Überblick über die Bioverfahrenstechnik
Bioprocessing ist eine Methode, die lebende Organismen verwendet, um eine gewünschte Zielprodukt produzieren. Oft bioprocessing bezieht sich auf die V…
Bioverfahrenstechnik ist ein Feld, das viele Ingenieursdisziplinen benutzt, um ein bestimmtes Produkt von lebenden Organismen produzieren. In der Regel sind die Organismen gentechnisch veränderte Zellen, die entwickelt werden, um ein bestimmtes Produkt Protein oder chemische produzieren. Die Zellen werden dann auf der großen Skala angebaut, um das Produkt zu produzieren, die später mit nachgelagerten Prozesse, wie Chromatographie gereinigt wird. Dieses Video wird ein Beispiel Bioprozess einführen, prominente Methoden im Feld, sowie einige wichtige Herausforderungen und Anwendungen der Technologie zu überprüfen.
Werfen Sie einen Blick auf ein Beispiel Bioprozess mit Zellen, um eine Produkt-Protein zu produzieren. Zunächst wird der Organismus ausgewählt, was kann Bakterien, Pilze oder Säugetier, abhängig von seiner Fähigkeit, das gewünschte Produkt zu produzieren. Die Zellen sind gentechnisch veränderte zur Maximierung ihrer Fähigkeit, das Produkt zu produzieren und zu unnötigen Seite Prozesse minimieren. Die veränderten Zellen wachsen auf der großen Skala der upstream-Prozess genannt. Ein verbreitetes vorgelagerten Verfahren ist eine Aussetzung-Kultur, die einen Schiff Bioreaktor nutzt die Zellkultur wachsen. Die Kultur wird erweitert und Zelldichte erhöht sich durch die Umstellung auf größere Volumes. Sobald die Kultur die gewünschte Lautstärke erreicht hat, wird das Produkt Protein aus den Zellen, entweder durch Sekretion, wo die Zellen spucken, das Protein oder durch Lyse, geerntet, wo die Zelle defekt, es zu veröffentlichen ist. Das Produkt wird dann in der nachgeschalteten Prozess entfernen Verunreinigungen wie Zellenrückstand und andere Proteine gereinigt. Ein typische downstream-Prozess verwendet viele Arten von Technologie in Serie zu reinigen und das Produkt zu konzentrieren. Filtration wird oft zuerst verwendet, um Zellenrückstand und große Partikel zu entfernen. Chromatographie ist eine andere Technik zu isolieren und das Protein des Interesses zu konzentrieren. Das gereinigte Endprodukt ist dann lyophilisiert oder gefriergetrocknet, um das Protein für die Lagerung zu stabilisieren. Typischen Bioprozessen erst im Labormaßstab entwickelt und dann skaliert, Pilotmaßstab, bevor weitere Skalierung für die Fertigung. Nun, da wir eine grundlegende Bioprozess eingeführt haben, werfen wir einen Blick auf einige prominente Methoden auf dem Gebiet.
Säugetier-Zellkultur wird am häufigsten in der industriellen Produktion von rekombinanten Proteintherapeutika verwendet. Chinesische Hamster Eierstock Zellen oder CHO-Zellen sind eine der am häufigsten verwendeten Zellentypen verwendet. Im Gegensatz zu bakteriellen Zellen sind Säugetiere-Zellen in der Lage, komplexe post-translationalen Modifikationen an Proteine zu tun. Diese Änderungen sind strukturelle oder chemische Veränderungen an das Protein gemacht, nachdem es in das Ribosom übersetzt wird. Dies ist wichtig zur Herstellung von komplexer Strukturen, die für therapeutische Proteine notwendig sind. Säugetier-Zellkultur erfordert sorgfältige Überlegungen während des Wachstums, da die Zellen empfindlicher als Bakterienzellen sind. Effektive Belüftung ist erforderlich. Jedoch muss die Schere Schäden minimiert werden. Eine gut kontrollierte homogene Umgebung ist auch notwendig, mit strengen pH und Temperatur-Kontrolle und schnellen Abtransport von Giftstoffen. Industrielle Prozesse sind skaliert-Up, ein hohes Volumen an das Produkt zu produzieren. Skalierung ist nicht so einfach als einfach proportional erhöht das Volumen und damit die Größe des Gerätes. Ein Skalierungsfaktor ist verwendet, das heißt das Verhältnis des Massenstromes des Referats Full-Scale, die Pilotanlage. Skalierungsfaktoren werden verwendet, um die Größe von geometrisch ähnlichen Behälter Reaktoren bestimmen. Beispielsweise als Volumen Skalen mit dem Skalierungsfaktor S, skaliert der Durchmesser des Tanks mit S bis 1/3. Dies ist aufgrund von Beschränkungen der Masse und Wärme Übertragung mit dem größeren Tankvolumen.
Die Herstellung von biologischen Produkten nutzt Lebewesen, die anfällig für Verunreinigungen sind. Schadstoff-Organismen können Bakterien, Pilze oder Viren, und können von Personal, Material oder Ausrüstung zur Herstellung von entstehen. Mikrobieller Kontamination stellt Produkt Variabilität und Abbau des Proteins Produkt führen kann. Viele Bioprozesse werden verwendet, um Arzneimittel, zu produzieren, die stark, durch Regierungsbehörden zusammen reguliert sind, um sicherzustellen, dass sie sicher und wirksam sind. Zunächst durchläuft das Medikament selbst strengen Labortests und klinische Studien. Sobald das Medikament zugelassen ist, muss der Herstellungsprozess auch Prüfung und Genehmigung unterziehen. Verordnung, ergibt obwohl für die Gewährleistung einer sicheren Endprodukt unerlässlich zusätzliche Einschränkungen für den engineering-Prozess. Strenge Einschränkungen befinden sich auf Parameter, z. B. zulässige Reagenzien, Verunreinigungen und Konzentrationen.
Jetzt, wo Sie einige der gemeinsamen Techniken und Herausforderungen in bioprocessing gesehen haben, werfen wir einen Blick auf einige Anwendungen der realen Welt. Im Gegensatz zu niedermolekulare Medikamente wie Aspirin und Paracetamol viele komplexe Medikamente sind rekombinante Proteine und erfolgt über bioprocessing. Rekombinantes Protein Therapeutics haben rapide zugenommen in den letzten 25 Jahren, mit Dutzenden von zielgerichteten Therapien. AIDS, Krebs, Infektionskrankheiten, Wundheilung, Ernährungsstörungen, Schlaganfall und septischer Schock sind nur einige der Bereiche, wo Proteintherapeutika als Therapie angeboten werden. Bioprocessing wird auch verwendet, um Biokraftstoffe wie Ethanol zu machen. Ethanol wird aus Zellulose Material wie Zuckerrohr oder Mais hergestellt. Der Prozess beginnt mit der Isolierung von Zellulose von Einsatzstoffen, gefolgt von der enzymatischen Hydrolyse und Gärung mit Hefe. Diese Bioprozess wird auf der Skala der Produktion durchgeführt, um große Mengen an Ethanol für alternative Energie zu produzieren.
Sie habe nur Jupiters Einführung in bioprocessing beobachtet. Sie sollten nun die grundlegenden Bioprozess, einige gängige Methoden und Herausforderungen sowie Anwendungen der Technologie verstehen. Danke fürs Zuschauen.
Die Bioverfahrenstechnik ist ein Gebiet, in dem viele ingenieurwissenschaftliche Disziplinen eingesetzt werden, um ein bestimmtes Produkt aus lebenden Organismen herzustellen. Typischerweise handelt es sich bei den Organismen um genetisch veränderte Zellen, die so verändert werden, dass sie ein bestimmtes Produkt, ein Protein oder eine Chemikalie produzieren. Die Zellen werden dann im großen Maßstab gezüchtet, um das Produkt herzustellen, das später mit nachgelagerten Prozessen wie der Chromatographie gereinigt wird. In diesem Video wird ein Beispiel für einen Bioprozess vorgestellt, prominente Methoden auf diesem Gebiet sowie einige wichtige Herausforderungen und Anwendungen der Technologie vorgestellt.
Werfen wir einen Blick auf ein Beispiel für einen Bioprozess, bei dem Zellen verwendet werden, um ein Produktprotein herzustellen. Zuerst wird der Organismus ausgewählt, der bakteriell, pilzlich oder säugetierartig sein kann, je nachdem, wie gut er in der Lage ist, das gewünschte Produkt herzustellen. Die Zellen werden genetisch verändert, um ihre Fähigkeit zur Herstellung des Produkts zu maximieren und unnötige Nebenprozesse zu minimieren. Die modifizierten Zellen werden in großem Maßstab gezüchtet, der als Upstream-Prozess bezeichnet wird. Eine gängige vorgeschaltete Technik ist eine Suspensionskultur, bei der ein Gefäßbioreaktor verwendet wird, um die Zellkultur zu züchten. Die Kultur wird expandiert und die Zelldichte nimmt zu, indem auf immer größere Volumina umgestellt wird. Sobald die Kultur das gewünschte Volumen erreicht hat, wird das Produktprotein aus den Zellen geerntet, entweder durch Sekretion, bei der die Zellen das Protein ausspucken, oder durch Lyse, bei der die Zelle aufgebrochen wird, um es freizusetzen. Das Produkt wird dann im nachgelagerten Prozess gereinigt, um Verunreinigungen wie Zelltrümmer und andere Proteine zu entfernen. Bei einem typischen nachgelagerten Prozess werden viele Arten von Technologien in Reihe verwendet, um das Produkt zu reinigen und zu konzentrieren. Die Filtration wird oft zuerst verwendet, um Zelltrümmer und große Partikel zu entfernen. Die Chromatographie ist eine weitere Technologie, die zur Isolierung und Konzentration des interessierenden Proteins verwendet wird. Das gereinigte Endprodukt wird dann lyophilisiert oder gefriergetrocknet, um das Protein für die Lagerung zu stabilisieren. Typische Bioprozesse werden zunächst im Labormaßstab entworfen, dann auf den Pilotmaßstab hochskaliert, bevor sie für die Herstellung weiter skaliert werden. Nachdem wir nun einen grundlegenden Bioprozess vorgestellt haben, werfen wir einen Blick auf einige prominente Methoden auf diesem Gebiet.
Die Zellkultur von Säugetieren wird am häufigsten bei der industriellen Herstellung von rekombinanten Proteintherapeutika eingesetzt. Ovarialzellen des chinesischen Hamsters, oder CHO-Zellen, sind eine der am häufigsten verwendeten Zelltypen. Im Gegensatz zu Bakterienzellen sind Säugetierzellen in der Lage, komplexe posttranslationale Modifikationen an Proteinen vorzunehmen. Bei diesen Modifikationen handelt es sich um strukturelle oder chemische Veränderungen, die an dem Protein vorgenommen werden, nachdem es in das Ribosom übersetzt wurde. Dies ist unerlässlich, um komplexe Strukturen herzustellen, die für therapeutische Proteine notwendig sind. Die Zellkultur von Säugetieren erfordert während des Wachstums sorgfältige Überlegungen, da die Zellen empfindlicher sind als Bakterienzellen. Eine effektive Belüftung ist erforderlich. Scherschäden müssen jedoch minimiert werden. Eine gut kontrollierte, homogene Umgebung mit strenger pH- und Temperaturkontrolle und schneller Entfernung giftiger Produkte ist ebenfalls erforderlich. Industrielle Prozesse werden hochskaliert, um ein hohes Volumen des Produkts zu produzieren. Ein Scale-up ist nicht so einfach wie die proportionale Erhöhung des Volumens und damit der Größe der Ausrüstung. Es wird ein Skalierungsfaktor verwendet, der das Verhältnis des Massenstroms der Skaleneinheit zur Piloteinheit darstellt. Skalierungsfaktoren werden verwendet, um die Größe von geometrisch ähnlichen Tankreaktoren zu bestimmen. Wenn beispielsweise das Volumen skaliert wird, skaliert der Behälterdurchmesser mit dem Skalierungsfaktor S mit S auf 1/3. Dies liegt an den Einschränkungen der Massen- und Wärmeübertragung mit dem größeren Tankvolumen.
Bei der Herstellung biologischer Produkte werden lebende Organismen verwendet, die anfällig für Kontaminationen sind. Bei den Schadstoffen kann es sich um Bakterien, Pilze oder Viren handeln, die von Personal, Materialien oder Geräten stammen, die bei der Herstellung verwendet werden. Mikrobielle Kontamination führt zu Produktvariabilität und kann zu einer Degradation des Produktproteins führen. Viele Bioprozesse werden zur Herstellung von Arzneimitteln verwendet, die von Regierungsbehörden streng reguliert werden, um sicherzustellen, dass sie sicher und wirksam sind. Das Medikament selbst durchläuft zunächst strenge Labortests und klinische Studien. Sobald das Medikament zugelassen ist, muss auch der Herstellungsprozess einer Prüfung und Zulassung unterzogen werden. Die Regulierung ist zwar unerlässlich, um ein sicheres Endprodukt zu gewährleisten, führt jedoch zu zusätzlichen Einschränkungen für den Engineering-Prozess. Parameter wie zulässige Reagenzien, Kontaminanten und Konzentrationen sind streng begrenzt.
Nachdem Sie nun einige der gängigen Techniken und Herausforderungen in der Bioprozesstechnik kennengelernt haben, werfen wir einen Blick auf einige reale Anwendungen. Im Gegensatz zu niedermolekularen Arzneimitteln wie Aspirin und Paracetamol sind viele komplexe Arzneimittel rekombinante Proteine und werden durch Bioprozessierung hergestellt. Rekombinante Proteintherapeutika haben in den letzten 25 Jahren rasant zugenommen, mit Dutzenden von zielgerichteten Therapien. AIDS, Krebs, Infektionskrankheiten, Wundheilung, Ernährungsstörungen, Schlaganfall und septischer Schock sind nur einige der Bereiche, in denen Proteintherapeutika als Therapie angeboten werden. Bioprocessing wird auch zur Herstellung von Biokraftstoffen wie Ethanol eingesetzt. Ethanol wird aus zellulosehaltigem Material wie Zuckerrohr oder Mais hergestellt. Der Prozess beginnt mit der Isolierung von Zellulose aus Rohstoffen, gefolgt von der enzymatischen Hydrolyse und der Fermentation mit Hefe. Dieser Bioprozess wird im Produktionsmaßstab durchgeführt, um große Mengen an Ethanol für alternative Energien herzustellen.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Bioprozesstechnik gesehen. Sie sollten nun den grundlegenden Bioprozess, einige gängige Methoden und Herausforderungen sowie Anwendungen der Technologie verstehen. Danke fürs Zuschauen.
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Q1: What are the main stages of a bioprocess?
A bioprocess consists of three main stages: organism selection and genetic modification to maximize product production, upstream processing where modified cells are grown at large scale in bioreactors, and downstream processing where the product is purified and concentrated using filtration and chromatography. The purified product is then lyophilized for storage stability.
Q2: Why are mammalian cells preferred for producing therapeutic proteins?
Mammalian cells, particularly Chinese hamster ovary cells, perform complex post-translational modifications—structural and chemical changes made to proteins after translation. These modifications are essential for creating the complex protein structures required for therapeutic effectiveness. Unlike bacterial cells, mammalian cells can produce proteins with the necessary biological activity for drug applications.
Q3: What challenges arise when scaling up bioprocesses from pilot to manufacturing scale?
Scaling up bioprocesses is complex because simply increasing volume proportionally doesn't work. Scaling factors account for mass and heat transfer limitations in larger tanks. For example, when volume scales by factor S, tank diameter scales by S to the 1/3 power. Additionally, mammalian cells require careful control of aeration, shear stress, pH, temperature, and toxic product removal to maintain viability and productivity.
Q4: How does microbial contamination affect bioprocess manufacturing?
Microbial contamination from bacteria, fungi, or viruses introduces product variability and causes protein degradation. Contaminants can originate from personnel, materials, or equipment. Since drug manufacturing is heavily regulated, strict limitations are placed on permissible reagents, contaminants, and concentrations. Contamination control is critical for ensuring safe, effective final products that meet regulatory approval standards.
Q5: What methods are used to harvest and purify product proteins in bioprocessing?
Product proteins are harvested through secretion, where cells release the protein, or lysis, where cells are broken to release it. Downstream purification uses multiple technologies in series: filtration removes cell debris and large particles, chromatography isolates and concentrates the protein of interest, and lyophilization freeze-dries the final product for storage and stability.
Q6: What are the main applications of bioprocessing technology?
Bioprocessing produces recombinant protein therapeutics for complex diseases including AIDS, cancer, infectious diseases, wound healing, and stroke. Unlike small molecule drugs, many modern therapeutics are proteins made via bioprocessing. Additionally, bioprocessing manufactures biofuels like ethanol from cellulosic materials through enzymatic hydrolysis and fermentation with yeast at manufacturing scale.
Q7: How does the bioprocess design process progress from laboratory to manufacturing?
Bioprocesses are first designed and tested at laboratory scale to establish feasibility and optimize conditions. The successful process is then scaled up to pilot scale for validation and refinement. Once pilot-scale performance meets requirements, the process undergoes further scaling for full manufacturing production, with each stage informing design parameters for the next level.