Разница между периодическим, периодическим и непрерывным процессами

Batch, fed-batch, and continuous processing are bioprocessing techniques that stand out when it comes to large-scale production of useful biological products. Depending on what you’re attempting to create—be it insulin, эстетические наполнители, биотопливо или ферменты в вашем любимом йогурте — каждый из них имеет свои преимущества и трудности.

In case you’ve ever questioned how scientists choose which one to employ, this guide explains everything.

Let’s examine each of these procedures and discover why fed-batch bioreactors are frequently the preferred option in contemporary biomanufacturing and how they are particularly useful in intricate processes like the production of high-value goods, including biopharmaceuticals.

Что такое биореактор в микробиологии?

Биореактор — это емкость, которая обеспечивает идеальные условия для роста клеток, таких как бактерии, грибки или клетки млекопитающих, с целью получения определенных продуктов.

Consider it a carefully regulated “breeding ground” for cells — where nutrients, pH, oxygen, and temperature are all carefully regulated. These regulated settings are vital to disciplines like genetic engineering, biochemistry, and microbiology. In these disciplines, they are necessary for the production of everything from vaccines to biofuels.

Чтобы позволить ученым разрабатывать микроорганизмы или клетки в широких масштабах, биореакторы предназначены для масштабирования биологических реакций. Многие отрасли промышленности полагаются на биореакторные системы для производства биологических продуктов в больших количествах.

Так как же работают биореакторы?

Три основные процедуры эксплуатации биореакторов

Пакетная, подпитываемая и непрерывная обработка — три основные процедуры. Каждая из них имеет особые преимущества и выбирается в соответствии с требованиями продукта.

Эти методы различаются с точки зрения обеспечения питательными веществами и поддержания активности клеток, что влияет на урожайность и управление процессами. Вот три основные стратегии и объяснения того, почему все они необходимы для современного биопроизводства.

1. Пакетная обработка

In a batch process, a bioreactor is initially filled with cells and a predetermined quantity of nutrients. Over time, the cells use these resources to produce the required product (such as metabolites, proteins, or enzymes). The batch is “harvested,” and the production of a fresh one starts after the nutrients have been consumed.

Хотя пакетная обработка предпочтительна из-за простоты и удобства управления, она имеет свои недостатки.

Преимущества пакетной обработки включают в себя:

• Контроль: Операторы могут легко следить за всем процессом, не внося постоянно никаких изменений, поскольку все данные добавляются одновременно.
• Снижение опасности загрязнения: поскольку системы периодического действия закрыты, вероятность загрязнения ниже, что особенно полезно для биореакторов одноразового использования.
• Простота настройки: по сравнению с непрерывными системами периодические процессы проще в настройке и требуют менее сложного оборудования.

Недостатки пакетной обработки

• Ограниченный выход: Клетки перестают производить, когда питательные вещества заканчиваются. Поэтому вам придется начинать заново.
• Неэффективность: если один шаг задерживается, весь процесс останавливается, что снижает производительность.
• Увеличение времени простоя может быть вызвано необходимостью повторной стерилизации и очистки оборудования между партиями.

Подводя итог, можно сказать, что пакетная обработка играет свою роль, особенно в мелкосерийном производстве. Тем не менее, пакетные и непрерывные процессы гораздо более эффективны.

2. Обработка с подачей партии

Добавление добавок в суп во время его приготовления аналогично обработке с подпиткой. Вы начинаете с небольшого количества питательных веществ. Затем, в течение процесса, вы постепенно добавляете больше питательных веществ. Это позволяет лучше контролировать развитие клеток и выход продукта.

By regulating the input of nutrients, a fed-batch bioreactor maintains the cells’ viability and productivity. This process is the preferred option for industrial enzymes and biopharmaceuticals since it is especially efficient in creating complicated bioproducts.

Уникальные особенности биореакторов с подпиткой

• Гибкое регулирование уровня питательных веществ: система периодического дозирования оптимизирует производственную среду, позволяя операторам подавать питательные вещества в клетки по мере необходимости.
• Повышение урожайности: поскольку уровень питательных веществ может поддерживаться в течение всего времени, биореакторы с периодической загрузкой обычно производят больше продукции, чем при периодическом производстве.
• Снижение накопления вредных побочных продуктов: более качественные продукты получаются в результате постепенного добавления питательных веществ, что снижает образование токсичных побочных продуктов (например, этанола во время дрожжевого брожения).

Биореакторы периодического действия широко используются в процессах, требующих более длительного времени производства, таких как синтез ферментов, антител и биотоплива.

Кроме того, высокая плотность культуры с подпиткой, которые необходимы для производства огромных объемов товаров, стали возможны благодаря этой технологии.

Более глубокий взгляд на применение биореакторов с подпиткой

В основе биофармацевтического сектора лежат биореакторы с подпиткой. Например, биореакторы с подпиткой необходимы для синтеза моноклональных антител. Эти антитела используются для лечения таких заболеваний, как рак.

Actually, almost 70% of the world’s monoclonal antibody manufacturing results from fed-batch bioreactor applications. Insulin, vaccines, and other therapeutic proteins are also made using this technique.

Кроме того, в производстве биотоплива используются биореакторы периодического действия, поскольку экономическая эффективность зависит от оптимизации выхода продукции.

3. Непрерывная обработка

В непрерывном процессе отходы и продукт одновременно удаляются из биореактора, в то время как питательные вещества непрерывно подаются. При таком методе клетки продолжают производить желаемый продукт с постоянной скоростью, поддерживая устойчивое состояние.

Суповая кастрюля с бесконечным запасом ингредиентов и постоянным выходом аналогична непрерывной обработке. Эта технология идеально подходит для производства промышленных ферментов или биотоплива, которые должны производиться в больших количествах.

Преимущества непрерывной обработки

• Повышение производительности: непрерывные системы производят значительно большее количество продукции с течением времени, поскольку процесс никогда не останавливается.
• Постоянное качество продукции поддерживается благодаря стабильным условиям, которые обеспечивают биореакторы непрерывного действия.

Постоянные трудности обработки:

• Сложность: Непрерывная работа системы требует постоянного наблюдения для поддержания стабильных условий.
• Высокая стоимость: Как правило, технологии и оборудование, необходимые для непрерывных процессов, обходятся дороже.
• Риск загрязнения: особенно в фармацевтической промышленности, загрязнение может быть сложнее контролировать, поскольку процесс никогда не останавливается.

Благодаря своей эффективности непрерывная обработка становится все более популярной для создания востребованных товаров. В биофармацевтике она менее популярна, чем периодическая обработка из-за своей сложности и дороговизны.

Основные различия между периодическими, периодическими и непрерывными процессами

The choice between batch, fed-batch, and continuous systems has a direct impact on output, whether you’re growing cells to make life-saving medications or fermenting microbes to produce bioethanol.

Ниже приведены основные различия между этими технологиями, которые позволят вам понять, почему биореакторы с подпиткой являются особенно гибким и эффективным выбором в современном биопроизводстве.

1. Добавление питательных веществ

В пакетном процессе все питательные вещества, необходимые для полного цикла производства, добавляются в самом начале. Процесс заканчивается, когда клетки перестают расти, а питательные вещества истощаются. Хотя этот метод прост, он позволяет использовать для производства только начальный запас питательных веществ.

Напротив, биореактор с подпиткой позволяет добавлять питательные вещества постепенно в ходе процесса. Питательные вещества добавляются постепенно и в контролируемых количествах, а не все сразу, что поддерживает активность клеток и продлевает их рост, максимизируя производство.

In continuous processing, waste and products are eliminated as new nutrients are continuously added. This maintains the cells’ stability so they can keep proliferating and developing indefinitely without stopping.

2. Продолжительность процесса

Because nutrients aren’t renewed throughout a batch process, its duration is constrained. Batch processing is brief and necessitates numerous restarts to sustain production because the process stops when the original nutrients are exhausted.

Процессы с подпиткой могут длиться дольше, поскольку питательные вещества поставляются по мере необходимости. Клетки могут продолжать развиваться и генерировать необходимую продукцию без быстрого истощения ресурсов. Это позволяет увеличить время производства.

Пока биореактор правильно обслуживается, непрерывные процессы должны продолжаться бесконечно. Такая конфигурация обеспечивает непрерывное производство, что идеально подходит для продуктов с высоким спросом.

3. Регуляция роста клеток

В пакетной процедуре контроль над пролиферацией клеток невелик. Не существует метода изменения уровня питательных веществ в ответ на активность клеток, поскольку все питательные вещества предоставляются в начале. Рост замедляется и в конечном итоге останавливается, когда питательных веществ становится мало.

Обеспечивая постоянную регулировку уровней питания, биореакторы с подпиткой обеспечивают больший контроль над развитием клеток. Операторы могут продлить время производства и поддерживать оптимальную скорость роста благодаря этой гибкости, максимизируя выход.

Поскольку отходы и питательные вещества постоянно сбалансированы, непрерывная обработка обеспечивает наивысший уровень контроля. Хотя это требует сложного мониторинга и изменений, эта устойчивая среда обеспечивает постоянную скорость разработки и постоянное качество продукции.

4. Эффективность и урожайность продукта

Поскольку процесс партии ограничен исходным запасом питательных веществ, выход продукта умеренный. Производительность может быть замедлена необходимостью перезапуска системы после каждой партии.

По сравнению с пакетными процессами, Системы с подпиткой производят больше. Биореакторы с подпиткой увеличивают общую производительность, поддерживая активный рост клеток в течение длительного периода времени. Это особенно выгодно в приложениях с высокими ставками, таких как биофармацевтика.

Поскольку производство никогда не останавливается, непрерывные процессы способны достигать оптимальной производительности. Непрерывные процессы максимизируют эффективность с течением времени, поддерживая постоянный выход. Это так до тех пор, пока утилизация отходов и уровни питательных веществ поддерживаются должным образом.

5. Накопление побочных продуктов

Поскольку питательные вещества расходуются в пакетных операциях, побочные продукты могут накапливаться и ухудшать качество конечного продукта. Производительность может быть ограничена, поскольку отходы накапливаются до тех пор, пока партия не будет закончена. В конце концов, весь цикл завершается одним добавлением питательных веществ.

Биореакторы с подпиткой сокращают нежелательные побочные продукты, поставляя питательные вещества постепенно. Чтобы поддерживать более здоровую клеточную среду и более качественные продукты, операторы регулируют скорость подачи, чтобы избежать накопления опасных побочных продуктов.

Непрерывные процессы часто накапливают наименьшее количество побочных продуктов, поскольку отходы непрерывно удаляются вместе с продуктом. Такая конфигурация помогает сохранять идеальные условия для деления и пролиферации клеток.

6. Простота эксплуатации

Batch processing is an excellent option for smaller or simpler tasks because it is simple to set up and operate. There is less of a requirement for technical expertise because it doesn’t require sophisticated equipment or monitoring.

Биореакторы с периодической подачей немного сложнее, поскольку им требуется регулируемое добавление питательных веществ. Они все равно достигают хорошего баланса, предлагая повышенную производительность без требовательного администрирования непрерывной системы.

Для поддержания стационарных условий необходимо постоянно контролировать непрерывные процессы (которые являются наиболее сложными). Их трудно запустить, и для балансировки удаления отходов, добавления удобрений и качества продукции требуются сложные системы.

7. Оптимальное использование

Серийный процесс: для более простых или мелкосерийных производственных задач, таких как предварительные исследования, ранняя стадия разработки продукта или небольшое количество продукции.

Процесс Fed-Batch: Для производства высококачественных биопродуктов премиум-класса, таких как биофармацевтические препараты, ферменты и биотопливо, предпочтительным вариантом являются биореакторы Fed-Batch. Сложные биопроизводственные процессы лучше всего подходят для систем Fed-Batch из-за их высокой производительности и адаптивности.

Непрерывный процесс: наиболее предпочтителен, когда требуется стабильное, крупносерийное производство для крупномасштабных, востребованных приложений, таких как производство промышленных ферментов или биотоплива.

Роль суббиореакторов в современном биопроизводстве

Во многих процессах клетки первоначально выращиваются во вспомогательном биореакторе, известном как суббиореактор, а затем переносятся в более крупный основной биореактор.

Вспомогательные биореакторы используются в подпитываемых и непрерывных культурах для «подготовки» клеток, чтобы они могли достичь фазы роста при культивировании в больших объемах.

Собранные суббиореакторы снижают уровень отходов и повышают общую эффективность, помогая определить оптимальные условия перед переходом на следующий уровень.

Реальные примеры процесса биореактора с подпиткой

The fed-batch bioreactor has a wide application in the food industry, biofuels, and medicinal industries. Let’s examine a few actual instances in more detail:

• Лекарства: В производстве биофармацевтических препаратов с акцентом на моноклональные антитела, применяемые при лечении рака и аутоиммунных заболеваний, процессы с подпиткой по-прежнему являются важнейшим компонентом. Например, можно адаптировать метод с подпиткой, чтобы увеличить скорость производства антител.
• Биотопливо: биореакторы с подпиткой в настоящее время важны для производства биотоплива, такого как этанол. Эта процедура может помочь существенно увеличить количество топлива, производимого из определенной биомассы, тем самым снижая затраты.
• Продукты питания и напитки: По сравнению с другими системами ферментации системы периодического действия являются идеальными, поскольку контроль скорости ферментации обеспечивает качество при производстве пива, йогурта и многого другого.

Почему биореакторы с подпиткой в дальнейшем останутся с нами

Биореакторы с подпиткой предлагают оптимальный уровень между периодическим и непрерывным процессами. Они остаются пригодными для всех видов промышленности из-за их относительно общего использования и использования в качестве одноразовых биореакторов.

В целом, биореакторы с периодической подпиткой, по-видимому, обеспечивают значительный компромисс между более высокой производительностью и лучшим контролем без проблем непрерывной обработки.

Системы с подпиткой могут наиболее эффективно увеличивать плотность клеток или качество продукта, когда необходимо изменить концентрацию питательных веществ. Это имеет решающее значение, поскольку сердцем биопроизводства является производство лекарств, устойчивого биотоплива и других товаров.

Advanced Bioreactor Systems and Biomanufacturing’s Future

Достижения в области инноваций в области биореакторов открывают новые возможности для систем непрерывного и периодического действия в будущем.

Биореакторы развиваются за счет автоматизации мониторинга и искусственного интеллекта, а также анализа данных в реальном времени, обеспечивая тем самым дополнительный контроль над формированием клеток и качеством продукции.

Впоследствии системы с подпиткой и другие одноразовые биореакторы или открытые системы также разрабатываются с точки зрения сложности. Новые современные системы имеют сенсорные системы для контроля уровня pH, температуры и необходимых питательных веществ, и изменения могут быть сделаны мгновенно.

Благодаря такой интеграции разрабатываются более интеллектуальные «биореакторы», позволяющие еще больше повысить производительность и эффективность.

В итоге

В конечном счете, каждая технология биообработки играет свою роль. Знание ваших уникальных требований и ограничений имеет решающее значение. Хотя биореактор с подпиткой в настоящее время является самым популярным вариантом, он не всегда является лучшим вариантом при любых обстоятельствах.

Remember that understanding and streamlining your process is more important for bioprocessing success than simply selecting the appropriate technology. The fundamentals are the same whether you’re using a contemporary single-use bioreactor or a conventional stainless steel setup.

От надежных периодических процедур до современных систем биореакторов с подпиткой и перспективных непрерывных операций — каждый метод способствует развитию биотехнологий и повышению качества нашей жизни.

Keep in mind that there isn’t a one-size-fits-all approach to bioprocessing. The optimal procedure is the one that satisfies your unique requirements.

Improve Your Biomanufacturing with Bailun Technologies’ Premium Bioreactors!

Вы готовы продвинуть свои усилия в области биопроизводства? Выберите Bailun Technologies. Мы — надежный партнер в эффективности и инновациях.

Независимо от того, требуются ли вам современные биореакторы периодического, периодического или непрерывного действия, компания Bailun Technologies предлагает передовые системы, разработанные для обеспечения оптимальной точности и производительности.

When it comes to performance and quality, don’t accept less. Discover the ideal bioreactor for your requirements by в гостях у нас сегодня, чтобы просмотреть всю их подборку.