加微信了解
您身边的平行生物反应器专家
全国服务热线:18017396936

Emil:l@parallel-bioreactor.com

021-57640001
国内首家将微小型平行生物反应器成功商业化的研发和制造商
微小型生物反应器及其在生物医药领域的应用展望
来源: | 作者:T&J | 发布时间: 2020-09-14 | 343 次浏览 | 分享到:
微小型生物反应器体积微小但在线分析检测和过程控制功能媲美台式装备。其核心支撑技术包括一次性材料及微加工技术、非接触式光学传感器、自动化以及实验设计(DOE)、数据分析软件与过程控制的整合。由于体积微小、湍流程度和单位能耗较低,微小型反应器内的混合、传质、剪切特性与工业规模设备有一定的区别。现阶段微小型生物反应器主要用于菌株和细胞系筛选和工艺优化,在实现高通量工艺的同时确保了数据的丰度,对缩短研发周期和加速产品上市,尤其是在应对突发性传染性疾病方面有着重要的意义。未来,精准医疗概念的落实也依赖功能柔性化的微小型生物反应器系统。
生物反应器曾是推动生物制品产业进步的主要动力。例如,得益于搅拌釜反应器深层发酵技术,Pfizer公司的纽约工厂在1944年每天生产的青霉素都超过1943年一整年的总和[1]。此后很长一段时间内,由于通过随机诱变等技术进行菌种改良效率低下,反应器设计及工艺优化一直是提高生物过程效率的主要手段。然而,本世纪兴起的合成生物学使直接在基因和代谢水平对细胞的改造变得越来越方便,而相应后续新菌种的工程化技术研究却比较缺乏,反应器相关研究也未得到高度重视。这种状况反过来又导致现有的装备不能满足对通过合成生物学技术得到的大量菌种、细胞进行筛选和工艺优化的需要。这种上、下游脱节的现象制约了我国现代生物技术产品的产业化,生物制造产业的健康发展和产业升级也受到了限制。同时,在以大数据和人工智能为代表的第四次工业革命到来之际,传统的实验室规模生物反应器产生数据的速度和质量远远不能满足机器学习、大数据挖掘等新技术的需要。高度自动化和功能柔性化的高通量微小型生物反应器有望从根本上解决上述问题。
微小型生物反应器的界定

     
       
广义上的生物反应器可以包括从生产流感疫苗用的鸡蛋到废水处理用的曝气池等任何可以为生化反应提供一个可控环境的装置和系统。但本文只讨论狭义的生物反应器,即
配备了多种传感器以及自动控制系统,可以精确测量与控制pH、溶氧、温度等基本环境参数和营养物质、生物质浓度等指标的设备。现代意义上的生物反应器是20世纪60–70年
代逐渐完善起来的
[2],按照工作体积和功能分为小试、中试、工业化规模反应器。虽然这种界定方法已经不能准确描述未来生物反应器体积小型化、功能柔性化的趋势,但是为
了便于理解,我们仍旧按照该方法,将微小型反应器与常规反应器进行比较。


微型生物反应器 (Micro-bioreactors)

       通过震荡实现混合和传质的微型反应器工作 体积一般在 1–5 mL甚至更低,高端产品包括 m2plabs 的 Biolector 系列,工作体积为 0.8–2.4 mL;通过搅拌实现混合和传质的微型反应器体积稍 大,一般在 10–50 mL,如 Sartorius 的 ambr® 15 系列,工作体积在 12 mL 以下。受操作空间限制, 微型生物反应器均采用高度集成的非接触式的光 学传感器实现过程参数的监控,这也是其特点之 一,在本文第 2.2 节还有详细介绍。Wong 等[3]开 发的基于廉价配件和开源软件的 eVOLVER 微型 生物反应器使用 50 mL 的硅烷化玻璃瓶作为容 器,装液量为 40 mL 左右。为了控制成本,该设 备不具备 pH、溶氧的测量和控制,其功能更接近 于摇瓶,达不到本文对生物反应器的基本要求, 也不符合任何医药或食品生产规范。 


小型反应器 (Mini-bioreactors) 

     小型反应器的工作体积较微型反应器大一到两个数量级,一般在100–~500 mL。较为成功的产品包括eEppendorf的DASbox®以及国产的迪必尔T&J Minibox®平行生物反应器系列。这些产品在结构上和常规的台式(bBench-top)生物反应器没有太大区别(图1),配有符合国际和行业标准的软、硬件接口,可以使用更丰富的第三方在线分析仪表而不是局限于原厂配件。现有商业化小型反应器的罐体既有可蒸汽灭菌的玻璃+不锈钢材质的,如上述DASbBox®以及T&J Minibox®;也有聚合物材质的一次性产品,如sSatorius的ambr® 250系列。其中,一次性罐体是当前的发展趋势



当前微小型反应器的典型应用


       
现阶段的生物技术产业,尤其是发酵工业,大部分仍在沿用半个多世纪以来确立的初选、复选,工艺开发与优化、验证,中试、放大这个传统路线,如图2所示。在这个过程中,每一个步骤都采用不同的反应器设备,具有不同的传质与混合性能。其中,初选、复选、培养基优化等操作往往是在没有pH及溶氧传感器,不能连续补料,无法精确控制培养条件的孔板和摇瓶内实现[19],微环境与最终的规模化生产相去甚远。由于生化反应都是细胞本身与环境因素共同作用的结果,这个路线存在错选、漏选的天然缺陷。采用微小型生物反应器时,从初选就开始对环境参数精确测量和控制,可以同时保证数据的质和量,实现快速工艺开发。如果说高通量本身是量的突破,那么利用微小型生物反应器在与规模化生产相似的情况下进行筛选和工艺研发,进而避免选出实际应用时表现不佳的细胞和菌株,则是一个质的飞跃。最近,我们使用300 mL八联平行反应器(图1)对代谢改造枯草芽孢杆菌非甲羟戊酸途径提高维生素K2产量进行建模优化后,直接放大到50 L中试规模,获得了较优的结果,为其进一步工业化生产奠定了基础[20]。Delouvroy等[21]将中华仓鼠卵巢(Chinese Hamster Ovary, CHO)细胞在Sartorius ambr® 48小型反应器中表达重组单克隆抗体的性能与2 L玻璃罐,80 L和400 L不锈钢罐进行了比较,得到了十分接近的结果。类似的应用还有很多[22-23],本质上都是对经典路线的修补,最终目的仍然要实现过程与装备的放大,限于篇幅本文不再详细介绍。下文着重对微小型反应器的颠覆性应用进行展望。

                                            
                                                                                         2  传统生物工艺研发与微小型生物反应器的比较Fig. 
                                                                                 
2 Comparison between conventional bioprocess development and mini-/micro-bioreactor system.



微小型反应器的未来应用

过去提到瘟疫时人们常与科学技术和医疗水平低下联系起来。然而在科技高度发达的今天,烈性传染病爆发却展现出越来越频繁的趋势。疫苗,以及其他通过生物技术生产的中、西药有效成分,是应对瘟疫的重要手段。但传统的生物医药研发流程步骤多、周期长,在应对突发事件时已经越来越力不从心。在这一领域,高通量微小型生物反应器已经开始并将继续发挥越来越重要的作用[24]。即便是其他类型的慢性病,因个体差异导致的对同一药物的不同反应也使传统医学“对症下药”这一黄金准则受到“精准医疗”这个新概念的挑战。精准医疗不仅包括针对病患个体特征制订诊疗方案,也包括针对特定人群定制独特的医药产品。以微小型生物反应器为核心的智能工厂和灵活生产车间在极少的人工干预下,配合治疗方案生产所需医药产品[25]。这一思路,将替代大规模生产同一药物的传统路线。

我们常说21世纪是生物技术的世纪。但其实现过程可能不是通过现有生物产业自我升级,而是由掌握了大数据的企业进入生物、医疗领域并开拓出全新的市场。现有的大宗生物医药制品,在新的模式下将有可能沦为利润微薄的原材料和半成品。为了适应这个趋势,作为生物制造及工艺研发的核心装备,生物反应器必须向小型化、智能化、柔性化以及高通量发展,规模放大不再必要。其中小型化是实现高通量和柔性化的前提。
      20多年的发展,微小型生物反应器技术已经相对成熟,目前的相关研究是以应用开发为主,包括对传统生物制品工艺开发的提速,以及为未来基于大数据和人工智能等技术的数据驱动型生物产业提供硬件支持。但其核心技术,尤其是传感器技术绝大部分都还掌握在以欧洲为主的海外企业,进口品牌垄断了国内高端市场,攫取了高额利润。事实上,即便是常规生物反应器,我国也严重依赖进口配件,尚不能实现完全自力更生。这使我国的生物产业,尤其是关乎人民生命健康的生物医药行业,在当前动荡的国际局势下处于危险的境地。本文系统介绍了微小型生物反应器关键技术,希望能为国内装备的制造企业提供参考。本文还阐述了微小型生物反应器目前的典型应用,并对其在下一代生物医药产业中将要发挥的作用进行了展望。

以上内容为摘抄/转载,原文于2020年5月27日网络首发在《生物工程学报》,论文标题为“微小型生物反应器及其在生物医药领域的应用展望”。

原文链接:

https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?doi=10.13345/j.cjb.200162

如有冲突,请联系小篇删除。


遵循QbD&PAT理念的国产新一代数据管理平台软件


T&J D2MS(Devcie and Data Management System)基于强大的Microsoft SQL Server关系型数据库构建。统一管理整个实验室所有的设备、人员、运行数据(包括离线数据)、操作记录、实验观察,等等。全英文操作界面(用户输入中文除外),使用者在不知不觉中熟悉与国际接轨的最先进实验室信息管理系统(LIMS)概念。

同时收集上百台反应器,摇瓶,高通量筛选平台数据。涵盖几乎全部数字与模拟量通讯方式(modbus,RS-485,Ethernet等)与OPC通讯协议,支持几十种第三方在线与离线分析检测设备

无论是做重复验证实验还是复杂的DoE实验设计,迪必尔OAJ(Operator Action Journal)程序可以像电脑操作系统里选择文件一样多选、全选,轻点鼠标即可完成批量运行、停止、取样、输入离线数据、添加注释,等等操作。

本软件绝不限于迪必尔平行生物反应器,只要在迪必尔设备管理器里添加,即便是其他规格如:不锈钢生物反应器也可以参加DoE实验。彻底打破过时的上位机软件需要每一个反应器重复操作的尴尬局面。程序已经内置生物培养过程常用操作,如接种、诱导等,做到一键记录关键时刻。

           迪必尔控制策略大师(Control Strategy Builder)作为D2MS的一个高级过程控制一个模块,是唯一一套无需二次开发而实现最终用户订制自动化策略的软件。 面向高通量生物实验室和云计算而打造的全新底层构架以及现代元素的人机交互界面,是D2MS与传统上位机相比质的区别。轻点鼠标,可以任意组合多个过程参数值作为条件(包括时间),触发运行在PLC上内控制器和设定值曲线。同时激活多个策略,可以实现更加复杂的控制逻辑
          迪必尔D2MS与T&J SCADA系统的高度整合同时保证了可靠性和灵活性。
         迪必尔实验设计大师Experiment Designer可以直接读取JMP软件生成的实验设计表,也可以导入其他DoE软件生成的CSV文件。轻点鼠标选择设备管理器里的设备,即可将复杂的多参数实验设计下载到迪必尔平行反应器或者实验室内任意一台反应器执行。实验完成后,实验结果会自动与实验序号对应。高度的自动化操作,大大提高工作效率,也杜绝任何人为失误产生的可能。

  为方便用户,迪必尔软件工程师专门为D2MS开发了内置DoE功能模块,无需借助第三方DoE软件,直接在D2MS软件上进行DoE多参数实验设计操作。

 在物联网数据可视化方面,通过T&J D2MS Web Access可以在世界任何一个角落通过手机或平板电脑查看反应器运行数据。最重要的是,我们并不存储您的数据,只是通过我们位于阿里云上的服务器提供网页服务。数据只存在于您安装在实验室的D2MS系统,您拥有完全的控制权。

  与此同时迪必尔生物还在继续刷新着软件的功能模块,他们的目标是为用户打造一个得心应手的智能化的软件使用体验。



 需要了解更多或安装体验版软件请联系

微信/电话:13918007863




迪必尔生物工程(上海)有限公司

迪必尔智能科技(深圳)有限公司

迪必尔制药装备(上海)有限公司


更多信息

电话:021-57640001

https://www.parallel-bioreactor.com