Biyoproses Mühendisliğine Genel Bakış
Biyoproses, istenen bir hedef ürünü üretmek için canlı organizmaları kullanan bir yöntemdir. Genellikle, biyoproses, genetik olarak tasarlanmış organi…
Biyoproses mühendisliği, canlı organizmalardan belirli bir ürün üretmek için birçok mühendislik disiplinini kullanan bir alandır. Tipik olarak, organizmalar, belirli bir ürün proteini veya kimyasalı üretmek için tasarlanmış genetik olarak değiştirilmiş hücrelerdir. Hücreler daha sonra, daha sonra kromatografi gibi sonraki işlemler kullanılarak saflaştırılan ürünü üretmek için büyük ölçekte büyütülür. Bu videoda örnek bir biyoproses tanıtılacak, bu alanda öne çıkan yöntemler gözden geçirilecek ve teknolojinin bazı temel zorlukları ve uygulamaları gözden geçirilecektir.
Bir ürün proteini üretmek için hücreleri kullanan örnek bir biyoprosese bakalım. İlk olarak, istenen ürünü üretme kabiliyetine bağlı olarak bakteriyel, fungal veya memeli olabilen organizma seçilir. Hücreler, ürünü üretme yeteneklerini en üst düzeye çıkarmak ve gereksiz yan süreçleri en aza indirmek için genetik olarak değiştirilir. Modifiye edilmiş hücreler, yukarı akış süreci adı verilen büyük ölçekte büyütülür. Yaygın bir yukarı akış tekniği, hücre kültürünü büyütmek için bir kap biyoreaktörü kullanan bir süspansiyon kültürüdür. Kültür genişler ve daha büyük ve daha büyük hacimlere geçiş yaparak hücre yoğunluğu artar. Kültür istenen hacme ulaştığında, ürün proteini, hücrelerin proteini tükürdüğü salgı yoluyla veya hücrenin onu serbest bırakmak için parçalandığı lizis yoluyla hücrelerden toplanır. Ürün daha sonra hücre kalıntıları ve diğer proteinler gibi kirleticileri uzaklaştırmak için sonraki proseste saflaştırılır. Tipik bir sonraki proses, ürünü saflaştırmak ve konsantre etmek için seri olarak birçok teknoloji türü kullanır. Filtrasyon genellikle ilk olarak hücre kalıntılarını ve büyük partikülleri gidermek için kullanılır. Kromatografi, ilgilenilen proteini izole etmek ve konsantre etmek için kullanılan başka bir teknolojidir. Saflaştırılmış nihai ürün daha sonra proteini depolama için stabilize etmek için liyofilize edilir veya dondurularak kurutulur. Tipik biyoprosesler önce laboratuvar ölçeğinde tasarlanır, daha sonra üretim için daha fazla ölçeklendirmeden önce pilot ölçeğe ölçeklendirilir. Artık temel bir biyoprosesi tanıttığımıza göre, bu alanda öne çıkan bazı yöntemlere bir göz atalım.
Memeli hücre kültürü en sık rekombinant protein terapötiklerinin endüstriyel üretiminde kullanılır. Çin hamster yumurtalık hücreleri veya CHO hücreleri, kullanılan en yaygın hücre tiplerinden biridir. Bakteri hücrelerinin aksine, memeli hücreleri proteinlere karmaşık translasyon sonrası modifikasyonlar yapabilir. Bu modifikasyonlar, ribozomda translasyondan sonra protein üzerinde yapılan yapısal veya kimyasal değişikliklerdir. Bu, terapötik proteinler için gerekli olan karmaşık yapıların üretilmesi için gereklidir. Memeli hücre kültürü, hücreler bakteri hücrelerinden daha hassas olduğu için büyüme sırasında dikkatli değerlendirmeler gerektirir. Etkili havalandırma gereklidir. Bununla birlikte, kesme hasarı en aza indirilmelidir. Sıkı pH ve sıcaklık kontrolü ve toksik ürünlerin hızlı bir şekilde uzaklaştırılması ile iyi kontrol edilen homojen bir ortam da gereklidir. Endüstriyel süreçler, yüksek miktarda ürün üretmek için ölçeklendirilir. Ölçek büyütme, ekipmanın hacmini ve dolayısıyla boyutunu orantılı olarak artırmak kadar kolay değildir. Tam ölçekli birimin kütle akışının pilot birime oranı olan bir ölçeklendirme faktörü kullanılır. Geometrik olarak benzer tank reaktörlerinin boyutunu belirlemek için ölçeklendirme faktörleri kullanılır. Örneğin, hacim ölçekleri olarak, ölçeklendirme faktörü S ile tank çapı S ile 1/3'e kadar ölçeklenir. Bunun nedeni, daha büyük tank hacmi ile kütle ve ısı transferi sınırlamalarıdır.
Biyolojik ürünlerin imalatında, kontaminasyona duyarlı canlı organizmalar kullanılır. Kirletici organizmalar bakteri, mantar veya virüs olabilir ve üretimde kullanılan personel, malzeme veya ekipmandan kaynaklanabilir. Mikrobiyal kontaminasyon, ürün değişkenliğine neden olur ve ürün proteininin bozulmasına neden olabilir. Güvenli ve etkili olmalarını sağlamak için devlet kurumları tarafından sıkı bir şekilde düzenlenen ilaç ürünlerini üretmek için birçok biyoproses kullanılmaktadır. İlacın kendisi ilk önce titiz laboratuvar testlerinden ve klinik deneylerden geçer. İlaç onaylandıktan sonra, üretim süreci de inceleme ve onaydan geçmelidir. Düzenleme, güvenli bir nihai ürün sağlamak için gerekli olsa da, mühendislik sürecinde ek kısıtlamalara neden olur. İzin verilen reaktifler, kirleticiler ve konsantrasyonlar gibi parametrelere katı sınırlamalar getirilir.
Artık biyoprosesteki bazı yaygın teknikleri ve zorlukları gördüğünüze göre, bazı gerçek dünya uygulamalarına bir göz atalım. Aspirin ve asetaminofen gibi küçük moleküllü ilaçların aksine, birçok karmaşık ilaç rekombinant proteinlerdir ve biyoproses yoluyla yapılır. Rekombinant protein terapötikleri, onlarca hedefe yönelik tedavi ile son 25 yılda hızla artmıştır. AIDS, kanser, bulaşıcı hastalıklar, yara iyileşmesi, beslenme bozuklukları, felç ve septik şok, protein terapötiklerinin tedavi olarak sunulduğu alanlardan sadece birkaçıdır. Biyoişleme, etanol gibi biyoyakıtlar yapmak için de kullanılır. Etanol, şeker kamışı veya mısır gibi selülozik malzemeden üretilir. İşlem, selülozun hammaddelerden izole edilmesiyle başlar, ardından enzimatik hidroliz ve maya ile fermantasyon yapılır. Bu biyoproses, alternatif enerji için büyük miktarlarda etanol üretmek için üretim ölçeğinde gerçekleştirilir.
Az önce JoVE'nin biyoprosese girişini izlediniz. Artık temel biyoprosesi, bazı yaygın yöntemleri ve zorlukları ve ayrıca teknolojinin uygulamalarını anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.
Biyoproses mühendisliği, canlı organizmalardan belirli bir ürün üretmek için birçok mühendislik disiplinini kullanan bir alandır. Tipik olarak, organizmalar, belirli bir ürün proteini veya kimyasalı üretmek için tasarlanmış genetik olarak değiştirilmiş hücrelerdir. Hücreler daha sonra, daha sonra kromatografi gibi sonraki işlemler kullanılarak saflaştırılan ürünü üretmek için büyük ölçekte büyütülür. Bu videoda örnek bir biyoproses tanıtılacak, bu alanda öne çıkan yöntemler gözden geçirilecek ve teknolojinin bazı temel zorlukları ve uygulamaları gözden geçirilecektir.
Bir ürün proteini üretmek için hücreleri kullanan örnek bir biyoprosese bakalım. İlk olarak, istenen ürünü üretme kabiliyetine bağlı olarak bakteriyel, fungal veya memeli olabilen organizma seçilir. Hücreler, ürünü üretme yeteneklerini en üst düzeye çıkarmak ve gereksiz yan süreçleri en aza indirmek için genetik olarak değiştirilir. Modifiye edilmiş hücreler, yukarı akış süreci adı verilen büyük ölçekte büyütülür. Yaygın bir yukarı akış tekniği, hücre kültürünü büyütmek için bir kap biyoreaktörü kullanan bir süspansiyon kültürüdür. Kültür genişler ve daha büyük ve daha büyük hacimlere geçiş yaparak hücre yoğunluğu artar. Kültür istenen hacme ulaştığında, ürün proteini, hücrelerin proteini tükürdüğü salgı yoluyla veya hücrenin onu serbest bırakmak için parçalandığı lizis yoluyla hücrelerden toplanır. Ürün daha sonra hücre kalıntıları ve diğer proteinler gibi kirleticileri uzaklaştırmak için sonraki proseste saflaştırılır. Tipik bir sonraki proses, ürünü saflaştırmak ve konsantre etmek için seri olarak birçok teknoloji türü kullanır. Filtrasyon genellikle ilk olarak hücre kalıntılarını ve büyük partikülleri gidermek için kullanılır. Kromatografi, ilgilenilen proteini izole etmek ve konsantre etmek için kullanılan başka bir teknolojidir. Saflaştırılmış nihai ürün daha sonra proteini depolama için stabilize etmek için liyofilize edilir veya dondurularak kurutulur. Tipik biyoprosesler önce laboratuvar ölçeğinde tasarlanır, daha sonra üretim için daha fazla ölçeklendirmeden önce pilot ölçeğe ölçeklendirilir. Artık temel bir biyoprosesi tanıttığımıza göre, bu alanda öne çıkan bazı yöntemlere bir göz atalım.
Memeli hücre kültürü en sık rekombinant protein terapötiklerinin endüstriyel üretiminde kullanılır. Çin hamster yumurtalık hücreleri veya CHO hücreleri, kullanılan en yaygın hücre tiplerinden biridir. Bakteri hücrelerinin aksine, memeli hücreleri proteinlere karmaşık translasyon sonrası modifikasyonlar yapabilir. Bu modifikasyonlar, ribozomda translasyondan sonra protein üzerinde yapılan yapısal veya kimyasal değişikliklerdir. Bu, terapötik proteinler için gerekli olan karmaşık yapıların üretilmesi için gereklidir. Memeli hücre kültürü, hücreler bakteri hücrelerinden daha hassas olduğu için büyüme sırasında dikkatli değerlendirmeler gerektirir. Etkili havalandırma gereklidir. Bununla birlikte, kesme hasarı en aza indirilmelidir. Sıkı pH ve sıcaklık kontrolü ve toksik ürünlerin hızlı bir şekilde uzaklaştırılması ile iyi kontrol edilen homojen bir ortam da gereklidir. Endüstriyel süreçler, yüksek miktarda ürün üretmek için ölçeklendirilir. Ölçek büyütme, ekipmanın hacmini ve dolayısıyla boyutunu orantılı olarak artırmak kadar kolay değildir. Tam ölçekli birimin kütle akışının pilot birime oranı olan bir ölçeklendirme faktörü kullanılır. Geometrik olarak benzer tank reaktörlerinin boyutunu belirlemek için ölçeklendirme faktörleri kullanılır. Örneğin, hacim ölçekleri olarak, ölçeklendirme faktörü S ile tank çapı S ile 1/3'e kadar ölçeklenir. Bunun nedeni, daha büyük tank hacmi ile kütle ve ısı transferi sınırlamalarıdır.
Biyolojik ürünlerin imalatında, kontaminasyona duyarlı canlı organizmalar kullanılır. Kirletici organizmalar bakteri, mantar veya virüs olabilir ve üretimde kullanılan personel, malzeme veya ekipmandan kaynaklanabilir. Mikrobiyal kontaminasyon, ürün değişkenliğine neden olur ve ürün proteininin bozulmasına neden olabilir. Güvenli ve etkili olmalarını sağlamak için devlet kurumları tarafından sıkı bir şekilde düzenlenen ilaç ürünlerini üretmek için birçok biyoproses kullanılmaktadır. İlacın kendisi ilk önce titiz laboratuvar testlerinden ve klinik deneylerden geçer. İlaç onaylandıktan sonra, üretim süreci de inceleme ve onaydan geçmelidir. Düzenleme, güvenli bir nihai ürün sağlamak için gerekli olsa da, mühendislik sürecinde ek kısıtlamalara neden olur. İzin verilen reaktifler, kirleticiler ve konsantrasyonlar gibi parametrelere katı sınırlamalar getirilir.
Artık biyoprosesteki bazı yaygın teknikleri ve zorlukları gördüğünüze göre, bazı gerçek dünya uygulamalarına bir göz atalım. Aspirin ve asetaminofen gibi küçük moleküllü ilaçların aksine, birçok karmaşık ilaç rekombinant proteinlerdir ve biyoproses yoluyla yapılır. Rekombinant protein terapötikleri, onlarca hedefe yönelik tedavi ile son 25 yılda hızla artmıştır. AIDS, kanser, bulaşıcı hastalıklar, yara iyileşmesi, beslenme bozuklukları, felç ve septik şok, protein terapötiklerinin tedavi olarak sunulduğu alanlardan sadece birkaçıdır. Biyoişleme, etanol gibi biyoyakıtlar yapmak için de kullanılır. Etanol, şeker kamışı veya mısır gibi selülozik malzemeden üretilir. İşlem, selülozun hammaddelerden izole edilmesiyle başlar, ardından enzimatik hidroliz ve maya ile fermantasyon yapılır. Bu biyoproses, alternatif enerji için büyük miktarlarda etanol üretmek için üretim ölçeğinde gerçekleştirilir.
Az önce JoVE'nin biyoprosese girişini izlediniz. Artık temel biyoprosesi, bazı yaygın yöntemleri ve zorlukları ve ayrıca teknolojinin uygulamalarını anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.