Биореактор: что это за система?

Что с аппаратным направлением

Работу начали с того, что заменили элементную базу на российские компоненты. Мы могли продолжить использовать зарубежные контроллеры, но это сказалось бы на скорости поставки и технической поддержке. Плюс нам было бы сложнее договориться с производителями о доработке под наши задачи.

Программируемый логический контроллер (ПЛК), а также модули ввода-вывода мы построили на решениях FASTWEL. Все устройства компания поставляет «пустыми» (без «зашитых» алгоритмов) — это удобно, потому что так мы можем самостоятельно запрограммировать любую логику работы. Например, контроллер FASTWEL отвечает за технологический процесс — поддержание температуры, уровня растворенного кислорода и pH в культуральном сосуде биореактора. Алгоритмы открывают клапаны, запускают насосы, и реализуют защитные механизмы при возникновении нештатных ситуаций (могут автоматически остановить насос). Также мы использовали устройство Trim5 фирмы Segnetics. Оно выступает в роли сенсорной панели для отображения ключевых параметров процесса.

То, что теперь мы плотнее сотрудничаем с российскими партнерами, не означает, что мы полностью разорвали отношения с иностранными коллегами. Например, совместно с компанией Hamilton был разработан уникальный датчик биомассы для контроля жизнеспособности клеток — ранее на рынке таких продуктов не было.

По большей части переход на новую элементную базу прошел гладко. Пожалуй, единственной серьезной проблемой, с которой мы столкнулись, стал кадровый вопрос. Было сложно найти специалистов, способных свободно ориентироваться в проекте, находящемся на стыке двух областей — проектирования автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) и веб-разработки. Нам были нужны инженеры, владеющие навыками программирования алгоритмов для ПЛК, и одновременно разбирающиеся в тонкостях frontend- и backend-разработки. Оба направления имеют свою специфику и необходимы при создании систем, управляющих физическими устройствами — будь то биореактор или роботизированная рука на конвейере. К таким системам иные, более строгие, требования по надежности и безопасности. Помимо навыков программирования, нужные нам специалисты должны иметь представление о биотехнологиях. Найти таких людей на рынке труда практически невозможно, поэтому для нас единственно верным выходом стало обучение собственных кадров.

Примеры действующих биореакторов

Рассмотрим для примера несколько вариантов наиболее популярных моделей биореакторов. Они уже не первый год оправдывают свои, заявленные производителем, возможности и характеристики.

Биореакторный комплес БУГ-1

1. Комплектация – биореактор, субстратный привод-автомат, газгольдер, емкость для субстрата – ванна, емкость для готовой продукции, герметичный насос с рукавом фекальный.
2. Напряжение электротока для запитывания – 380 В.
3. Расход электроэнергии – 25 кВт.
4. Объем реактора – 6 куб. м.
5. Объем газгольдера – 2 куб. м.
6. Объем емкости для загрузки отходов (навоза) – 600 л/сут.
7. Производительность газа – 6-8 куб. м./сут.
8. Площадь монтажа и работы установки – 40 кв.м.
9. Цена – 440 000 руб.
10. Производитель – Россия.

Биореакторный комплес БУГ-М

1. Комплектация – биореактор, субстратный привод, газгольдер, перемешивание — ручное.
2. Напряжение – 220 В.
3. Расход электроэнергии – 5 кВт.
4. Объем реактора – 1 куб. м.
5. Объем газгольдера – 1 куб. м.
6. Объем емкости для загрузки отходов (навоза) – 100 л/сут.
7. Производительность газа – 1 куб. м./сут.
8. Производительность удобрения – 100 л/сут.
9. Площадь монтажа и работы установки – до 6 кв.м.
10. Цена – 178 400 руб.
11. Производитель – Россия.

Биореакторный комплес БУГ-Р

1. Комплектация – биореактор, субстратный привод, перемешивание – ручное.
2. Напряжение – 220 В.
3. Расход электроэнергии – 2 кВт.
4. Объем реактора – 0,5 куб. м.
5. Объем емкости для загрузки отходов (навоза) – 50 л/сут.
6. Производительность удобрения – 50 куб. м./сут.
7. Площадь монтажа и работы установки – до 3 кв.м.
8. Цена – 99 000 руб.
9. Производитель – Россия.

Биореакторы могут применяться для приготовления определенных ветеринарных лекарств или вакцин требуется поддержка оптимальных условий – отвод метаболитов, поддержание температур, влажности и прочего. Это оборудование имеет свои типы, отличающиеся между собой по принципу работы, мощности, производительности, габаритам и другим факторам. Его использование считается практичным и сулит большие выгоды предприятию – отходы можно не утилизировать, а регенерировать в газообразное вещество или удобрение.

Как перешли к своей системе управления

Система управления биореактором — это программно-аппаратный комплекс, где все процессы взаимосвязаны. Если установлен неподходящий датчик или насос, то недостаток приходится компенсировать на программном уровне, но если «железо» изначально выбрано корректно, то результат выходит хорошим. Поэтому мы вели разработку сразу в двух направлениях — аппаратном и программном.

Что с программным решением

Раньше для сбора, отображения и архивирования информации о техпроцессах внутри биореактора мы использовали коммерческое SCADA-решение Wonderware. Чтобы получить больше гибкости в вопросах мониторинга, веб-визуализации и обмена данными с другими информационными системами, мы переключились на открытое ПО. Выбор остановили на продукте openSCADA.

Разработка первого прототипа заняла у нас примерно три-четыре месяца. Полностью работоспособную систему, которую мы могли стабильно поддерживать и масштабировать, запустили спустя год. Теперь мы можем расширять возможности openSCADA с помощью «самописных» микросервисов на языке Golang.

На базе openSCADA мы реализовали веб-интерфейс для управления биореакторами. Он содержит важную информацию о состоянии аппаратных модулей, и из него можно управлять всеми функциями: датчиками, термостатами, миксерами и насосами. Например, настраивать скорость вращения «мешалки» или задавать для неё пороговое значение.

Как создать статью в Википедии (регистрация и оформление)

Если вы хотите написать статью в Википедию о чем-то важном, скорее всего, кто-то уже это сделал до вас. Прежде чем начать тратить время на сбор информации и работу с текстом, убедитесь, что аналогичная статья в энциклопедии еще не существует

Прежде чем начать тратить время на сбор информации и работу с текстом, убедитесь, что аналогичная статья в энциклопедии еще не существует.

Для этого воспользуйтесь встроенным поисков внутри сервиса или ищите материал через запрос в браузере вида http://ru.wikipedia.org/wiki/Название_темы

Для продвинутых пользователей имеется удобный Мастер статей, встроенная программа по адресу ru.wikipedia.org/wiki/Википедия:Мастер_статей, которая проведет автора по всем этапам от регистрации до окончательной публикации с последующим чистовым редактированием.

Это и есть чудеса техники, чтобы писать энциклопедические статьи для Википедии нет нужды долго учиться на специальных курсах. Просто добросовестно следуйте подсказкам Мастера.

Регистрация в проекте самая обычная, никаких особенных персональных данных не запрашивают.

Теперь возвращаемся в «Мастер постов» и можем приступать к публикации поста.

Вики устроена таким образом, что прежде чем вас допустят к редактору придется пройти 6 шагов:

1. Введение
2. Предмет
3. Значимость
4. Источники
5. Содержимое
6. Конец

Например, на этапе «Предмет» вам надо выбрать о чем вы хотите писать, если думаете создать пост в Википедии о себе, то система автоматом перекинет в конец, выдав сообщение, что здесь это делать запрещено.

Так что знайте, что в Wiki нельзя создать статью о себе любимом. )))

Тоже самое касается шага, где надо выбрать значимость публикуемого материала. Если прямо сказать, что контент ни о чем, то вас сразу же перекинет в конец.

Далее идут источники, любой материал в Wikipedia должен быть подкреплен авторитетными независимыми ссылками. Без них пост удалят, так как редакторы не смогут проверить достоверность информации.

В содержимом вы указываете, что публикуемый материал не нарушает авторских прав и не является копией.

На последнем этапе вводим будущий заголовок и можно переходить к редактору контента.

Только выберите предварительно её поместить в Черновик или сделать Общедоступной.

После всех манипуляций мы оказываемся в редакторе, где собственно и будет проходить процесс над созданием уникального, авторитетного содержимого для Википедии.

В противном случае такая статья обречена и ее 100% удалят.

Одноразовая технология в биореакторах

Одноразовые биореакторы широко используются в области культивирования клеток млекопитающих и в настоящее время быстро заменяют обычные биореакторы.

Вместо сосуда для культивирования из нержавеющей стали или стекла одноразовый биореактор снабжен одноразовым мешком. Одноразовый пакет обычно изготавливается из трехслойной полиэтиленовой пленки. Один слой изготовлен из полиэтилентерефталата или полиэтилена низкой плотности для обеспечения механической устойчивости. Второй слой из ПВС или ПВХ действует как газовый барьер. Наконец, контактный слой делают из ПВА или ПП . Для медицинских приложений одноразовые материалы, которые контактируют с продуктом, должны быть сертифицированы Европейским агентством по лекарственным средствам или аналогичными органами, ответственными за другие регионы.

Типы одноразовых биореакторов

В общем, существует два разных подхода к созданию одноразовых биореакторов, различающихся способами перемешивания культуральной среды.

В некоторых одноразовых биореакторах используются мешалки, как в обычных биореакторах, но с мешалками, встроенными в пластиковый пакет. Закрытый пакет и мешалка предварительно стерилизованы. При использовании мешок устанавливается в биореактор, а мешалка механически или магнитно соединяется с приводом.

Другие одноразовые биореакторы возбуждаются качающимся движением. Для этого типа биореактора не требуются механические мешалки внутри одноразового мешка.,.

Одноразовые биореакторы с перемешиванием и качающимся движением используются в объеме до 1000 литров.

Существует несколько вариантов этих двух методов. Шейкер Kuhner изначально был разработан для приготовления сред, но также может использоваться для культивирования клеток. Технология воздушного колеса PBS Biotech использует плавучесть от подачи воздуха для обеспечения вращательной силы мешалки.

Измерение и контроль

Измерение и контроль процесса культивирования клеток с использованием одноразового биореактора является сложной задачей, поскольку мешок, в котором будет проводиться культивирование, представляет собой закрытую и предварительно стерилизованную систему. Датчики для измерения температуры, проводимости, глюкозы, кислорода или давления должны быть встроены в пакет во время производства до стерилизации. Датчики не могут быть установлены до использования биореактора, как в обычном случае. Следовательно, необходимо учитывать некоторые проблемы. Пакет собирается, доставляется и хранится в сухом виде, поэтому обычные pH-электроды использовать нельзя. Калибровка или дополнительная сборка невозможны. Эти ограничения привели к разработке предварительно сконфигурированных пакетов с новыми типами аналитических зондов. Значение pH можно измерить с помощью пластыря размером всего несколько миллиметров. Этот пластырь состоит из защитной мембраны с pH-чувствительным красителем за ней. Изменение pH в культуральной среде изменяет pH и цвет красителя. Изменение цвета можно обнаружить с помощью лазера, расположенного снаружи сумки. Этот и другие методы неинвазивного измерения были разработаны для одноразовых биореакторов.

История

В «Этюдах оптимизма» лауреат Нобелевской премии в области физиологии и медицины Илья Ильич Мечников, рассуждая о продолжительности жизни живых существ, высказал мысль о том, что «долговечность» связана с кишечной флорой. «Если теория, по которой преждевременная и болезненная старость зависит от отравления наших тканей ядами, идущими главным образом из наших кишок и вырабатываемыми преимущественно кишечными микробами, справедлива, то очевидно, что все, что мешает кишечному гниению, в то же время должно улучшить и отдалить старость», — писал он, подтверждая эти слова «примерами долговечности народов, питающихся главным образом кислым молоком». Его рецепт приготовления чистых культур «болгарского бацилла» с сахаром можно считать первым «официальным» пробиотиком.

Промышленные биотеакторы (виды, схемы, принцип работы, достоинства, недостатки)

Промышленное производство биопрепаратов представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных физических, химических, биофизических, биохимических, физико-химических процессов и предполагает использование большого количества разнотипного оборудования, которое связано между собой материальными, энергетическими потоками, образующими технологические линии.

Биореакторы (ферментеры) составляют основу биотехнологического производства.

Масса аппаратов, используемых, например, в микробной биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большей частью экономическими соображениями.

Применительно к ферментерам различают следующие типы их: лабораторные емкостью 0,5-100 л, пилотные емкостью 100л-10 м3, промышленные емкостью 10-100 м3 и более.

При масштабировании добиваются соответствия важнейших характеристик процесса, а не сохранения принципа конструкции.

Применяемое в биотехнологии оборудование должно вносить определенную долю эстетичности в интерьер цеха или отделения. В ходе его эксплуатации и вне ее оборудование должно быть легко доступным, содержащимся и функционирующим в определенных рамках требований гигиены и санитарии.

В случае замены каких-либо частей или деталей в аппарате, смазки и чистки узлов при текущем ремонте, и т. д., загрязнения не должны попадать внутрь биореакторов, в материальные поточные коммуникационные линии, в конечные продукты.

Стерилизация и очистка воздуха от микроорганизмов

Для стерилизации биореактора применяют пар под давлением. Внутри биореактора не должно быть «мертвых зон», недоступных для пара во время стерилизации. Стерилизации подлежат все клапаны, датчики, входные и выходные отверстия.
Стерильность обеспечивается и герметизацией биотехнологического оборудования, работающего в асептических условиях.

Стерильная передача жидкости осуществляется через штуцеры парового затвора. Технологическая обвязка биореактора исключает контаминацию культуральной жидкости посторонней микрофлорой и возможности попадания продуктов биосинтеза в окружающую среду.

Основные агенты, контаминирующие клеточные культуры — бактерии, дрожжи, грибы, простейшие, микоплазмы, вирусы. Источники контаминации — воздух, пыль, питательные среды, рабочие растворы, оборудование, рабочий персонал.

Очистка воздуха от микроорганизмов и аэрозольных частиц осуществляется через фильтры предварительной очистки (комбинированные глубинные фильтры — бумага, картон, тканевые материалы), которые устанавливают на всасывающей линии перед компрессором (воздух очищается от частиц размером более 5 мкм) и фильтры тонкой очистки (ткань ФП, удаляющая частицы размером до 0,3 мкм, металлокерамические и мембранные фильтры).

Металлокерамические фильтры изготовлены из калиброванных металлических порошков (бронзы, никеля, нержавеющей стали, титана) способами спекания, прессования, прокатки; размер пор варьирует от 2 до 100 мкм.

Металлокерамические фильтры стерилизуют при температуре 150 °С 50 мин. Они стойки к действию сильных кислот, щелочей, окислителей, спиртов, могут использоваться при температуре от -250 °С до +200 °С.
Преимущество металлокерамических фильтрующих элементов — простота регенерации, большой срок работы (5-10 лет).

В отличие от волокнистых, нетканных и фторопластовых фильтров, зернистые металлокерамические материалы имеют неизменную структуру, химически инертны, поддаются любым методам стерилизации, отличаются высокой механической прочностью, просты в изготовлении.

Мембранные фильтры патронного и кассетного типа несмотря на менее значительный срок службы (1 год) обладают высокой эффективностью, быстрой съёмностью, надёжны в работе.

Отмечена способность рядом фильтрующих материалов, заряженных отрицательно, задерживать живые клетки, бактерии, вирусы, эритроциты, лимфоциты и тромбоциты. Частицы, размер которых меньше величины пор фильтрующего материала, остаются на фильтре, если дзета-потенциал (электрический потенциал) частиц и стенок пор фильтра имеет противоположные заряды. Это явление наблюдается при использовании в качестве фильтрующих элементов мембран с соответствующими электростатическими свойствами.

Выбор фильтрующего материала зависит от объекта фильтрации и дзета-потенциала суспендированных частиц.
Отработанный воздух, отводимый из лабораторных и производственных помещений, контролируется на чистоту (отсутствие микроорганизмов).

Для обслуживания установок глубинного культивирования применяют автоматизированную модульную систему, включающую:

1) очистку и стерилизацию воздуха и пара с использованием металлокерамических и титановых фильтрующих элементов; модули технологической обвязки, содержащие автономную систему термостатирования, запорную и регулирующую арматуру, индивидуальные входные и выходные фильтры, электропневмообразователи и другие регулирующие устройства;
2) блок автоматического контроля и управления, содержащий программное устройство, преобразователи сигналов от измерительных электродов, газоанализаторы для измерения О2, СО2, еН, температуры, рСО2, рО2;
3) системы цифровой и диаграммной индикации текущих параметров культивирования.

Установки глубинного культивирования снабжены блоками дистанционного измерения давления в биореакторе и его рубашке, блоками дистанционного контроля интенсивности аэрации воздухом или газовой смесью (кислорода и азота, кислорода и углекислого газа, воздуха и углекислого газа, азота и углекислого газа).

Блок автоматического управления позволяет контролировать и поддерживать на заданном уровне программную стерилизацию биореактора и арматуры, скорость вращения мешалки и дистанционный контроль открытия или закрытия вентилей и регулирующих клапанов.

Ряд стран специализируется на выпуске широкого ассортимента оборудования для культивирования различного назначения (фирма NBS — США; Полиферм, Биотек — Швеция; Марубиши — Япония; LH — Ферментейшн — Великобритания; Браун — Германия; БИОР-0,1, БИОР-0,2 — Россия, институт биологического приборостроения с опытным заводом АН РФ).

Как выглядит биореактор

Структура биореактора меняется в зависимости от типа производства или разрабатываемого препарата — какие-то компоненты добавляют, какие-то, наоборот, убирают. Однако одним из ключевых элементов каждого устройства является так называемый культуральный сосуд (биореактор). Чаще всего это — крупная колба с крышкой, в которой происходит микробиологический синтез. В колбе имеется миксер, перемешивающий питательную среду, чтобы полезные вещества равномерно распределялись между всеми клетками. К сосуду также подключены трубки разного диаметра — они нужны для подачи кислорода, азота и углекислого газа, а также отвода метаболитов. За «прокачку» воздушных смесей отвечают контроллеры расхода газов (MFC), а за движение жидкостей — специальная насосная станция.

Микробиологический синтез — тонкий процесс, поэтому в биореакторе нужно поддерживать постоянную температуру питательной среды. Требуется строгое соблюдение условий культивирования, а также соблюдение дозировок дополнительно вносимых питательных веществ. Даже при небольших отклонениях от нормы возникает риск гибели клеток и потери процесса. По этой причине в паре с биореактором работают сложные системы автоматизации и управления с высокоточными датчиками и контроллерами. Они регулируют вес культуральной жидкости, уровень pH, потребление кислорода и другие параметры.

Биореакторы могут быть различных объемов: существуют как промышленные установки на сотни литров для массового производства вакцин (если говорить о сфере фармакологии), так и более компактные варианты. Последние нужны для разработки рецептуры и проведения тестов в лабораториях. Например, вот так выглядит «настольный» биореактор BioGain II в BIOCAD:

Что в итоге

Начиная разработку собственного инструмента для управления биореакторами, мы поставили перед собой задачу сделать его цифровым с помощью отечественного аппаратного обеспечения и open source. Эту задачу мы выполнили — вместо массивного шкафа, получили компактную систему весом не более 5 кг.

Важный момент состоит в том, что благодаря цифровизации мы получили возможность получать больше данных о технологических процессах. Теперь с датчика мы снимаем не один сигнал, а сотни — включая множество диагностических параметров о состоянии сенсора. Аналогичная картина сложилась с исполнительными механизмами — контроллерами расхода газов, блоком смешения, насосной станцией. Информация о состоянии этих модулей позволяет нам точнее вести техпроцесс и не гадать, что сейчас происходит внутри биореактора. Можно изучить любой параметр или их связку в динамике — например, понять, как менялся расход кислорода за весь процесс культивирования клеток.

Поскольку мы построили наше решение на базе открытого программного обеспечения, то смогли самостоятельно реализовать несколько нестандартных функций. Например, мы добавили в SCADA возможность работы с telegram-ботом. Он оповещает персонал о нештатных ситуациях

Сотрудник подписывается на важное для него оборудование и получает уведомления о ходе технологического процесса и авариях. Также у бота можно запросить график с любым ключевым параметром биореактора — без необходимости заходить в веб-терминал

Такую функциональность ни один коммерческий пакет нам предложить не может.

Но пожалуй, самым полезным нововведением стала возможность перестраивать одну и ту же инфраструктуру под любые задачи. Мы контролируем все — от конструкторской разработки и проектирования до программного обеспечения, позволяющего интегрироваться с другими системами. В итоге мы можем решать задачи, которые стоят именно перед нашим производством, а не перед каким-то усреднённым, под которые заточены коробочные продукты.

Один биореактор можно настроить на подготовку среды для самых разных микроорганизмов благодаря рецептурному управлению. В этом случае мастер-технолог вручную настраивает все шаги алгоритма — запустить насос на час, потом повысить температуру до значения N и так далее. Такой подход позволяет производить широкий спектр препаратов, не изменяя конструкцию биореактора на уровне «железа». Новое решение уже помогло ускорить разработку препаратов и снизить их стоимость — в некоторых случаях почти в три раза.

Мы не планируем останавливаться на достигнутом и продолжим развивать систему управления биореакторами. В перспективе мы планируем отказаться от сторонних решений и полностью перейти на собственные разработки.

Плюс мы накопили обширный свод данных о процессах и хотим реализовать профильные аналитические решения. Мы уже разработали прототип цифрового двойника датчика растворенного кислорода и уровня кислотности среды для выявления аномалий технологического процесса. Будем внедрять предиктивную аналитику для прогнозирования чрезвычайных ситуаций и работать над адаптивными регуляторами, способными повысить точность управления ключевыми параметрами. Также в планах реализовать цифровую модель биореактора. Она позволит сократить количество экспериментов и эффективнее масштабировать процессы.