Technologie perystaltyczne w procesach hodowli komórkowych

Pompy Watson-Marlow zapewniają sterylne, elastyczne i wolne od kontaminacji przetwarzanie mediów do hodowli komórkowych nowej generacji

Procesy hodowli komórkowych – zarówno w biotechnologii, jak i w sektorze biofarmaceutycznym – wymagają precyzyjnego zarządzania mediami, zachowania sterylności oraz elastycznego skalowania od poziomu laboratoryjnego do produkcji pilotażowej i skali przemysłowej. W tym kontekście istotną rolę odgrywają technologie transferu płynów, które nie tylko wspierają integralność procesu, ale również ograniczają ryzyko kontaminacji i straty materiału biologicznego.

Na te potrzeby odpowiadają rozwiązania perystaltyczne Watson-Marlow Fluid Technology Solutions (WMFTS), dzięki konstrukcji zapewniającej zamkniętą ścieżkę przepływu oraz wysoką powtarzalność dozowania. Ich zastosowanie obejmuje kluczowe etapy upstream processing, takie jak przygotowanie mediów, filtracja oraz transfer osadu zaszczepowego (tzw. inokulum).

Wyzwania w hodowlach komórkowych

Procesy oparte na kulturach komórkowych – niezależnie od tego, czy dotyczą produkcji biofarmaceutyków, składników żywności czy materiałów biologicznych – są szczególnie wrażliwe na kontaminację mikrobiologiczną, zmienność warunków procesowych, uszkodzenia komórek wynikające z naprężeń ścinających oraz trudności w skalowaniu procesów.
Z tego względu infrastruktura procesowa musi zapewniać nie tylko dokładność operacyjną, ale również kompatybilność z wymaganiami higienicznymi i często pół- lub w pełni zamkniętym środowiskiem procesowym.

Rola pomp perystaltycznych w upstream processing

Pompy perystaltyczne są szeroko stosowane w aplikacjach bioprocesowych ze względu na ich charakterystykę pracy: medium transportowane jest wyłącznie wewnątrz elastycznego przewodu, bez kontaktu z elementami mechanicznymi pompy. Takie podejście przekłada się na eliminację ryzyka krzyżowego zanieczyszczenia, łatwą walidację i czyszczenie (lub zastosowanie przewodów jednorazowych), możliwość pracy w systemach jednorazowego użytku (single-use) oraz łagodny transport cieczy wrażliwych biologicznie.
Rozwiązania WMFTS wykorzystywane są więc m.in. do precyzyjnego przygotowania i mieszania mediów hodowlanych, filtracji mediów przed wprowadzeniem do bioreaktora oraz transferu kultur komórkowych pomiędzy etapami skalowania.

Przykład aplikacyjny: Food Brewer

Dobrym przykładem zastosowania technologii WMFTS w hodowlach komórkowych jest działalność innowacyjnej, szwajcarskiej firmy Food Brewer AG, rozwijającej proces produkcji kakao i kawy w oparciu o kultury komórek roślinnych.

W modelu produkcyjnym Food Brewer komórki pozyskiwane z ziaren kakaowca i kawowca są namnażane w kontrolowanych warunkach. Po osiągnięciu odpowiedniej jakości trafiają do bioreaktorów, a następnie są przetwarzane w produkt końcowy.

Na etapie upstream wykorzystywane są pompy perystaltyczne Watson-Marlow serii 530 i 630 w połączeniu z przewodami PureWeld XI, wspierając trzy kluczowe operacje:

Przygotowanie mediów hodowlanych: precyzyjny dobór i przygotowanie składu oraz mieszanie mediów dostarczających niezbędnych składników odżywczych do wzrostu komórek,
Filtrację mediów: usuwanie cząstek stałych i mikroorganizmów z przygotowanych mediów przed ich wprowadzeniem do bioreaktora, co zapewnia sterylność i chroni wrażliwe komórki roślinne,
Przygotowanie materiału do zaszczepienia kolejnego etapu: transfer komórek z jednego bioreaktora do kolejnego, o większej skali.

Food Brewer wykorzystuje pompy Watson-Marlow w połączeniu z orbitalnym bioreaktorem wytrząsanym (OSB) Kuhner SB2500-Z, który został zainstalowany pod koniec 2025 roku i oferuje objętość roboczą w zakresie od 500 do 2500 litrów. Wcześniej firma korzystała z panelowych pomp Watson-Marlow zintegrowanych z bioreaktorami produkowanymi przez Krones/Steinecker, Cytiva oraz Getinge.

Klaus Kienle, współzałożyciel i Chief Production Officer w Food Brewer, powiedział:
„Bardzo cenimy pompy Watson-Marlow – są niezawodne, elastyczne i doskonale spełniają swoją funkcję. Obecnie korzystamy z nich dwa–trzy razy w tygodniu, głównie do przygotowania i filtracji mediów. Służą nam one do filtracji mediów w różnych wolumenach – do 1000 litrów, a wkrótce nawet więcej. Pompa Watson-Marlow 630 jest wykorzystywana głównie w produkcji kakao, natomiast model 530 stosujemy w mniejszych procesach, w tym w hodowlach innych komórek roślinnych, takich jak kawa”.
Istotnym aspektem jest też utrzymanie sterylności procesu.

”Nasze komórki roślinne są stosunkowo mało wymagające. Mogą wiele znieść, ale kluczowa jest sterylność — ponieważ jeśli do układu dostaną się bakterie, szybko dominują nad komórkami” – dodaje Klaus Kienle.

Skalowalność i elastyczność operacyjna

Jednym z kluczowych wymagań w bioprocesach jest możliwość płynnego przechodzenia od skali laboratoryjnej do pilotażowej i produkcyjnej. Takie podejście pozwala na korzystanie z tej samej technologii w różnych etapach rozwoju procesu, co upraszcza walidację i ogranicza potrzebę zmiany infrastruktury. Ponadto, mobilność urządzeń oraz łatwość obsługi umożliwiają ich wykorzystywanie w różnych częściach instalacji, bez konieczności rozbudowanych szkoleń operatorów.
„Wdrożenie tych pomp pozwoliło nam znacząco usprawnić prowadzenie procesów w mniejszej skali. Dzięki pompom Watson-Marlow przetwarzamy znacznie większe objętości w krótszym czasie i przy mniejszej liczbie błędów w porównaniu z wcześniejszym okresem, w którym wykorzystywaliśmy pompy ssące. Kluczowe znaczenie ma łatwa regulacja prędkości, ponieważ wykorzystujemy te pompy w bardzo szerokim zakresie parametrów pracy. Musieliśmy przejść na większy model 630, jednak już przy użyciu pompy 530 pompowaliśmy od pojedynczych mililitrów aż po setki litrów płynów” – powiedział dyrektor Kienle,

Wpływ na efektywność procesu

Zastosowanie pomp perystaltycznych przełożyło się na skrócenie czasu operacji filtracyjnych, redukcję błędów procesowych, poprawę powtarzalności oraz obniżenie kosztów operacyjnych w porównaniu do wcześniejszych rozwiązań opartych na pompach ssących.
Dzięki temu uzyskano większą kontrolę nad procesem oraz wyższą stabilność produkcji – czynniki kluczowe zarówno w środowisku badawczym, jak i w zastosowaniach przemysłowych.

Znaczenie dla nowoczesnych platform biotechnologicznych

Rozwój platform opartych na hodowlach komórkowych – zarówno w biofarmacji, jak i w nowych segmentach, takich jak produkcja składników żywności metodami komórkowymi – zwiększa zapotrzebowanie na rozwiązania kompatybilne z komponentami jednorazowego użytku (single-use), umożliwiające szybkie skalowanie i zapewniające integralność oraz sterylność procesu.
Technologie perystaltyczne WMFTS wpisują się w ten trend, oferując rozwiązania, które mogą być stosowane zarówno w klasycznych procesach biotechnologicznych, jak i w nowych modelach produkcyjnych.

Podsumowanie

Pompy perystaltyczne i systemy przewodów Watson-Marlow stanowią istotny element infrastruktury procesowej w hodowlach komórkowych, szczególnie w obszarze upstream processing. Ich zastosowanie umożliwia utrzymanie sterylności i ograniczenie ryzyka kontaminacji, precyzyjne i powtarzalne operacje transferu płynów, elastyczne skalowanie procesów oraz poprawę efektywności operacyjnej.
Przykład Food Brewer pokazuje, że technologie te znajdują zastosowanie nie tylko w tradycyjnej biofarmacji, ale również w rozwijających się obszarach biotechnologii przemysłowej, gdzie kluczowe znaczenie mają innowacyjność, efektywność i niezależność od klasycznych łańcuchów dostaw.