در طی دهه های شصت و هفتاد قرن بیستم میلادی، پیشرفت در دانش بیولوژی امکان استفاده از سلولها و مولکولهای آنها و نیز استفاده از کل یک ارگانیزم برای تولید محصولات مختلف را میسر نمود. بدین ترتیب بیوتکنولوژی نوین پدیدار شد. بیوتکنولوژی با استفاده از فرایندهای سلولی و مولکولی برای تولید محصولات یا حل معضلات متفاوت, قادر به بهبود کیفیت در مراقبتهای بهداشتی جامعه، افزایش محصولات کشاورزی و ایجاد محیط زیستی سالم و پاکیزه است.
بیوتکنولوژی با استفاده از مجموعه فناوری هایی که بر پایه شاخه های مختلف علوم نظیر بیولوژی, بیوشیمی و مهندسی شیمی استوار است, از خصوصیات سلولها و مولکولهای بیولوژیک بهره می گیرد. بدون شک پروتئین ها, به عنوان محصول نهایی ژن ها, از مهمترین مولکول های بیولوژیک و از عناصر اصلی حیات در تمامی جاندارن محسوب می شوند. بیوتکنولوژی از منابع متفاوتی برای تولید پروتئین ها بهره می گیرد. این منابع گاهی به صورت نوترکیب (Recombinant) با استفاده از میکروارگانیسم هایی نظیر اشریشیا کلی (Escherichia coli) و مخمرها (Yeast) بوده وگاهی نیز به صورت طبیعی با استفاده از سلولهای پستانداران, گیاهان, حشرات یا مایعات فیزیولوژیک نظیر پلاسمای خون هستند.
به طور کلی عملیات تولید پروتئین توسط بیوتکنولوژی به دو بخش "فرآیند عملیات بالادستی Upstream) ) " و "فرآیند عملیات پایین دستی (Downstream) " تقسیم می گردد. "فرآیند عملیات بالادستی " عملیاتی نظیر کشت سلولی و تخمیر است که برای تولید پروتئین به صورت محصول اولیه و خام در داخل منبع مورد نظرانجام می پذیرد. "فرآیند عملیات پایین دستی " عملیاتی است که با استفاده از تکنیکهای مختلف جداسازی انجام می گیرد و هدف نهایی آن پالایش محصول پروتئینی مورد نظر از مواد دیگر موجود در محیط بیولوژیک, که عموما" تحت عنوان ناخالصی ها (Impurities) قرار می گیرند, است. این دو بخش دارای تفاوت های اساسی با یکدیگر هستند اما چگونگی "فرآیند عملیات بالادستی " در نحوه انجام و موفقیت "فرآیند عملیات پایین دستی " تأثیر غیر قابل انکار و به سزایی دارد. در نظر گرفتن خصوصیات ماده اولیه حاصل از "فرآیند عملیات بالادستی" و ویژگی محصول نهایی مورد نظر برای طراحی "فرآیند عملیات پایین دستی " بسیار حائز اهمیت است.
1-2 ویژگی های یک"فرآیند عملیات پایین دستی"بهینه:
قبل از شروع " فرآیند عملیات پایین دستی" برای جداسازی یک محصول خاص لازم است تمامی تلاشها درجهت ایجاد یک فرآیند عملیاتی بهینه انجام پذیرد. سه ویژگی مهم یک " فرآیند عملیات پایین دستی" بهینه عبارتند از : ورود به بازار در اولین زمان ممکن, کیفیت بالا, و نهایتاً هزینه پائین. طراحی تمامی فرایندهای تخلیص باید براساس این سه ویژگی صورت پذیرد تا قادر به ارائه پایدار و ثابت محصول مورد نظر درمیدان رقابت با سایر فرایندهای طراحی شده باشد.
1-2-1 ورود به بازار در اولین زمان ممکن:
طراحی " فرآیند عملیات پایین دستی" باید به نحوی انجام شود که اولاً حداقل زمان ممکن برای انجام این عملیات و تولید فراوردة مورد نظر صرف شده و ثانیاً فرایند به صورتی کامل و دارای کمترین امکان تغییر بعدی موفق به اخذ گواهی نامه گردد . درصورتیکه " فرآیند عملیات پایین دستی" به صورت ناقص یا با تغییرات مداوم مواجه گردد، بدون شک اخذ گواهی نامه برای آن مشکل بوده و درصورت اخذ، ایجاد تغییرات بعدی نیاز به تأیید مجدد دارد که می تواند سبب صرف هزینه های گزاف گردد. درعین حال استفاده از حق انحصاری تولید (Patent) یا بدست آوردن بازار مصرف بیشتر درمیدان رقابت با سایر تولید کننده ها از جمله مواردی است که می تواند نتیجه طراحی فرآیندی با حداقل زمان ممکن و پایدار باشد.
1-2-2 کیفیت بالا:
همیشه ورود به بازار در اولین زمان ممکن و دستیابی به حق انحصاری تولید به عنوان مهمترین پارامتر تعیین کننده برای بهترین طراحی " فرآیند عملیات پایین دستی" به شمار نمی رود. به خصوص مواقعی که محصول مورد نظر منحصر به فرد نبوده و امکان تولید آن به صورتهای مختلف وجود داشته باشد, برخورداری محصول از کیفیتی بالا، عامل مهم و بسیار مؤثر در عرصه رقابت با سایر تولیدکننده های همان محصول به شمار می رود.
به هر حال شناخت یک محصول با کیفیت بالا بحث بسیار مفصلی است که در اینجا به مهمترین وجوه آن خواهیم پرداخت. بدیهی است شناخت دقیق تر مسئله کیفیت می تواند در بحث های اختصاصی کنترل کیفی محصولات بیوتکنولوژیک حاصل گردد.
در طراحی فرایند " فرآیند عملیات پایین دستی" تولید و پالایش برای حصول به کیفیت بالا در محصول نهایی باید نحوة دستیابی به ویژگی های ذیل در طراحی " فرآیند عملیات پایین دستی" در نظر گرفته شود.
درجة خلوص بالا:
با توجه به اینکه هدف اصلی در فرآیند پالایش ، جداساختن محصول پروتئینی مورد نظر از ناخالصی ها است، بدیهی است که دستیابی به درجه خلوص بالا از اهمیت زیادی برخوردار است. اما مفهوم خلوص از دو دیدگاه مطرح می گردد: خلوص عملکردی (functional purity) و خلوص شیمیایی (chemical purity). بالا بودن خلوص محصول از نقطه نظر عملکردی به بالابودن قدرت اثر (potency)، بالا بودن نیمه عمر (Half life)، بالا بودن پایداری (stability) و حداقل وجود اثرات جانبی محصول تعبیر می شود. درحالیکه درخلوص شیمیایی میزان همگونی (Homogeneity )، میزان ناخالصی ها و آلاینده ها، مقدار افزودنی های مجاز و میزان یکسان بودن (identity) مورد توجه است.
درجة خلوص مورد نیاز برای محصول نهایی کاملاً با کاربرد و میزان استفاده آنها مرتبط است. بطور مثال درجة خلوص مورد نیاز برای محصولاتی که مصارف تشخیصی و in vitro دارند پائین تر از محصولاتی است که برای درمان استفاده شده وبه صورت in vivo مصرف می شوند . همچنین درمحصولاتی که در انسان مصرف می شوند درجه خلوص با افزایش مقدار مصرف در طول عمر افزایش می یابند؛ به طوریکه درجه خلوص مورد نیاز برای واکسنها در مقایسه با دارویی تزریقی نظیر انسولین کمتر است. در نمودار 1-1 میزان خلوص مورد نیاز برخی ازانواع محصولات بیوتکنولوژی و در مقایسه با میزان مصرف آنها در طول عمر مقایسه شده است.
نمودار 1-1- مقایسه درصد خلوص مورد نیاز محصولات مختلف بیوتکنولوژی. با توجه به مورد مصرف و مقدار مصرف محصولات بیوتکنولوژی درجة خلوص مورد نظر تغییرمی کند.
1-2-2 فعالیت بالا:
هر پروتئین به عنوان یک محصول بیولوژیک به منظوری خاص تولید و تخلیص می گردد.
برخی آنتی ژنهایی هستند که جهت استفاده در کیتهای تشخیصی تولید می شوند و لذا فعالیت ایمونولوژیک آنها درصورت استفاده از روشهایی نظیر ELISA در برخورد با آنتی بادی مهم است. برخی دیگر به عنوان یک آنزیم باید دارای فعالیت خاص آنزیمی باشند. همچنین محصولاتی نظیر واکسنها یا محصولات دارویی نیز هرکدام به نوبة خود دارای تعاریفی خاص از فعالیت می باشند که بعضاً از طریق روشهای مرسوم Activity test ( به عنوان مثال در مورد پروتئین استرپتوکیناز Streptokinase روش تست Calorimetric خاص وجود دارد ) فعالیت آنها مشخص می گردد. بنابراین برحسب ملاحظات مربوط به فعالیت هرمحصول پروتئین مشخص باید محصول مورد نظر دارای فعالیت بالا بوده و در مقایسه با مراجع ملی یا درصورت لزوم بین المللی مورد قبول باشند تا یکی از ویژگی های کیفیت برآورده گردد .
ثبات بالای فرایند طراحی شده از یک بچ به بچ دیگر :
این ویژگی یکی از اساسی ترین مسائل طراحی یک فرایند تخلیص می باشد و به نحوی مشخص ثبات فرایند را از نظر بکارگیری مقدار یکسان از مواد اولیه، تولید یکسان محصول و تکرارپذیری هرفرایند و عدم ایجاد تغییرات محسوس در روشها از هر بچ به بچ دیگر را دربر می گیرد.
درعین حال درکنار این ویژگی نباید فراموش کرد که این مسئله هیچ منافاتی با مسئله انعطاف پذیری یک فرایند درمراحل تحقیق و توسعه و انعطاف پذیری در شکل و ترکیب محصول تولید شده ندارد. منظور این است که از یک طرف در مراحل تحقیقاتی باید از روشهایی برای خلوص استفاده گردد که درصورت برخورد با هرمشکلی در مراحل صنعتی کردن (Scale up) بتوان آن را با روشهای دیگر جایگزین نمود. از طرف دیگر محصولات بیوتکنولوژی می توانند به صورتها و شکلهای گوناگون به بازار مصرف عرضه گردند، لذا انعطاف پذیری فرایند درجهت تولید اشکال متفاوت یک محصول ( مثلاً محلول یا لیوفیلیز شده، ... ) می تواند از ویژگی های ممتاز یک فرایند باشد .
1-3 هزینة پائین:
درصورتیکه محصول به عنوان یگانه محصول موجود نبوده و کیفیت محصول تمام رقابت کننده ها از سطح یکسانی برخوردار باشد، مسئله قیمت و هزینه تولید به عنوان پارامتری مهم و در درجة اول اهمیت مطرح می گردد. این درحالی است که نیاز بازار نیز می تواند بر مسئله هزینة فرایند تولید در واحد گرم محصول پروتئینی تأثیر عمده ای داشته باشد. برای مثال در مورد محصولات پروتئینی نظیر آلبومین نوترکیب و هموگلوبین نوترکیب که دارای میزان مصرف چندین گرم هستند و سالیانه مقادیر بسیار زیادی از آنها مورد نیاز است، بهینه کردن هزینة اقتصادی فرایند تولیدی بسیار حائز اهمیت بوده و در مقایسه با محصولات نوترکیب معمولی هزینه های اقتصادی باید 1 تا 2 برابر کاهش داشته باشد. ازطرف دیگر، مسئله ای که می تواند بر روی هزینة پائین یک فرایند تأثیر داشته باشد، طراحی اولیة صحیح و اصولی آن است تا اینکه امکان تغییرات بعدی در طراحی را, که بسیار پرهزینه است، از بین برده و در مجموع هزینة فرایند کاهش بیاید.
به هرحال عواملی نظیر اندازة بچ تولیدی، مقیاس تولید، نیروی کار, و اتوماسیون بر هزینة اقتصادی کلی یک فرایند تأثیر گذاشته و به صورت عواملی مرتبط با یکدیگر امکان موازنة اقتصادی هزینه ها را فراهم می آورند.
به عنوان نمونه، درصورتی که فرایند دارای سطح اتوماسیون ( کنترل فرایند از طریق سیستم های کامپیوتری و الکترونیکی ) بالایی باشد، هزینة کارگر می تواند به نحو چشمگیری کاهش یابد. در این صورت امکان کاهش اندازة بچ تولیدی و تقسیم فرایند به چندین فرایند با استفاده از دستگاه های کوچکتر امکان پذیر بوده و هزینه های سرمایه گذاری را کاهش داده و متعاقباً هزینة مربوط به فضا و محیط کار نیز کاهش خواهد یافت. اگر امکان کنترل فرایند از طریق سیستم های اتوماسیون موجود نباشد، بزرگ کردن اندازة بچ تولیدی می تواند هزینه های کارگر را درمجموع کاهش داده و به نفع کاهش سرمایه گذاری عمل کند.
در ادامه طراحی یک فرایند ساده با بهره گیری از کمترین مراحل تخلیص می تواند کمک مؤثری درجهت کاهش همة هزینه ها را داشته باشد.
1-3 نقطه شروع:
برای شروع طراحی یک فرایند ابتدا لازم است مراحل مقدماتی و اولیه طی شود . بدین ترتیب که درمرحلة اول لازم است که نیاز بازار برای محصول مورد نیاز شناخته شود و در واقع حجم کاری مورد نیاز جهت تولید یک محصول پروتئینی دقیقاً مشخص گردد. آنگاه مقیاس صنعتی مورد نظر جهت تولید محصول مورد نظر شاخته شده و در این مرحله براساس این اطلاعات تکنیک های مقیاس پذیر و مقرون به صرفه شناسایی شده تا اینکه حتی الامکان از این تکنیکها در فرایند طراحی استفاده شود و از ایجاد تغییرات بیشمار در عمل Scale up نهایی ممانعت می شود. سپس بعد از شناخت این تکنیکها با کوچک کردن مقیاس صنعتی به مقیاس تحقیقاتی و آزمایشگاه down) (Scale ، حجم کار در مقیاس آزمایشگاهی شناخته شده تا اینکه طراحی فرایند دقیقاً براساس این حجم انجام گردد. استراتژی کاری فوق در مراحلی که در چارت (1-1) هم نشان داده شده است، دارای این مزیت می باشد که طراحی یک فرایند دقیقاً درجهت تولید و اجرای یک فرایند تولیدی از همان نقاط شروع انجام پذیرفته و از طراحی فرایندهای بی ثبات و متغیر که هیچ هدفی جزء کارکرد اولیه درهمان سطح آزمایشگاهی ندارند، احتراز می گردد
شامل 117 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود تحقیق فرایند تخلیص پروتئین در مقیاس صنعتی