Overzicht van Bioprocestechniek

Bioprocestechniek is een vakgebied dat vele technische disciplines gebruikt om een specifiek product uit levende organismen te produceren. Meestal zijn de organismen genetisch gemodificeerde cellen die zijn ontworpen om een specifiek product, eiwit of chemisch product, te produceren. De cellen worden vervolgens op grote schaal gekweekt om het product te produceren, dat later wordt gezuiverd met behulp van downstream-processen, zoals chromatografie. Deze video introduceert een voorbeeld van een bioproces, bespreekt prominente methoden in het veld, evenals enkele belangrijke uitdagingen en toepassingen van de technologie.

Laten we een voorbeeld van een bioproces bekijken waarbij cellen worden gebruikt om een producteiwit te produceren. Eerst wordt het organisme geselecteerd, dat bacterieel, schimmel- of zoogdierlijk kan zijn, afhankelijk van zijn vermogen om het gewenste product te produceren. De cellen worden genetisch gemodificeerd om hun vermogen om het product te produceren te maximaliseren en onnodige nevenprocessen te minimaliseren. De gemodificeerde cellen worden op grote schaal gekweekt, het zogenaamde upstream-proces. Een veelgebruikte upstream-techniek is een suspensiecultuur, die een vatbioreactor gebruikt om de celcultuur te laten groeien. De cultuur wordt uitgebreid en de celdichtheid neemt toe door over te gaan naar steeds grotere volumes. Zodra de cultuur het gewenste volume heeft bereikt, wordt het producteiwit uit de cellen gehaald, hetzij door secretie, waarbij de cellen het eiwit uitspijten, of door lysis, waarbij de cel wordt gebroken om het vrij te maken. Het product wordt vervolgens gezuiverd in het downstream-proces om verontreinigingen zoals cellulaire resten en andere eiwitten te verwijderen. Een typisch downstream-proces maakt gebruik van vele soorten technologie in serie om het product te zuiveren en concentreren. Filtratie wordt vaak als eerste gebruikt om cellulaire resten en grote deeltjes te verwijderen. Chromatografie is een andere technologie die wordt gebruikt om het eiwit van belang te isoleren en concentreren. Het gezuiverde eindproduct wordt vervolgens gevriesdroogd om het eiwit te stabiliseren voor opslag. Typische bioprocessen worden eerst ontworpen op laboratoriumschaal, vervolgens opgewaardeerd naar pilootschaal, voordat ze verder worden opgeschaald voor productie. Nu we een basisbioproces hebben geïntroduceerd, laten we eens kijken naar enkele prominente methoden in het veld.

Zoogdiercelcultuur wordt het meest gebruikt bij de industriële productie van recombinante eiwittherapieën. Chinese hamster-ovariumcellen, of CHO-cellen, zijn een van de meest gebruikte celtypen. In tegenstelling tot bacteriecellen kunnen zoogdiercellen complexe post-translationele modificaties aan eiwitten uitvoeren. Deze modificaties zijn structurele of chemische veranderingen die aan het eiwit worden aangebracht nadat het in het ribosoom is vertaald. Dit is essentieel voor het produceren van complexe structuren die nodig zijn voor therapeutische eiwitten. Zoogdiercelcultuur vereist zorgvuldige overwegingen tijdens het groeiproces, omdat de cellen gevoeliger zijn dan bacteriecellen. Effectieve beluchting is vereist. Echter, schade door afschrijving moet worden geminimaliseerd. Een goed gecontroleerde homogene omgeving is ook noodzakelijk, met strikte pH- en temperatuurregeling en snelle verwijdering van toxische producten. Industriële processen worden opgeschaald om een hoog volume van het product te produceren. Schaling is niet zo eenvoudig als alleen het volume en dus de grootte van de apparatuur proportioneel te vergroten. Er wordt een schaalfactor gebruikt, dat is de verhouding van de massastroming van de full-scale eenheid tot de pilooteenheid. Schaalfactoren worden gebruikt om de grootte van geometrisch vergelijkbare tankreactoren te bepalen. Als het volume bijvoorbeeld wordt geschaald, met de schaalfactor S, wordt de tankdiameter geschaald met S naar de 1/3. Dit komt door massaverplaatsing en warmteoverdrachtsbeperkingen met het grotere tankvolume.

De productie van biologische producten maakt gebruik van levende organismen, die vatbaar zijn voor besmetting. Besmettende organismen kunnen bacteriën, schimmels of virussen zijn en kunnen ontstaan door personeel, materialen of apparatuur die bij de productie wordt gebruikt. Microbiële besmetting introduceert productvariabiliteit en kan degradatie van het producteiwit veroorzaken. Veel bioprocessen worden gebruikt om geneesmiddelen te produceren, die zwaar worden gereguleerd door overheidsinstanties om ervoor te zorgen dat ze veilig en effectief zijn. Het medicijn zelf ondergaat eerst rigoureuze laboratoriumtests en klinische proeven. Zodra het medicijn is goedgekeurd, moet ook het productieproces worden onderzocht en goedgekeurd. Regulering, hoewel essentieel om een ​​veilig eindproduct te garanderen, resulteert in extra beperkingen op het technische proces. Er worden strikte beperkingen opgelegd aan parameters, zoals toegestane reagentia, verontreinigingen en concentraties.

Nu je enkele van de gebruikelijke technieken en uitdagingen in bioprocessing hebt gezien, laten we eens kijken naar enkele praktische toepassingen. In tegenstelling tot kleine molecuulgeneesmiddelen zoals aspirine en paracetamol, zijn veel complexe geneesmiddelen recombinante eiwitten en worden ze via bioprocessing gemaakt. Recombinante eiwittherapieën zijn de afgelopen 25 jaar snel toegenomen, met tientallen gerichte therapieën. AIDS, kanker, infectieziekten, wondgenezing, voedingsstoornissen, beroerte en septische shock zijn slechts enkele van de gebieden waar eiwittherapieën worden aangeboden als therapie. Bioprocessing wordt ook gebruikt om biobrandstoffen te maken, zoals ethanol. Ethanol wordt geproduceerd uit cellulosisch materiaal, zoals suikerriet of maïs. Het proces begint met de isolatie van cellulose uit grondstoffen, gevolgd door enzymatische hydrolyse en fermentatie met gist. Dit bioproces wordt op productieschaal uitgevoerd om grote hoeveelheden ethanol voor alternatieve energie te produceren.

Je hebt zojuist JoVE's introductie tot bioprocessing bekeken. Je zou nu de basisbioprocess moeten begrijpen, enkele gebruikelijke methoden en uitdagingen, evenals toepassingen van de technologie. Bedankt voor het kijken.