Аппарат тесла в биотехнологии используют для
Обновлено: 05.07.2024
Принципиальное отличие биотехнологических процессов от чисто химических заключается в следующем:
– чувствительность биологических агентов к физико-механическим
– требования условий асептики;
– низкие скорости протекания многих процессов в целом;
– нестабильность целевых продуктов;
– сложность механизмов регуляции роста и биосинтеза.
3. Классификация реакторов по конструктивным признакам и по организации перемешивания
К настоящему времени разработано и применяется огромное количество разнообразнейших перемешивающих и аэрирующих устройств, и классифицировать их практически невозможно.
4. Характеристика аппаратов с подводом энергии через газовую фазу
Ферментеры с подводом энергии к газовой фазе (группа ФГ). Их общий признак – подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. Ферментеры характеризуются достаточно простой конструкцией (отсутствуют трущиеся, движущиеся узлы), высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики (коэффициент массопередачи кислорода менее 4 кг/м 3 ) (рис. 1). Данные аппараты представляют собой вертикальную емкость, снабженную газораспределительным устройством одного из известных типов.
Барботажные газораспределительные устройства обычно устанавливаются в нижней части аппарата. Подаваемый сверху через распределительную трубу воздух, пройдя через барботер, насыщает кислородом толщу среды. Коэффициент массопереноса кислорода невысок, 1–2 кг/м 3 ч;
Рис. 1,6 Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ) (Виестур и др., 1986). а) барботажный: 1 – корпус, 2 – воздухораспределитель, 3 – карман, 4 коллектор.
5. Общая характеристика реакторов с подводом энергии через жидкость
Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ) наиболее сложны по конструкции и энергоемки, но обеспечивают наиболее высокие по сравнению с группой ферментеров ГФ значения коэффициента массопередачи кислорода, свыше 6 кг/м 3 ч. В данных аппаратах ввод энергии осуществляется жидкой фазой, обычно самовсасывающими мешалками или насосами; в последнем варианте жидкость вводится в аппарат через специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор). Данные аппараты также можно подразделит на ряд типов (рис. 1.7): ферментеры с самовсасывающими мешалками не требуют специальных воздуходувных машин, так как поступление в них воздуха происходит в результате разрежения в воздушной камере мешалки, соединенной с воздуховодом и с жидкостью, отбрасываемой лопатками мешалки; в эжекционных ферментерах возможна рециркуляция газовой фазы, что экономит субстрат, однако требуется наличие специальных насосов для перекачки газосодержащей культуральной среды. Применение эжекционного ввода газовых субстратов в ферментер может интенсифицировать массообмен на порядок; струйные ферментеры (с затопленной или падающей струей) оборудуются мощными насосами, которые забирают культуральную жидкость из нижней части аппарата и через напорный трубопровод подводят поток к аэрирующему устройству (по типу шахтного перепада или напорно-струйные). Струя жидкости под давлением свободно падает сверху и пронизывает аэрируемую жидкость до дна аппарата. Происходят интенсивные турбулизация и перемешивание жидкости. Внизу жидкость вновь засасывается насосом и снова подается вверх аппарата, то есть возникает замкнутый контур циркуляции. Недостатком данных аппаратов являются потери энергии при перекачке жидкости, трудности проектирования в связи с отсутствием надежных методик расчета конструкций и режимов работы струйных и эжекционных устройств.
Рис. 1.7. Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ЖФ) (Виестур и др. 1986).
а) – с самовсасывающей мешалкой: 1 – корпус, 2 – мешалка, 3 – циркуляционный контур-теплообменник,
б) – эжекционный: 1 – корпус, 2 – насос, 3 – эжектор, в) – струйный с затопленной струей: 1 – эжектор, 2 – теплообменник, 3 – корпус, 4 – насос, 5 – рассекатель, 6 – труба с насадкой, г) – струйный с плавающей струей: 1 – теплообменник, 2 – насос, 3 – корпус, 4 – эжектор.
Обзор
Автор
Редакторы
Обратите внимание
Технология рекомбинантной ДНК
Рекомбинантная ДНК — ДНК, полученная лабораторными методами генетической рекомбинации. Таким способом можно создавать последовательности ДНК, не встречающиеся в природе. Соответственно организм, обладающий такой ДНК, будет обладать уникальными свойствами, которых нельзя достичь селекцией.
- несколько ферментёров рабочими объёмами от 20 до 2000 л;
- лабораторные биореакторы объёмом 2 и 7,5 л;
- аналитические и препаративные хроматографы;
- промышленные парогенератор и высокотемпературные стерилизаторы;
- лиофильные сушки различного масштаба;
- планшетный флюориметр-люминометр;
- другое оборудование, необходимое для производства и контроля качества конечного продукта.
Инсулиновая история
Новое время
Задачу, стоящую при таком положении дел перед опытным производством, можно разделить на две:
- технологическую — разработку метода получения медпрепарата;
- испытательную — доказательство качества, безопасности и эффективности получаемого лекарства.
Как устроено биотехнологическое производство
Рисунок 2. Подготовка клеток для банка в музее культур.
Первым этапом на стадии разработки способа получения биопрепарата является создание его продуцента, т.е. биологического объекта (микроорганизма, дрожжей, клеток млекопитающих или даже целого животного), способного производить нужное соединение в больших объёмах . Основным здесь является создание вектора — молекулы ДНК, которая кодирует нужный нам продукт и заставляет клетку-носитель производить его в количествах значительно бóльших, чем все остальные нужные ей белки [2]. Потом данный вектор интегрируется в клетки, и получается клеточная линия или штамм, который закладывается на хранение в музей культур — один из участков ОБП. Все остальные работы по созданию культуры выполняются Лабораторией биотехнологии ИБХ РАН.
Для задач непосредственно производства создаётся специальный рабочий банк из сотен ампул, каждая из которых предназначена для получения отдельной партии препарата. Этот банк также закладывается на хранение в музей культур (рис. 2).
Далее проводится разработка основной биотехнологической стадии — культивирования клеток. В её ходе выбирают оптимальный состав среды, на которой выращивают клетки, режим культивирования (непрерывный или периодический), его аппаратурное оформление и параметры (pH, температура, скорость подачи и состав подпитки). Основная цель, преследуемая на этом этапе, — повышение объёмной продуктивности, что позволяет получать на оборудовании небольшого масштаба большое количество продукта, достаточное для решения испытательной задачи. Кроме того, за счёт этого снижается и себестоимость получения продукта — в десятки, а то и сотни раз от первоначального лабораторного способа. Решением всех этих задач занимается цех экспериментальной ферментации опытного производства (рис. 3).
Рисунок 3. Контроль за ходом процесса в пилотном ферментёре рабочим объёмом 20 л в цехе экспериментальной ферментации.
В конце культивирования получается культуральная жидкость, содержащая помимо отработанной среды и биомассы клеток ещё и продукт, который необходимо выделить. В зависимости от выбранного вида клеток, продукт может либо выделяться в среду, либо синтезироваться внутри клеток, иногда в виде телец включения (агрегатов из белков). А если смотреть шире, то в случае клеточной или тканевой терапии продуктом будут сами клетки. При выделении сначала отделяют клетки (биомассу) от отработанной среды. Если продукт содержится в среде, то в работу идёт она, а клетки направляют на дезактивацию (в отходы).
Рисунок 4. Производственное оборудование. Слева: Препаративный хроматограф и буферные растворы, применяемые для крупномасштабной очистки биопрепаратов. Справа: Кристаллизация инсулина в цехе выделения и очистки.
Однако для проведения доклинических и клинических исследований субстанции недостаточно, необходимо ещё изготовить готовую лекарственную форму (ГЛФ) — добавить вспомогательные вещества и упаковать во флаконы или картриджи для шприц-ручек. И если способ упаковки в основном зависит от аппаратного оформления конкретного производства, то вспомогательные вещества в большей степени зависят от препарата и для каждого подбираются отдельно. Хотя здесь не требуется сложных статистических методов и большого количества экспериментов, процесс получения ГЛФ довольно трудоёмкий, и им также занимается отдельное подразделение — цех готовых лекарственных форм (рис. 5).
Немного о терминах
Когда говорят о фармпрепаратах, часто произносят два термина: активная фармацевтическая субстанция (АФС) и готовая лекарственная форма (ГЛФ). АФС или просто субстанция — по сути, главное действующее вещество, которое и отвечает за основной эффект препарата. ГЛФ или готовая форма — это АФС вместе со вспомогательными веществами и в определённом виде: таблетки, капсулы, раствора во флаконе или картридже.
Казалось бы, дойдя уже до готовой формы, можно переходить непосредственно к доклиническим исследованиям, ведь именно это чаще всего является целью производства лекарственных веществ на мощностях ОБП. Однако прежде необходимо проанализировать полученный продукт, чтобы убедиться в соответствии его характеристик ожидаемым и заложить конкретные параметры в регистрационное досье, которое необходимо для регистрации препарата в регуляторных органах. На данном этапе важно показать, что количество примесей не превышает разрешённого, а полученное основное действующее вещество имеет структуру и активность, соответствующие ожидаемым. Спектр применяемых здесь методов довольно широк: вестерн-блот, изоэлектрофокусировка, хроматография, ЛАЛ-тест, масс-спектрометрия, имунноферментный анализ, ИК-спектроскопия и многие другие. Выбор конкретных методов зависит в первую очередь от природы биопрепарата и для каждого из них во многом индивидуален. Хотя есть и стандартные общие методы вроде электрофореза в полиакриламидном геле или изоэлектрофокусировки. В большинстве же методов, пусть они и являются стандартными в части общей последовательности действий, параметры проведения нуждаются в отдельной проработке для каждой готовой формы, так как вспомогательные вещества иногда влияют на аналитические характеристики основного.
Описанный этап является крайне важным, так как даёт оценку качественным характеристикам препарата и их постоянству от партии к партии. Технология — это не только получение какого-то конкретного продукта и достижение высокой эффективности процесса. Это ещё и умение стабильно обеспечивать высокое качество продукта. Помимо контроля конечного продукта осуществляют промежуточный контроль критических точек производственного процесса, чтобы как можно раньше выявить отклонения, способные повлиять на качество конечного препарата, и минимизировать время и затраты на их устранение. На опытном биотехнологическом производстве за этот этап отвечает отдел контроля качества при участии контрольно-аналитической лаборатории (рис. 6).
Рисунок 6. Важен контроль! Слева: Контрольно-аналитическая лаборатория — все в сборе. Справа: Микробиологический контроль образцов с производства в отделе контроля качества.
Разведка боем
Далее проводятся доклинические и три стадии клинических исследований, необходимые для подтверждения безопасности и эффективности препарата. При этом решение о допуске его на рынок принимается на основе баланса между оказываемым им полезным эффектом и отрицательными побочными эффектами. Для того чтобы начать испытания на людях, нужно сначала продемонстрировать действие препарата на лабораторных животных. При этом необходимо, чтобы проводилось исследование уже готовой лекарственной формы, полностью соответствующей той, что будет в дальнейшем испытываться на людях. Основную часть работы выполняет Лаборатория биологических испытаний в Филиале ИБХ в Пущино, имеющая необходимую аккредитацию. Задача производства на этом этапе — наработка достаточного количества доз препарата. В целом, здесь задействованы примерно те же подразделения опытного производства, за исключением цеха промышленной ферментации, который перенимает технологию у цеха экспериментальной ферментации и методично её воспроизводит от партии к партии (рис. 7). Получаемые сотни литров культуральной жидкости передаются в цех выделения и очистки, где на больших препаративных хроматографических колоннах выделяют субстанцию и отправляют её в цех готовых лекарственных форм, откуда уже выходят флаконы, которые и применяются в исследованиях.
Рисунок 7. Дезинтегратор в цехе промышленной ферментации для разрушения клеток по окончании процесса.
В случае успешного завершения испытаний по результатам составляется отчёт, который совместно с другими документами на препарат подаётся в орган, отвечающий за регистрацию лекарственных средств (в России — Министерство здравоохранения). Там документы рассматривают и в случае доказанной эффективности выдают разрешение на проведение клинических исследований на людях. Здесь уже в работу вступают медицинские учреждения, которые проводят испытания препарата на добровольцах по утверждённому уполномоченным органом плану.
Кадры решают всё
Аппаратурное обеспечение — необходимый, но далеко не самый главный элемент любого успешно функционирующего центра разработок, в том числе и опытного производства. Самое главное — сотрудники, которые благодаря своим знаниям и навыкам воплощают все планы в реальность. Как и в любом другом виде деятельности, эффективная работа невозможна без должной мотивации. В чём мотивация при занятии прикладными исследованиями?
Занимаясь биотехнологией, ты вынужден постоянно знакомиться с новыми передовыми научными достижениями в разных областях: молекулярной биологии, синтетической биологии, химическом приборостроении, IT и многих других. При правильном сочетании полученных знаний и рождается эффективная технология. Это трудный, кропотливый, но очень увлекательный процесс.
Но самые сильные, ни с чем, пожалуй, несравнимые чувства испытываешь, когда, используя инструментарий, созданный природой в ходе эволюции и модифицированный с помощью технологии рекомбинантной ДНК, удается получить конкретный лекарственный препарат, который, возможно, кому-то облегчит состояние, а кого-то и спасет. Это просто круто!
Сотрудник группы эукариотических продуцентов Даниил Павленко раскрывает этот вопрос несколько иначе:
Меня всегда привлекало ориентированное на практику творчество. Создание чего-то, что не просто работает, но ещё и делает это эффективно, т.е. с затратой минимума ресурсов, дарит массу положительных эмоций. Биотех хорош тем, что здесь простор для творчества просто огромен: можно заниматься разработкой сред для выращивания культур, можно основательно вложиться в разработку классного вектора, можно подбирать оптимальные настройки аппаратного обеспечения, можно менять метаболизм клеток-продуцентов, а уж какой простор открывается, если заняться созданием уникальных аппаратов и технологических линий. Впечатляют и возможные результаты: комбинация всех подходов может привести к понижению себестоимости производства на порядок, а то и два. Так, мы в своей технологии получения фолликул-стимулирующего гормона определенным изменением достигли увеличения продуктивности, а, следовательно, и уменьшения себестоимости, в 3,5 раза. И понимаем, куда надо двигаться, чтобы повысить продуктивность ещё раз в 5–10. Не удивительно, что от этого всего захватывает дух.
За науку
В прикладных исследованиях научные публикации — дело пусть и не десятое, но явно отходящее на второй план. Основными результатами деятельности являются патенты, ноу-хау, регламенты на конкретные препараты. Статьи же по прикладным исследованиям обычно публикуются в специализированных журналах с соответствующей тематикой, импакт-фактор у которых обычно не переваливает за 3. С фундаментальными исследованиями здесь конкурировать не выйдет, но это не значит, что на опытном производстве науки нет совсем. Например, коллективом ОБП были обнаружены такие явления как антимикробное действие шиконина [4] или эффект вытеснения [5] при очистке генно-инженерного инсулина человека. Хотя большинство статей посвящено разработке отдельных производственных стадий, методов анализа или целых технологий [6–8].
Не только работа
Обучение без отрыва от производства
Несмотря на высокий уровень ответственности, на ОБП есть успешный опыт выполнения работ студентами и аспирантами с защитой ими магистерских и кандидатских диссертаций. В основном на базе ОБП выполнялись работы вроде создания схем отдельных этапов в производстве какого-либо препарата, подбора условий проведения процессов с целью увеличения выхода, разработки и валидации аналитических методик. Но помимо задач, связанных непосредственно с разработкой технологий создания биологических препаратов, позиционирование производства как опытного подразумевает и возможность отработки различных технических решений. Так, сейчас начато сотрудничество с Университетом машиностроения по направлению разработки различных приборов и аппаратов, применяемых в биотехнологическом производстве.
В каком направлении всё двинется? Пока сказать сложно, но во многом это будет зависеть от молодёжи, полной прорывных идей и мотивации к созиданию нового.
Читайте также: