Bioreaktor z plastiku

Tyle ciekawych rzeczy dzieje się w nauce. Tyle nowych rzeczy jest odkrywanych i opisywanych. Trudno czasem coś wybrać. Jeszcze trudniej oderwać się od swoich badań, by napisać porządny tekst do Salonu.

Kilka dni temu miałem przyjemność uczestniczyć w seminarium o tematyce dość odległej od tej, z którą mam na co dzień. Seminarium dotyczyło modelowania hodowli wirusa grypy na cele produkcji szczepionek. Nasz gość-prelegent opowiedział jak zajmują się tym od strony praktycznej (hodowle komórek i wydajność produkcji wirusów) oraz od strony matematycznej (modele wzrostu, metabolizmu, infekcji). Jedną z ciekawych rzeczy była uwaga o tym, że odchodzą od hodowli w tradycyjnych stalowych bioreaktorach na rzecz jednorazowych worków. Właśnie o bioreaktorach w workach chcę napisać dzisiaj.

Posłużę się przykładem. Garnek, w którym gotuje się rosół, też może służyć jako bioreaktor. Jeśli zrobiony jest z dobrej stali gotowane rzeczy nie będą przywierać, ani tym bardziej reagować ze ściankami. Przykrycie garnka redukuje straty ciepła i szansę na to, że jakaś przygodna mucha wpadnie do zupy niwecząc cały wysiłek. Aby zapewnić równomierne rozprowadzenie ciepła i przypraw należy też od czasu do czasu mieszać. Jak mieszać, by wszystko było dobrze wymieszane to nauka sama w sobie, ale na potrzeby kuchni wystarcza dobra łyżka i ramię kucharza. W garnku dochodzi wtedy do szeregu bio-chemicznych przemian, które ostatecznie staną się czyimś obiadem.

Bioreaktor to właśnie takie naczynie, gdzie w sterylnych, kontrolowanych warunkach, przy optymalnym napowietrzeniu i odżywieniu, komórki dokonają swojego metabolicznego cudu produkując np. penicylinę. Bioreaktory różnią się objętością, od litra do metrów sześciennych. Im większe naczynie tym proces bardziej skomplikowany i wymagający uwzględnienia większej ilości parametrów. Aby uzyskać jak najlepsze warunki należy kontrolować proces produkcyjny. Służą temu różnego rodzaju mierniki np. pH-metry, termometry, elektrody mierzące ilość rozpuszczonych gazów czy wreszcie ilość komórek w reaktorze. Zapewnienie dobrych warunków to także dobre zaopatrzenie w substancje odżywcze. Aby równomiernie rozprowadzić je należy zastosować jakąś metodę mieszania. Jest to najczęściej kompromis między dokładnością mieszania a uszkodzeniami jakie wyrządza mieszalnik komórkom. Nie zapominajmy, że wszystko to musi być wykonane sterylnie. Jak konstruować takie urządzenia i jakie procesy i zjawiska należy brać pod uwagę przy pracy to dziedzina inżynierii bioprocesowej i biotechnologii. Mam nadzieję, że poniższa ilustracja pomoże zrozumieć koncept bioreaktorów.

Od pewnego czasu kolejne firmy wyposażenia biomedycznego proponują różne rozwiązania oparte na jednorazowych bioreaktorach-workach wykonanych z różnego typu tworzyw sztucznych. Pierwszą zaletą jest redukcja kosztów poprzez redukcje infrastruktury potrzebnej dużemu stacjonarnemu bioreaktorowi. Nie potrzeba np. infrastruktury myjącej i sterylizującej bioreaktor. Plastikowy „worek” po opróżnieniu ulega zniszczeniu wraz z pozostałymi, często niebezpiecznymi (np. wirusy), resztkami. Na to zwrócił uwagę gość-prelegent, gdyż właściwe usuwanie odpadów zakaźnych jest kosztownym problemem.

W szybki sposób można powiększyć produkcję przez przystawienie kolejnego „worka” z komórkami. Przykładowo, jeśli proces z udziałem komórek w jednym 500 L bioreaktorze zajmuje 3 tygodnie, to możliwe jest przeprowadzenie jego zaledwie 17 razy w ciągu roku. Postawienie dwóch „worków” pozwoliłoby zwiększyć produkcję co najmniej dwukrotnie. Jest to też rozwiązanie dla start-up’ów i innych podmiotów o ograniczonym budżecie, których nie stać na całą instalację.

 

 

animacja

Jak działa taki bioreaktor? Jedna z firm oferujących takie rozwiązania przedstawia animację na swojej stronie. Zasadniczo składa się z worka-bioreaktora, łoża na którym spoczywa worek oraz peryferiów – pomp, mierników. Łoże kołysze się wprawiając pożywkę i zawarte w niej komórki w ruch. Ruch jest niezbędny by pożywka została dobrze napowietrzona, a komórki optymalnie odżywione. Brak mieszadła ogranicza straty związane ze stresem i rozrywaniem komórek. Zamontowane wejścia pozwalają w sposób sterylny podłączyć różnego typu urządzenia peryferyjne. Dodatkową zaletą jest stosowanie przeźroczystych materiałów, co pozwala na hodowle komórek fotosyntetyzujących, glonów lub komórek roślinnych.

Jest to bardzo ciekawe rozwiązanie, choć w wielu przypadkach, o gorszej wydajności niż procesy w stalowych bioreaktorach. Taki worek nie jest jednak tani. Najtańsze (1,5L) to wydatek około 70 USD. Większe bioreaktory z tworzyw to wydatek rzędu kilku tysięcy dolarów. Jest to akceptowalny wydatek zwłaszcza na etapie ustalania warunków produkcji na małą i półprzemysłową skalę. Czy zastąpią tradycyjne reaktory. Nie wiem, ale worki-bioreaktory zaczynają być modne, a wykorzystanie je w hodowlach wirusów na cele szczepionek czyni je jeszcze bardziej atrakcyjnymi.

No, i metafora garnka jest już nieadekwatna.

_______________________________________________________________

źródła:

Wave Biotech, www.wavebiotech.com

"Moderne Methoden der Zellbiologie" Universität Heidelberg, www.sinnesphysiologie.de

Terrier et al., Biotechnology and Bioengeneering, vol. 96, No 5, 2007

 

11449