт – процесс, который до сих пор используется в производстве биотоплива первого поколения. Вот почему в учебниках эти процессы, которыми пользовались древние цивилизации тысячи лет назад, упоминаются как происхождение биотехнологии. Однако современная биотехнология была реализована благодаря двум отличительным признакам, показанным на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1. Исторический обзор ферментации за последние 350 лет. Два решающих события вызвали экономический успех биотехнологии. Первым была разработка технологии крупномасштабного стерильного культивирования для производства пенициллина во время второй мировой войны. Вторым было развитие инструментария генной инженерии для горизонтальной передачи генов, который эволюционировал от передачи одного гена (инсулин) бактерии (Escherichia coli) до передачи нескольких генов. Например, полный биосинтез опиоидов был осуществлен с помощью Saccharomyces cerevisiae путем передачи 23 разных генов от растений, млекопитающих, бактерий и дрожжей.
До этих двух событий ферментация была нестерильной, эмпирической и в целом трудноосуществимой. Первое реальное коммерческое промышленное применение ферментации – это производство уксуса из вина методом непрерывной заливки и отбора («fill and draw») в период Ренессанса во Франции. Вино в больших бочках окислялось с помощью плавающего на поверхности «матраса» из аэробных бактерий. Большая часть жидкости, содержащей в основном уксусную кислоту, затем удалялась из бочки и заменялась свежим вином; эту операцию повторяли до тех пор, пока биомасса оставалась активной.
Сегодня термином «ферментация» обозначается любое глубинное культивирование в биореакторе; в этой отрасли сейчас преобладают аэробные процессы. Удивительно, как далеко мы продвинулись с применением ферментации промышленного масштаба с момента разработки стерильной, крупномасштабной технологии культивирования для антибиотиков в 1943 году и появления генной инженерии в 1970-х годах. Сегодняшние «живые фабрики» включают в себя организмы дикого типа, мутантные, рекомбинантные, микробы, грибы, растительные клетки, клетки млекопитающих и других животных, а также стволовые клетки. В последнее время более 20 различных генов были трансплантированы горизонтально, как в случае наработки рекомбинантного опиоида на дрожжах [1]. «Промышленная ферментация» охватывает коммерческие цели от биотоплива до персонализированных лекарств.
Термин «промышленный масштаб» в связи с рабочими объемами жидкостей может означать что-то свое для каждой категории продуктов. Интермедиаты, аминокислоты и витамины для кормления животных и других применений производятся в биореакторах с перемешиванием или ферментерах с рабочим объемом до нескольких сотен кубометров.
Коммерческое производство рекомбинантных, парентеральных (инъецируемых) терапевтических белков или моноклональных антител в реакторах с мешалкой требует максимальных рабочих объемов только в несколько десятков кубических метров. Наконец, «промышленный», используемый в контексте промышленного производства стволовых клеток, которые в настоящее время выращиваются на микроносителях, в [чаще всего] одноразовых биореакторах с перемешиванием, означает всего несколько сотен литров рабочего объема.
Диапазон номинального рабочего объема биореактора, таким образом, охватывает, по меньшей мере, два порядка величин: от дешевых товаров народного потребления до дорогостоящих лекарственных препаратов. Хотя основные принципы глубинного культивирования в биореакторах и базовая конструкция этих биореакторов остаются одинаковыми для всех применений, их необходимо адаптировать и модифицировать в соответствии с конкретными требованиями типа культивируемых клеток и целевого продукта в отношении следующих параметров:
потребность в кислороде
требования к теплопередаче
чувствительность к силам сдвига
чувствительность к вариациям процесса и культуры
чувствительность к локальным изменениям в биореакторе
текущие требования надлежащей производственной практики (cGMP)
требования биобезопасности (обычно это помещения 1 и 2 класса)
особые требования безопасности для АФИ высокой силы (HPAPI)
В этой статье мы познакомили читателя с наиболее важными аспектами ферментации в промышленных масштабах. Какие организмы подходят для крупномасштабной суспензионной культуры? Как выглядят стандартные рабочие процедуры (СОП) и установки для крупной ферментации? Какие рынки являются наиболее важными? Что влияет на экономику крупномасштабной ферментации и какие важные регуляторные аспекты необходимо учитывать?
