Биотехнология достигла внушительных результатов в разработке штаммов-продуцентов, клеточных линий и других модельных организмов, благодаря которым получают микробную биомассу, аминокислоты, ферменты, органические кислоты, антибиотики, терапевтические белки и прочие вещества, активно применяемые для улучшения качества жизни и здоровья животных и человека.
Производство современных препаратов, это трудоемкий и многостадийный процесс. Он требует дорогих материалов, обеспечения высокой степени чистоты, многообразия оборудования, квалифицированных кадров. Приходящих после университетов молодых работников требуется научить методике, работе с оборудованием, соблюдению правил асептики и т.д. Фактически требуется период обучения, который иногда может длиться до полугода. А чтобы сотрудник самостоятельно выполнял все операции с полным пониманием процессов, может понадобиться еще больше времени.
Циклы подготовки классического оборудования к запуску и работе, а также сложности в эксплуатации не могут похвастаться быстрым и легким обучением новых сотрудников. Добиться ускорения этих процессов, прибавить удобство, простоту использования, мобильность, исключить мойку и стерилизацию оборудования, можно внедрением одноразовых материалов в производственную практику. Но не всем пользователям известно о существовании таких материалов. Многие не знают в каких именно областях это применимо и на сколько в действительности можно заменить классические многоразовые системы.
На этапах процесса разработки уже давно повсеместно используют одноразовый пластик (Рис.1): пробирки, наконечники дозаторов, серологические пипетки, чашки Петри, культуральные планшеты и флаконы, качалочные колбы и роллерные бутыли. Рост и наработка биомассы проходят в шейкерах-инкубаторах с определенными условиями перемешивания, влажности, температуры и состава атмосферы.
Рабочие объемы процесса создания нового штамма-продуцента обычно не превышают 1-3 л. Проходит масса экспериментов с большим количеством образцов. Для этого удобно использовать описанный выше одноразовый пластик небольших объемов. В дальнейшем, в процессах масштабирования, полученный штамм или клеточную линию адаптируют для производства.
В небольших производствах объемы могут уже доходить до десятков литров. Для адгезионных культур дальнейшее масштабирование потребует серьезного увеличения площади поверхности. Роллерные бутыли и флаконы будут занимать много места, что потребует увеличение единиц оборудования, которое так же займет огромное пространство. Все бутыли необходимо асептически заполнить средой и засеять, что будет занимать много времени, особенно у неопытного сотрудника. При выполнении многократно одной и той же рутинной операции возникает шанс ошибки, а значит повышается вероятность контаминации.
Отличный выход из положения, это многослойные клеточные фабрики (Рис.2).
Фабрики – это проверенные замкнутые системы для крупномасштабного получения адгезионных клеточных культур. Они значительно упрощают работу оператора, исключая рутинные задачи, при этом ускоряют наполнение и сохраняют стерильность. Разновидности включают от 1 до 40 слоев. По таблице ниже мы видим, что при сравнимой рабочей площади поверхности, клеточные фабрики на 10 слоев занимают в 4 раза меньшее пространство, чем роллерные бутыли (Рис.3).
Аналогичная ситуация с суспензионными культурами в рамках небольших производств. Нам требуется увеличение объемов, без потери эффективности перемешивания и с сохранением высоких стандартов чистоты. В этом поможет использование высокоэффективных качалочных колб Optimum Growth Flasks от Thomson (Рис.4).
Данные колбы позволяют заполнять 50-60% объема по сравнению со стандартными колбами Эрленмейера 15-20%. По эффективности они эквивалентны стандартным колбам большего объема с точки зрения количества наработанного белка, но при 50-60% объема заполнения, колбы Optimum Growth обеспечивают гораздо больший общий выход на колбу (Рис. 5), что экономит пространство внутри шейкера- инкубатора, экономит питательную среду, а использование специальных крышек для переноса позволяет исключить перекрестную контаминацию при культивировании и различных манипуляциях.
Напротив, в промышленных масштабах несколько иная ситуация, здесь главенствующая роль у суспензионных культур. С точки зрения наработки биомассы, они значительно опережают монослойные, а рабочие объемы превышают сотни и тысячи литров.
Создание стерильного, современного, а главное стабильного производства – очень важная и непростая задача, с которой отлично справляются одноразовые материалы. Примером такого оборудования будут служить реакторы волнового типа с одноразовым мешком (Рис. 6).
Конструкция данных реакторов представляет собой металлический или пластиковый корпус с одноразовым стерильным пакетом, в котором находится питательная среда и культивируемые клетки. Перемешивание происходит путем наклонения корпуса вперед и назад на небольшой угол, а блок управления поддерживает необходимые параметры атмосферы, температуры, pH и т.д. Асептически подаются подпитки и добавки. Процесс полностью автоматизирован и безопасен – мягкие условия перемешивания отлично подходят для чувствительных и прихотливых клеток млекопитающих. Такие реакторы дают возможность масштабировать процесс до нескольких сотен литров на одном приборе.
Применение метода глубинного культивирования принципиально отличает используемое оборудование. Классическим примером, для масштабирования культуры, способной развиваться в объеме, будет являться реактор со стальным сосудом. Такие установки сложны в своем строении и требуют наличия дополнительных систем для работы. Нужен паровой генератор, система сип-мойки, линия подачи чистого сжатого воздуха и воды, все это соединяется в единую систему и управляется контроллером.
Процесс подготовки оборудования занимает двух квалифицированных работников и длиться до 6 - 8 часов. Для поддержания сосуда в надлежащем состоянии идет огромный расход чистой воды, электроэнергии на генерацию пара и работу всех систем, моющих средств, перекиси водорода. Естественно для работы на таком оборудовании необходимо пройти обучение под контролем опытного сотрудника. Это важно по тому, что промышленные ошибки несут намного большие финансовые потери по сравнению с этапом разработки. Так происходит по причине большого расхода дорогих материалов и использования сложного в эксплуатации оборудования. Исключить лишние операции, контаминацию, браковку серии или возможную поломку помогает использование вертикальных одноразовых реакторов с мешалкой, с рабочими объемами от 25 до 3000 л (Рис. 7). Им не требуется стерилизация паром, мойка или долгое обучение операторов. Такие установки экономят колоссальное количество воды, электроэнергии, рабочего пространства и времени на подготовку к работе. Они компактны и мобильны, имеют гибкие возможности масштабирования и контроля. Все это выгодно отличает их от классических систем и делает весьма привлекательными при планировании нового или модернизации старого производства.
Одноразовые мешки используются не только в культивировании, но и в очистке фарм субстанций. Пленка, из которой они сделаны, проходит массу тестов и анализов, и получает соответствующие сертификаты, что даже позволяет использовать мешки в процессе получения препаратов крови. Универсальность материала позволяет их применять для широкого диапазона задач, на протяжении всего процесса производства, начиная от приготовления питательной среды (Рис. 8) и сбора культуральной жидкости, заканчивая стерилизующей фильтрацией (Рис. 9) и хранением.
Использование одноразовых технологий помогает значительно ускорить и упростить этапы разработки, масштабирования, наработки биомассы, очистки и хранения, а разнообразие вариантов (Рис. 10) и гибкость позволяют подобрать подходящие материалы для конкретного технологического процесса.
