CC BY
31
УДК 637.523.3 DOI 10.24412/2311-6447-2022-1-137-142
Совершенствование управления фармацевтическим
биореактором
Improving the management of pharmaceutical bioreactor
Доцент В.А. Иванов, преподаватель E.A. Пашкова, (Национальный исследовательский университет ИТМО) факультет энергетики и экотехноло-гий, тел. 8 (812) 480-00-00 E-mail: vlivanov@itmo.ru
инженер С.В. Пестриков (ЗАО «Биокад») E-mail: tea-922@mail.ru
Associate Professor V.L. Ivanov, Teacher E.A. Pashkova, (ITMO National Research University) Department of Energy and Environmental Technologies, tel. 8 (812) 480-00-00 E-mail: vlivanov@itmo.ru
Engineer S.V. Pestrikov (CJSC Biocad) E-mail: tea-922@mail.ru
Реферат. Рассмотрены проблемы ключевого этапа производства моноклональных антител (МКА) - культивирование в лабораторном биореакторе, описаны особенности управления процессом культивирования МКА. Цель работы - поиск путей повышения качества и экономической эффективности производства МКА. В результате анализа процесса ферментирования МКА выявлены основные возмущающие параметры и предложен способ стабилизации контролируемых параметров путем внедрения многоконтурной системы автоматизированного управления. Применение двухконтурных систем автоматического регулирования способно обеспечить повышение качественных показателей систем управления в объектах биотехнологических производств. Двухконтурную систему автоматического регулирования целесообразно применять в том случае, когда регулируемый объект подвергается частым возмущающим воздействиям со стороны регулирующего органа и имеется параметр с малой инерционностью. При этом внутренний контур регулирования подавляет возникающие внутренние возмущения, обусловленные спецификой самого технологического процесса, а внешний контур реагирует на возмущающие воздействия, поступающие извне.
Summary. The problems of the key stage of production of monoclonal antibodies (MCA) - cultivation in a laboratory bioreactor are considered, features of ICA cultivation process control are described. The purpose of the work is to find ways to improve the quality and economic efficiency of ICA production. As a result of analysis of MKA fermentation process the main disturbing parameters are revealed and method of controlled parameters stabilization is proposed by introduction of multi-circuit system of automated control. The use of two-circuit automatic control systems can ensure an increase in the quality of management systems in biotechnological facilities. A two-circuit automatic control system is useful when the regulated object is subject to frequent disturbance by the regulator and there is a parameter with low inertia. At the same time, the internal control circuit suppresses the arising internal disturbances due to the specifics of the process itself, and the external circuit reacts to disturbances coming from the outside.
Ключевые слова: биореактор, моноклональные антитела, автоматизированная система управления, многофакторные объекты, многоконтурные системы.
Keywords: bioreactor, monoclonal antibodies, automated control system, multifactor objects, multicircuit systems.
Одним из перспективных и динамично развивающихся направлений фармацевтической биотехнологии является производство моноклональных антител. Моноклональные антитела (МКА) на сегодняшний день являются высоковостребован-ным и незаменимым биотехнологическим продуктом, они используются в биохимии, молекулярной биологии и медицине [1].
© В.Л. Иванов, Е.А. Пашкова, С.В. Пестриков, 2022
Моноклональные антитела - антитела, вырабатываемые иммунными клетками, принадлежащими к одному клеточному клону, то есть произошедшими из одной клетки-предшественницы. МКА могут быть выработаны против почти любого природного антигена, который антитело будет специфически связывать. Они могут быть далее использованы для обнаружения этого вещества или его очистки. Специфичность моноклональных антител позволяет им связывать раковые клетки и, взаимодействуя с цитотоксическими агентами, такими как сильные радиоактивы, разрушать раковые клетки, не повреждая здоровые. Это свойство делает их незаменимым инструментом для лечения онкологических заболеваний. Способ получения моноклональных антител был изобретён Жоржем Кёлером и Сезаром Мильштейном в 1970-х гг. За это изобретение в 1984 г. они получили Нобелевскую премию по физиологии.
Безусловно, сложнейшим этапом процесса производства МКА, с точки зрения управления, является ферментация в биореакторе. В большинстве случаев от конструкции биореактора зависит техническое и экономическое исполнение процесса [1]. Биореактор представляет собой емкость, в которой осуществляется биологическая реакция или превращение, его основная функция - обеспечение оптимальных внешних условий для достижения максимальной эффективности процесса в биологической системе. Наиболее часто для культивирования МКА применяются емкостные реакторы периодического действия с механическим перемешиванием и барбо-тажем.
В биореакторе необходимо поддерживать определенные значения параметров среды: температуры, рН, солевого состава, уровней О2 и СО2. Точное регулирование параметров позволяет добиться снижения концентрации токсичных для клеток побочных продуктов (молочной кислоты, аммиака), более плавного расхода питательных веществ и в итоге более высокого выхода продукта. Наиболее важные контролируемые параметры [2|:
Температура. Температура поддерживается постоянной с помощью тепловой рубашки в стенке биореактора. Теплоносителем может быть вода или спирт. Измерения температуры проводят при помощи термометров сопротивления, также можно использоваться термопары. Температурный сдвиг на разных фазах процесса составляет от 37 до 34 °С;
Растворенный кислород. Растворенный в культуральной среде кислород контролируют в пределах от 20 до 50 % от состояния насыщения. Степень насыщения среды кислородом - отношение содержания кислорода в жидкости к ее кислородной емкости. Недостаточные концентрации растворенного кислорода могут привести к избыточному синтезу лактата (молочной кислоты), а чрезмерно высокие концентрации растворенного кислорода приводят к цитотоксичности (токсическое действие на клетки);
рН. Так как даже небольшое отклонение в 0,1 единицы от оптимального значения рН может значительно повлиять на рост культуры и обмен веществ, рН является важной переменной для измерения и контроля. Клеточная культуральная среда содержит бикарбонат натрия в качестве буферного агента, а рН жестко контролируется посредством барботирования СО2;
Растворенный СО2 в большинстве случаев измеряют с помощью автономных газоанализаторов. В использовании стационарных датчиков нет необходимости, так как возможно поддерживать требуемое значение СО2 в биореакторе конкретного объема, правильно подобрав конструкцию барботера, скорость перемешивания и скорость подачи газа. Так как добавление СО2 в реактор является инструментом контроля рН, его содержание в среде изменяется в достаточно широких пределах. Основное требование к системе контроля - значения парциального давления СО2 не должны превышать ингибирующего порога в 120-150 мм рт. ст., выше которого он негативно влияют на характеристики продукта;
Скорость перемешивания. Для культивирования в динамическом режиме необходим гомогенный режим перемешивания, чтобы избежать градиентов температуры и рН, повышенных концентраций субстрата и продуктов в застойных зонах реактора. В реакторах смешения перемешивание чаще всего осуществляется лопастными мешалками при низких скоростях, что позволяет избегать механических повреждений клеток. Ситуация, когда клетки распределены по всему объёму жидкой питательной среды, выравнивает условия роста в различных частях рабочей ёмкости. Наиболее часто в производстве применяется глубинное выращивание в ферментёре с принудительной аэрацией и перемешиванием.
Таким образом, система управления биореактором должна решать задачу поддержания оптимальных для воспроизведения клеток и синтеза целевого продукта значений параметров по всему объему культуральной среды. Чтобы соответствовать современным требованиям биотехнологической промышленности, необходимо обеспечить возможность интеграции АСУ ТП в единую систему диспетчерского управления и сбора данных(ЭСАОА).
Рассмотрена [3] автоматизированная система управления (АСУ) биореактором, применяемая в отделе исследований и развития ЗАО «Биокад» (рис. 1).
Крыльчатка мщсдерг
Рис. 1. Лабораторный биореактор
Программно-технический комплекс для культивирования МКА в лабораторном биореакторе состоит из следующих основных элементов: настольный стеклянный биореактор с тепловой рубашкой, миксером, датчиками и портом для вводом газовой смеси; привод миксера; насосная станция, включающая в себя 3 перистальтических насоса, их драйверы и источники питания; устройство термостатирования; блок управления (контроллер).
Данный комплекс применяется д\я отработки методик получения биотехнологической продукции и проведения медико-биологических научных исследований в области клеточных технологий. Технологическая схема процесса получения МКА приведена на рис. 2.
Рис. 2. Технологическая схема процесса
В комплексе используется стеклянный двустенный биореактор обьемом 3 л, с портами для датчиков рН и растворенного кислорода. Для термостатирования куль-туральной среды в биореакторе полость между стенками (тепловая рубашка) соединена шлангом со стальной ванной циркуляционного термостата, который обеспечивает поддержание температурного режима. Для создания необходимых для клеточной культуры условий в биореактор подаются газы - азот, кислород, углекислый газ. Дозирование подаваемых газов осуществляется при помощи перистальтических насосов.
Управление системой в нормальном режиме работы осуществляется при помощи ЗСАОА, оператор выбирает одну из разработанных по техническому заданию технологов программ-рецептов, задающих комплексу значения регулируемых параметров, скорость вращения миксера и время проведения процесса. Для разных целевых продуктов значения будут несколько различаться. При культивировании нового вида МКА пишется новая программа-рецепт.
Биореактор является типичным многофакторным объектом управления. Для повышения качества процесса получения МКА можно применить двухконтурную схему, предложенную в работах [4-6] для биореакторов пищевых производств. Повышение качественных показателей переходных процессов регулирования в этом случае обеспечивается снижением времени запаздывания по каналам систем регулирования и повышением уровня регулирующих воздействий при совмещении каналов управления, взаимосвязанных с выходными параметрами объекта.
В многоконтурной системе управления внесение управляющих воздействий происходит по аппаратур но-технологическим каналам процесса производства МКА. В эксплуатационном режиме работы биореактора снижение времени запаздывания может быть обеспечено путем предвычисления ожидаемого возмущения. Тем самым будет обеспечено более точное поддержание контролируемых параметров. Для повышения коэффициента передачи управляющего воздействия предлагается использовать суммированное воздействие аппаратурно-технологических каналов системы.
При возникновении неуправляемых ступенчатых возмущающих воздействий используется суммарное воздействие с параллельно-последовательным внесением управляющих воздействий. Такой способ внесения управляющих воздействий, учитывая сложные по форме возмущения, обеспечивает оперативную стабилизацию контролируемых параметров биореактора.
В работе рассмотрена задача управления биореактором в биотехнологической промышленности и сформулированы требования к автоматизированной системе управления процессом культивирования моноклональных антител. Приведено описание и технологическая схема лабораторного программно-технологического комплекса, используемого для культивирования МКА. Предложен способ повышения качества и экономической эффективности производства МКА путем введения дополнительных контуров управления. Принятая структурная схема обеспечивает режим работы каналов управления в технологически и аппаратурно-рекомендованных пределах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сафаров, Р.Р.О. Математическое моделирование половолоконного мембранного биореактора для культивирования клеток млекопитающих, дис. на соиск. уч. степени канд. техн. таук, - Москва.: РХТУим. Д. И. Менделеева, 2016.- 11с.
2. Cell culture processes for monoclonal antibody production», Feng Li,Natarajan Vijayasankaran, Amy (Yijuan) Shen,Robert Kiss S&Ashraf AmanullahGenentech,mAbs, 2:5, 466-479
3. Пестриков С.В. Постановки задачи управления биореактором современной биотехнологической промышленности / / Альманах научных работ молодых учёных XLIX научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО - 2020. Том 1 - С.207-212
4. Балюбаш В.А., Алёшичев С.Е. Формирование многоканальной системы стабилизации влажности сливочного масла // Сыроделие и маслоделие. - 2007. - № 2. -С. 45-46.
5. Пат. 2497355 Российская Федерация, МПК, A01J 15/00. Способ стабилизации влажности сливочного масла при его производстве в маслоизготовителях непрерывного действия / Алёшичев С.Е., Балюбаш В.А., Ересько Г.А., Майборода Ю.В.; опубл. 10.11.2013, Бюл. № 31. - 6 е.: ил.
6. Балюбаш В.А., Алёшичев С.Е., Травина Е.А., Иванов В.Л. Особенности управления многофакторными объектами пищевых производств / / Экономика: вчера, сегодня, завтра. 2019. Том 9. № 1В. С. 840-848.
7. Иванов В.Л., Поляков Р.И., Травина Е.А. Проблемы и экономическая эффективность автоматизации контроля качества продукции на предприятиях пищевой отрасли // Экономика: вчера, сегодня, завтра. 2019. Том 9. № 1А. С. 121-134.
REFERENCES
1. Safarov, R.P.O. Mathematical modeling of a hollow fiber membrane bioreactor for culturing mammalian cells, diss, on the juice. Degree of Candidate Techn. tauk, -Moscow.: RhTUIM. D. I. Mendeleev, 2016,- 11 p.
2. Cell culture processes for monoclonal antibody production», Feng Li,Natarajan Vijayasankaran, Amy (Yijuan) Shen,Robert Kiss 8&Ashraf AmanullahGenentech,mAbs, 2:5, 466-479
3. Pestrikov S.V. Setting the task of managing the bioreactor of the modern bio-technological industry//Almanac of scientific works of young scientists XLIX scientific and educational conference of ITMO University - 2020. Volume 1 - S.207-212
4. Balyubash V.A., Alyoshichev S.E. Formation of a multi-channel system for stabilizing the moisture of butter//Cheese and butter. - 2007. - № 2. - Page 45-46.
5. Pat. 2497355 Russian Federation, IPC, A01J 15/00. A method of stabilizing the moisture of butter during its production in continuous oil producers/Alyoshichev S.E., Balyubash V.A., Eresko G.A., Mayboroda Yu.V.; publ. 10.11.2013, Buhl. № 31. - 6 p.: il.
6. Balyubash V.A., Alyoshichev S.E., Travina E.A., Ivanov V.L. Features of the management of multifactorial objects of food production//Economics: yesterday, today, tomorrow. 2019. Volume 9. № IB. C. 840-848.
7. Ivanov V.L., Polyakov R.I., Travina E.A. Problems and economic efficiency of automation of product quality control at food industry enterprises//Economics: yesterday, today, tomorrow. 2019. Volume 9. No. 1A. C. 121-134.
