スマートセンサーでバイオリアクターの生産量を最適化する

相互接続システムを実装することにより、製薬会社は、主要機能の追加だけではなく、リーズナブルなコストで生産量を増やすことができます。 

バイオリアクターは、特に酵素、植物や動物の細胞、微生物などの生物を成長させるために使用されます。このような有効成分は、医薬品の研究、治療法の開発、臨床試験、および高価な医薬品の製造に使用されます。mRNAワクチンの最新の例に加えて、癌、関節リウマチ、およびその他の疾患を治療するためのモノクローナル抗体が血管内で生成されます。ライフサイエンス分野のイノベーターは、将来、臓器やその他の筋肉組織を育てることができると考えています。 
 

製薬研究開発、大規模製造、医療のいずれにおいても、バイオリアクターは、敏感な微生物が相互作用し、装置の環境条件下で変化および成長できる完全な環境を用意する必要があります。品質と産出量の観点から、理想的な細胞増殖を起こすためには、生物個体群の環境を正確に制御する必要があります。そのためには、基本的にpH値と温度を維持し、空気、窒素、その他の気体、および栄養素を確実に供給します。 
 

これは新しいことではありませんが、今日では要求が増加し、有機物の成長が非常に複雑になる可能性があるため、個々のパラメータの物理化学的依存性を相互に注意深く同期させる必要があります。加えて、バイオリアクターの用途が広がるほど、オペレーターの汚染リスクを低減し、従来の「サンプリングによる測定」によって進行中のプロセスを中断することを回避しなければならず、問題は複雑化しています。 
 

多用途、再現性、効率 

バイオリアクターは、様々な種類の細胞に対応できなければなりません。インフルエンザワクチンを例に挙げると、寒季が来るごとにわずかに異なる特性を有するさまざまなウイルスが発生するため、ワクチンの製造プロセスは年ごとに異なります。さらに、パンデミックが示しているように、日ごとに大量の培養細胞が必要であり、最大生産量を増やす要求が強まっています。大量のmRNAワクチンを製造するために、リアクターは高効率であるだけでなく、プロセスの高い信頼性と再現性も求められます。こうした要件は、あらゆる種類の大量の医薬品製造で導入されているバイオリアクターの他のアプリケーションにも適用されます。 
 

バイオテクノロジーの発展と近年の豊富な経験の蓄積に伴い、医薬品製造とヘルスケアのニーズも、生産量を増やすためにより高い堅牢性を必要としています。新しいニーズを満たすための鍵は、新型バイオリアクターの設計開発だけでなく、生体適合性、高速、安定性、正確性、および清掃が容易な（使い捨てではない場合）スマートセンサーを使用する新しいプロセス制御にもあります。 
 

最適な細胞生成のためのパラメータ 

物理化学的条件を定め、特定の細胞培養の迅速な調整を可能にするには、バイオリアクター内の以下のパラメータを測定する必要があります。 
 

• pH値 
• 温度 
• 湿度 
• 気体と液体の濃度 
• 気体と液体の流量 
• ヘッドスペースの圧力 
   

大抵の場合、細胞増殖中の温度は37°C、CO2濃度は5%に保たれます。ただし、場合によっては、これらのパラメータを微調整して、優先される目標pH範囲内に収める必要があります。 
 

pH値は7.0から7.4の間に保つ必要があります。温度、細胞増殖、乳酸、CO2濃度など、並行してバランスをとる必要のある他のパラメータが複数ある限り、狭い範囲内で安定性を維持することは困難な場合があります。これは、pH値を安定に保つために、追加の酸（H+ イオン）または塩基（OH イオン）を中和する、いわゆる「バッファー」工程で行うことができます。 
 

さらに、酸素濃度の正確な制御が必要です。大抵の細胞培養工程では、20%に保つ必要がありますが、一部の培養では異なる条件下でより良く成長する場合があります。したがって、細胞代謝が可能な限り迅速に機能する ように、酸素を細胞培養培地中で効率的に液化させることが基本となります。 酸素移動効率は、温度、pH値、および気化率の影響を受けます。 
 

最後に、湿度を安定させ、蒸発システムの不具合を検出するためにリアルタイムで監視する必要があります。ヘッドスペースの圧力監視も欠かせません。特に使い捨てのバイオリアクターでは、柔軟なビニール袋が長期間にわたり数百ミリバールの過圧に耐えることができないためです。 
 

状態モニタリング、故障の検出とデータロギング 

状態を制御する際は、バイオリアクターに設置したセンサーが重要な役割を果たします。高精度の物理化学的プロセス制御と正確なモニタリングのためのスマートセンサーシステムを複数作動させることで、装置の性能水準を引き上げることができます。
 

さまざまなパラメータの相互依存性に対処するため、細胞増殖の成功には複雑な作業が必要になる可能性があります。有機物の成長を最適化するための最も容易かつ費用対効果の高い方法は、閉ループシステムで培養条件を一貫して監視・制御することです。安定した環境は、薬剤の量産や医薬品の研究開発段階において特に重要です。このような場合は、短時間で生じるわずかな誤差が、有機物の産出量に影響を与える可能性があります。 
 

リアルタイムのフィードバックループを可能にする最先端のセンサーを駆使することで、バイオリアクターの状態を即時かつ高精度で変更できるだけでなく、不具合を検出することも可能です。設定値に誤差があると、システムは自動的にアラームをトリガし、損傷が発生して高価な原料が無駄になる前に注入を止めます（使い捨てデバイスの過圧の場合のように）。 
 

さまざまな種類のセンサータイプを使用することで、多様な不具合モードを検出できます。たとえば、液体濃度を監視するセンサーを取り付けることで、適切な液体が装置に注入されていることを確認することもできます。同じことは、液体フローセンサーにも当てはまり、特に高価な液体の総分注量の測定や、適切な濃度にするために複数の液体を正確に投与する目的で実装されます。またこれはガスフローセンサーにも該当します。つまり、フィードバックループは、プロセスの安全性と信頼性を最適化するのに役立ちます。 
 

さらに、一部のバイオリアクターでは、バイオリアクターの入口と出口に1つずつ設置するなど、同じタイプの複数のセンサーを実装すると役立つ場合があります。さまざまな場所における情報を収集することで、細胞培養における物理化学的プロセスを深く理解することができます。 
 

スマート制御システムのもう1つの利点は、センサーデータを記録してデータベースに保存できることです。満足のいく培養結果が出なかった場合は、測定されたすべてのパラメータを簡単に確認できるログ記録が役立ちます。特に安全上の理由と研究目的において、培養プロセスのデータ履歴にアクセスできることは、非常に価値があります。追跡システムにより、運用者はすぐに不具合の根本的な原因を特定し、プロセスを修正できます。 

ソリューション: 安心、高速、高耐久センサー 

最近のMEMSベースのセンサーの進化により、使い捨てのバイオリアクターにも適する、コンパクトで低電力の高性能ソリューションが実現しました。（従来のバイオリアクターと比較して、必要な水と洗剤の量が少なく、洗浄やメンテナンスが不要です）。環境上の理由に加えて、上記のようなアプリケーションは、コストの削減と回転率の向上によっても際立っています。 
 

センシリオンは、パイロット版から商用生産に至るまで、さまざまなタイプのバイオリアクターで正確なプロセス制御と監視を実施するために、使い捨てセンサーを含むコンパクトで高性能なセンサーの幅広いポートフォリオを用意しています。センシリオンの生体適合性のある新世代センサーは、既存のバイオリアクターに簡単に実装できるため、ユーザーは新品のバイオリアクターを購入せずに装置をアップグレードできます。スイス製のデジタルセンサーは、最小流量域でも高精度を失うことなく、幅広い測定範囲をカバーします。従って、これらの製品が製薬分野において次世代バイオリアクター向けの需要の高いコンポーネントになっています。