Ферментеры - анализ и управление рисками
Попов А.Ю., ООО «Эй Пи Интернэйшнл»
«Чистые помещения и технологические среды» №3, 2005, с.34-36.
Ферментеры являются важнейшими средствами производства в биотехнологической и биофармацевтической отраслях промышленности. Именно в них протекают процессы биосинтеза целевых продуктов. От того, насколько ферментационное оборудование адаптировано к процессам биосинтеза, зависит выход продукта, который во многом определяет производительность и экономические показатели предприятия.
Известно, что эксплуатация ферментеров связана со многими факторами риска, которые можно разделить на две основных группы. К первой относятся риски, связанные с необходимостью защиты культивируемых микроорганизмов и клеток от посторонней микрофлоры. Ко второй - риски, относящиеся к управлению процессом ферментации. По причине множества рисков процессы ферментации относят к критическим процессам, а ферментеры - к критическому оборудованию.
Современная мировая практика предполагает проведение анализа и управление рисками, связанными с критическими процессами и критическим оборудованием. Она нашла свое отражение и в инициативе US FDA (United States Food and Drug Administration), которая реализовалась в ряде недавно опубликованных документов, относящихся к cGMP (current Good Manufacturing Practice) [1- 4].
Ведущие представители мировой биофармацевтической индустрии активно поддержали американскую инициативу, т.к. она в полной мере отвечает интересам производителя [5]. На инициативу US FDA откликнулись и ведущие производители биофармацевтического оборудования. Так, специалисты американского завода, принадлежащего немецкой фирме Sartorius BBI Systems GmbH (далее для краткости – BBI) - мирового лидера по производству ферментационного оборудования, опубликовали статью по анализу и управлению рисками [6]. В ней показано, как, используя систему управления рисками, совмещенную с системой менеджмента качества, предприятие в полной мере гарантирует качество оборудования и удовлетворяет всем требованиям заказчика. При этом обеспечивается полное соответствие поставляемого оборудования современным требованиям cGMP, включая его валидацию.
Настоящая статья рассматривает проблему с позиций потребителя ферментационного оборудования. Автор ставит своей целью показать, на что надо обращать внимание при заказе ферментеров с тем, чтобы минимизировать возможные риски при его использовании. Также демонстрируется современная стратегия управления рисками при эксплуатации ферментеров.
Риски, связанные с процессами ферментации
Процессы ферментации, протекающие в промышленных ферментерах, используются для получения различных продуктов биосинтеза. Эти продукты производятся с использованием промышленных штаммов микроорганизмов или культур клеток животных, растений, насекомых. Независимо от микроорганизма- или культуры-продуцента, важнейшей задачей ферментации, как правило, является максимальный выход целевого продукта. Для достижения этой цели процесс ферментации должен проходить в оптимальных условиях для биосинтеза продукта. Эти оптимальные условия создаются с помощью ферментационного оборудования и той инфраструктуры, которая обеспечивает его функционирование.
Какие же риски имеют место в процессе ферментации? Их можно разделить на две группы:
1) риск заражения культуры посторонней микрофлорой;
2) риск потери управления процессом культивирования, в том числе:
- риск недостатка кислорода для аэробных культур;
- риск перегрева культуры.
Рассмотрим их более подробно.
Риск заражения культуры посторонней микрофлорой
Заражение культуры микроорганизмов или клеток посторонней микрофлорой приводит к прямым экономическим потерям, причем в ряде случаев очень значительным. Автору известны промышленные производства в Западной Европе, в которых стоимость продукта, получаемого с одной ферментации, составляет 1 миллион Евро. Если конструкция ферментера не устраняет риски, связанные с нарушением условий асептики при проведении процесса ферментации, то столь значительные средства, в буквальном смысле, сливаются в канализацию. Поэтому, при выборе ферментеров надо в первую очередь обращать внимание на то, насколько надежно обеспечивается асептика процесса культивирования.
Рассмотрим основные технологические операции - источники заражения культуры в ферментере:
- мойка ферментера;
- стерилизация питательной среды в ферментере;
- стерилизация критических элементов ферментера, например, уплотнения вала мешалки, фильтров входящего и отходящего воздуха или газа, вентиля нижнего спуска и др.
- внесение посевной культуры;
- внесение технологических добавок (рН корректора, пеногасителя, компонентов питательной среды, индукторов целевого биосинтеза);
- подача воздуха (газа) в ферментер;
- отбор проб культуры;
- съем урожая (слив продукта ферментации).
При заказе ферментера следует учитывать вышеперечисленные критические операции и стремиться свести к минимуму связанные с ними риски. Рассмотрим их по порядку на примере ферментеров, поставляемых фирмой BBI.
Мойка ферментера
Цель мойки – удалить из ферментера загрязнения, оставшиеся от предыдущей ферментации и максимально снизить биологическую нагрузку для последующей стадии паровой стерилизации. Стратегия управления рисками здесь состоит в применении контролируемого процесса безразборной мойки CIP (от англ. Cleaning in Place).
Технология мойки CIP разработана в ответ на требование cGMP гарантировать качество мойки. Она дает пользователю следующие преимущества:
- гарантированное качество мойки, подтвержденное документально;
- многократную экономию времени;
- экономию химических веществ (детергентов);
- экономию энергии;
- автоматизацию процесса мойки (экономию трудозатрат).
Ферментеры комплектуются мобильной системой автоматической мойки CIP. В этом случае на верхнюю крышку ферментера устанавливается шаровая головка CIP с множеством форсунок. Установка CIP подкатывается к ферментеру и подключается к нему гибкими трубопроводами, и с помощью дозирующих насосов автоматически готовит моющие растворы заданной концентрации. Эти растворы подаются насосом под давлением на головку CIP, которая, вращаясь с высокой скоростью, удаляет загрязнения с внутренней поверхности ферментера. При этом моющий раствор циркулирует по замкнутому контуру между установкой CIP и ферментером. Процесс мойки протекает считанные минуты. Затем установка CIP проводит ополаскивание ферментера от моющего раствора. Оно осуществляется водой очищенной или водой для инъекций, которая также циркулирует по замкнутому контуру. При этом непрерывно контролируется электропроводность возвращающейся из ферментера воды. Как только она достигает заданного значения, установка CIP автоматически отключается.
Процесс мойки CIP не только высокопроизводителен, но и экономичен. Так, ферментер Biostat D с рабочим объемом 100 л моется в течение менее чем 10 минут, на что расходуется около 100 л воды. Традиционная мойка обычно длится многие часы с многократным заполнением ферментера моющими растворами, их кипячением при работающей мешалке и последующим сливом в канализацию. Затем производится ополаскивание ферментера многократным заполнением его объема водой. При этом приходится полагаться на опыт и добросовестность оператора и привлекать отдел контроля качества для проверки качества мойки. Как правило, процесс традиционной мойки длится весь рабочий день, а иногда и дольше. В результате простаивает дорогостоящее технологическое оборудование, отвлекается квалифицированный персонал, наблюдается перерасход электроэнергии, моющих растворов и технологических сред (воды, пара, сжатого воздуха).
Стерилизация питательной среды в ферментере
Процесс стерилизации производится подачей пара под давлением в «рубашку» аппарата при работающей мешалке. Он контролируется по температуре и времени для обеспечения гарантированной стерильности. Обязательное требование к процессу стерилизации – он должен быть валидирован.