artikel

Uitdaging bij minieme bioreactoren is de opschaling

Algemeen

De ontwikkeling van bioreactoren zit hem vooral in de miniaturisatie tot 200 µl vaatjes. Daarmee kunnen bij de productontwikkeling tien keer zo snel de optimale groeivoorwaarden voor micro-organismen of enzymen worden gevonden. De uitdaging is het opschalen, het vertalen van laboratoriumomstandigheden naar procesvoorwaarden in de fabriek.

Industriële bioreactoren zijn installatietechnisch niet veel meer dan (middel)grote roestvast stalen tanks met een roermechanisme. Deze tanks zijn gevuld met een vloeibare suspensie (water en voedingsstoffen) en nauwkeurig geselecteerde micro-organismen of enzymen.

De afgelopen decennia is er op dit terrein dan ook weinig veranderd, constateert directeur internationale verkoop en marketing Erik Kakes van Applikon Biotechnology. Dit 25 jaar geleden opgerichte bedrijf, met hoofdkantoor in Schiedam, ontwikkelt en fabriceert bioreactoren voor onderzoeksapplicaties en industriële productie. Afhankelijk van de gewenste stof die moet worden gevormd, verschillen de gebruikte micro-organismen, enzymen en groeifactoren. Deze gedetailleerde informatie is doorgaans vertrouwelijk.

Condities
De besturing, via een PLC of Industriële PC, regelt de juiste condities in de reactor: beluchting met zuurstof of een gasmengsel (stikstof, zuurstof, koolzuur, lucht), indirecte koeling of verwarming via de tankwand, toevoegen van een zuur of een base voor de juiste zuurtegraad. Uit kostenoverwegingen wordt dit zo eenvoudig mogelijk gehouden. “Dat komt ook de robuustheid ten goede”, aldus productspecialist Frank van den Hoogen.

De belangrijkste ontwikkeling is de toenemende aandacht voor hygiëne en reinigbaarheid van de reactoren en de daarmee samenhangende keuze voor nieuwe staalsoorten en hygiënisch ontwerp volgens internationale standaarden als de Amerikaanse 3A of Europese EHEDG (European Hygiene and Equipement Design Group) richtlijnen. Wat materiaalkeuze betreft maakt RVS 304 steeds meer plaats voor 316 RVS, dé standaard in de farmaceutische industrie.

Microbioreactoren
De grootste bioreactoren hebben een volume van 200 m3 voor de productie van additieven. Het andere uiterste vormen de microbioreactoren die vooral bij de productontwikkeling worden ingezet. Deze hebben afmetingen die nauwelijks groter zijn dan 200 µl. Door deze naast elkaar in rijen van 8×12 of 4×6 op een cassette te plaatsen, kunnen bedrijven efficiënt de invloed van verschillende procesomstandigheden op de microbiële of enzymatische omzettingen in een vaatje onderzoeken. Standaard analysetechnieken stellen de veranderingen in bijvoorbeeld de PH of hoeveelheid opgeloste zuurstof vast.

Hoewel de vaatjes niet veel groter zijn dan 200 µl kan elk vaatje individueel worden geregeld op temperatuur, pH, zuurstofgehalte, zoals ook bij grote reactoren gebeurt. Een kleine schudplaat zorgt voor de ook op deze schaal benodigde circulatie die voor homogene omstandigheden in de reactor moet zorgen. Miniaturisatie van de verschillende onderdelen die hiervoor nodig zijn, maakt deze individuele besturing van de omstandigheden in elk vaatje mogelijk.

In de loop van de tijd kunnen verschillende instelwaarden voor de parameters worden geprogrammeerd. Meetresultaten worden via een beeldscherm realtime gevolgd en opgeslagen.

Applicatie
Het volgende voorbeeld schetst de mogelijkheden van bioreactoren. Een grote Nederlandse voedingsmiddelenproducent maakt gebruik van microbioreactoren om melkzuurbacteriën te selecteren die een bioactief eiwit onder bepaalde procesomstandigheden kunnen produceren. Andersom kunnen natuurlijk ook de beste procesomstandigheden worden gevonden voor een zo hoog mogelijke vorming van een bepaalde component.

Omdat gelijktijdig grote aantallen proeven worden uitgevoerd kan volgens Van den Hoogen een belangrijke tijdwinst worden geboekt bij productontwikkeling. “Dit kan oplopen tot een factor 10; drie tot vier jaar wordt al gauw vier tot vijf maanden.” Daarmee nemen de kosten van productontwikkeling sterk af. Bovendien besparen de onderzoekers significant op apparatuur en reagentia.

Uitdaging
Veruit de belangrijkste uitdaging in productontwikkeling ligt voor zover het de bioreactor betreft in het opschalen van de onderzoeksresultaten van de microbioreactoren naar de bioreactoren op proeffabriekschaal en vervolgens productieschaal. “Centraal hierbij staan de veranderende fysische omstandigheden”, benadrukt Erik Kakes.

In het bijzonder de vloeistofdruk, maar ook andere milieuomstandigheden als temperatuur, aan- of afwezigheid van zuurstof of andere gassen in het groeimedium. Relevant zijn ook eventuele exo- of endotherme reacties in het groeimedium door metabole omzettingen of reacties tussen metabole stoffen en componenten in het groeimedium. Deze hebben een effect op de temperatuur in de bioreactor. Aandachtspunt is ook de zorg voor homogene omstandigheden door roeren van de tank.

Opwerken
Voor het scheiden van de gewenste componenten uit de groeimedia in de industriële bioreactoren zijn uiteenlopende gangbare technieken mogelijk. De keuze vereist grondige expertise waarbij Applikon nauw samenwerkt met hierin gespecialiseerde bedrijven, zoals de Duitse procesinstallatiegroep GEA. “Je kunt in onze sector geen specialist in bioreactoren en in scheidingstechnieken zijn. Het gaat hier om kennisintensieve vakgebieden”, aldus Kakes en Van den Hoogen.

Veel gebruikte scheidingstechnieken zijn micro- en ultrafiltratie via membranen, afhankelijk van de grootte van de te scheiden component. Wanneer de gevormde component, bijvoorbeeld een aromastof, in de bacteriën zelf aanwezig is, kan – na scheiden van micro-organismen en groeimedium – in een eerste vervolgstap de bacteriecelwand met behulp van een celdisruptor kapot worden gemaakt. Daardoor komt de gewenste component vrij. Beide kunnen vervolgens worden gescheiden in een centrifuge. Zuiverheden tot 99% zijn in één of twee stappen haalbaar, weet Van den Hoogen.

PAT
Binnen een jaar of vijf verwacht Van den Hoogen veel van het gebruik van zogenoemde procesanalytische technieken (PAT) bij bioreactoren voor de voedingsmiddelenindustrie. Kakes: “Deze technieken beginnen nu pas door te breken in de bioreactoren in de farmaceutische industrie.”

Het gaat hier in het bijzonder om massaspectrometrie (MS), hogedruk-vloeistofgaschromatografie (HPLC), maar ook nabij-infrarood spectrometrie (NIR), rechtstreeks gekoppeld aan de bioreactor. De NIR-techniek, die inmiddels steeds meer online wordt gebruikt in de voedingsmiddelenfabriek, is gebaseerd op het principe dat stoffen licht absorberen bij karakteristieke golflengten (bij NIR 800-2500 nm). De analyse duurt enkele milliseconden en kan ook online worden toegepast in een bioreactor.

“Door deze PAT-technieken kan al in een vroeg stadium worden nagegaan welke componenten er worden gevormd, en of een proces de goede kant op gaat.” Ook dit levert volgens Van den Hoogen een belangrijke tijdwinst op van vele dagen of een week en langer, afhankelijk van het proces (bijvoorbeeld soort micro-organisme, red). “Nu wordt pas aan het eind van het batchproces de kwaliteit bepaald, met name de hoeveelheid biomassa.” Dat kan met NIR.

Fingerprints
Erik Kakes merkt nog op dat de NIR-techniek ook uitstekend kan worden gebruikt voor het maken van zogenoemde fingerprints, karakteristieke spectra, van het proces in de bioreactor, zonder dat eigenlijk bekend is waar elke fingerprint voor staat. Door fingerprints van een proces te vergelijken met die van een ideaal proces kan eventueel worden besloten om kwaliteitscontroles uit te voeren.

Een en ander is gebaseerd op geavanceerde statische procesanalyses en is bijzonder complex. Op grond van de analyseresultaten van de kwaliteitscontroles kan het proces in de bioreactor worden bijgestuurd, zoals nu ook al gebeurt, dan wel stopgezet. “Het adagium is meten is weten, en wat dat betreft worden steeds hogere eisen gesteld in de voedingsmiddelenindustrie, bijvoorbeeld op het vlak van voedselveiligheid (allergenen, toxische stoffen, red).”

Reageer op dit artikel