ما هو مفاعل التخمير؟ التصميم والمبادئ والتطبيقات

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو مفاعل التخمير، وكيف يحافظ على الظروف العفوية مع توفير الكائنات الحية الدقيقة بأكسجين ومغذيات ومزيج مثالي لتشكيل المنتج؟مفاعل التخمير (المفاعل الحيوي) هو وعاء ضغط مشفر في ASME-BPE مصمم لزراعة الكائنات الدقيقة (البكتيريا ، الخميرة ،الخلايا من الثدييات لإنتاج الأدوية الحيوية، الإنزيمات، الأحماض الأمينية، والوقود الحيوي. يتم حكم الأداء بواسطة معامل نقل الكتلة الحجمي kLa = 0.05-0.3 s−1 لتوصيل الأكسجين،*حركية الوحدة* μ = μmax·S/(Ks + S) للتنبؤ بمعدل النمو، والتحقق من الصحة في 121 درجة مئوية لمدة 15-30 دقيقة. الضغوط المصممة من 0.1-0.6 MPa تستوعب تعقيم الهواء المضغوط والبخار.تتطلب الامتثال للأساليب الجيدة للصناعة بموجب 21 CFR Part 11 و ICH Q5A دورات CIP/SIP معتمدة، مستوى ضمان العقم (SAL) < 10-6 ، وسجلات الدفعة الإلكترونية الكاملة (EBR).

1مبادئ التصميم الأساسي والعمليات الحيوية

تصميم مفاعل التخمير يدمج المتطلبات الميكروبيولوجية (عقم، نقل الأكسجين، توصيل المغذيات) مع الهندسة الميكانيكية (التحريك، نقل الحرارة،التوافق مع المواد) والامتثال لممارسات الصحة الجيدة (التحقق3 مبادئ تحكم التصميم المتكامل:

• ** نقل كتلة الأكسجين و kLa:**التخمير الهوائي يتطلب إمدادات مستمرة من الأكسجين:* معدل امتصاص الأكسجين (OUR) * = qO2·X (حيث qO2 هو معدل استهلاك الأكسجين المحدد في mmol / gDW / h و X هو تركيز الكتلة الحيوية في gDW / L) يمكن أن يصل إلى 50-200 mmol / L / h ل E عالية الكثافةيجب أن يلبي معامل نقل الكتلة الحجمي kLa = (OUR) / ((C* - C_L) الطلب: للبكتيريا (qO2 = 10-20 mmol / gDW / h ، X = 20-50 gDW / L) ، مطلوب kLa > 0.15 s-1 ؛بالنسبة لخلايا الثدييات (qO2 = 0).1-0.5، X = 1-10 * 106 خلايا / مل) ، kLa = 0.005-0.05 s−1 كافية. kLa تعزز من خلال: زيادة سرعة التحريك (kLa N^2.3 لتوربينات روستون) ، زيادة تدفق الغاز (vvm = 0.5-2.0) ،زيادة الضغط (رفع C* عن طريق قانون هنري C* = H·P)، أو باستخدام الهواء المخصب بالأكسجين (> 40٪ O2). يتم قياس kLa في الموقع بواسطة * طريقة الغازات الديناميكية * أو * طريقة أكسدة الكبريت *.
• ** تحريك الوحدات ونمذجة النمو:**النمو الميكروبي يتبع * حركية مونود *: μ = μmax·S/(Ks + S) ، حيث μ هو معدل النمو المحدد (h−1) ، μmax هو معدل النمو المحدد الأقصى (0.3-1.0 h−1 للبكتيريا ، 0.03-0.05 h-1 لخلايا الثدييات)، S هي تركيز الروك الحدودي ، و Ks هو ثابت نصف الشبع. عند S >> Ks ، μ → μmax (النمو المتسارع). عند S ≈ Ks ، يكون النمو محدودًا بالروك.معامل العائد Yx/s = ΔX/ΔS (عادة 0.4-0.6 gDW/g للجلوكوز) يربط إنتاج الكتلة الحيوية مع استهلاك الركيزة. في وضع المجموعة المغذية (الوضع الصناعي المهيمن لإنتاج البروتينات المتشابكة) ،يحتفظ ملف التغذية العددي * F ((t) = (μset·V0·X0·Yx/s·e^(μset·t)) / ((Sf·Yx/s) S على المستوى الأمثليمنع تأثير Crabtree (تمثيل التفريط في الخميرة) أو تراكم الأسيتات في E. coli.
• ** التصميم العضوي والتحقق من صحة SIP/CIP:**العقم هو الشرط الأساسي: كائن واحد ملوث في دفعة 10000 لتر يسبب خسارة المنتج بقيمة 100000-10،000 دولار،000,000يجب أن تكون الحاوية قابلة للتعقيم في الموقع (SIP): يجب أن تصل جميع الأسطح التي تتصل بالمنتج إلى 121 درجة مئوية لمدة 15-30 دقيقة (ظروف الأوتوكلاف القياسية ، SAL < 10-6).يتم إدخال البخار من خلال الشعلة*المناطق الباردة* (مواقع الحرارة الحرارية التي تظهر الحد الأدنى لدرجة الحرارة) يتم رسمها وتحقق منها أثناء التحقق من صحتها.صفر ساق ميتة (طول الأنابيب < 3 * قطر لجميع الفروع)، يمكن تصريفها بالكامل (قاع الوعاء متأرجح إلى صمام الصرف) ، الأسطح المكشوفة بالكهرباء (Ra ≤ 0.4 μm ، SF1 النهاية) ، وقطع المسامير الصحية (سلسلة ASME-BPE JT).*CIP (تنظيف في الموقع) * يستخدم كرات الرذاذ الدورية التي تقدم كاستيك (1-2٪ NaOH، 70-80 درجة مئوية) ، حمض (1٪ HNO3) ، وغسل WFI ، والتي تم التحقق منها باختبار تغطية الريبوفلافين و TOC < 10 ppm.

2أنواع رئيسية من مفاعلات التخمير

يتم تصنيف مفاعلات التخمير حسب نوع الكائنات الدقيقة ، ونمط التشغيل (السلسلة ، والسلسلة المغذية ، المستمرة) ، والحجم. تمثل ثلاثة تكوينات التصاميم الصناعية المهيمنة:

• ** مفاعلات التخمير بالخزانات المتحركة (STR):**هذه الأوعية ASME-BPE (10-200000 لتر، 0.1-0.6 MPa، 20-40 درجة مئوية) هي المعيار الصناعي للتخمير الميكروبي. تم تكوينها مع 2-3 توربينات روشتون (D / T = 0.33-0.5) على عمود الدخول السفلي مع API 682 خطة 53 ختم ميكانيكي مزدوج، 4 حزم (عرض T/12) ، وحلقة sparger (حلقة مثقوبة في الجزء السفلي).تحويل الحرارة عبر نصف أنبوب أو سترة الدفن (U = 300-500 W / m2K) يزيل الحرارة الأيضية (5-15 kW / m3 للثقافات عالية الكثافة) ويحافظ على ± 0.5 درجة مئوية. ميزات متقدمة: مسبار الأكسجين المذاب (بولاروجرافية ، 0-150٪ مثالي) ، مسبار الـ pH (± 0.02 pH) ، ومراقبة مكافحة الرغوة (مستشعر رغوة سعة يؤدي إلى جرعة مكافحة الرغوة).وضع الحزم المغذية مع تغذية الركيزة الأساسية يحقق كثافة الخلايا من 50-100 gDW / L ل E. coli و 30-50 gDW/L للخميرة.
• **مفاعلات التخمير بالهواء:**هذه السفن من نوع البرج (5-50 م ارتفاع، 0.5-5 م قطر، 0.1-0.3 MPa) القضاء على التحريك الميكانيكي، باستخدام الهواء المضغوط لكل من إمداد الأكسجين واختلاط.تصميم الحلقة الداخلية (أنبوب المسح داخل الوعاء يخلق فرق كثافة: السائل المضغوط في الارتفاع أقل كثافة من السائل غير المضغوط في المنخفض ، مما يدفع الدورة الدموية بسرعة سطحية 0.5-1.5 م / ثانية. المزايا:انخفاض ضغط القطع (حاسمة للفطريات النباتية الحساسة للفطريات النباتية)، انخفاض استهلاك الطاقة (0.5-2 كيلوواط/م3 مقابل 2-10 لـ STR) ، وعدم وجود سد ميكانيكي (خطر التلوث المنخفض). kLa = 0.03-015s-1 (أقل من STR) يحد من التطبيق على العمليات منخفضة OUR (المضادات الحيوية، الإنزيمات، البروتين أحادي الخلية). يتبع التوسع التشابه الهندسي والديناميكي (كلا ثابت أو ثابت P / V).
• ** مفاعلات التخمير ذات الاستخدام الواحد:**تستخدم هذه الأوعية أكياس بلاستيكية مرنة تم تعقيمها مسبقًا وتشع من أشعة غاما (25-40 كيلوغايت) (أفلام EVA أو PE متعددة الطبقات ، 50-2،000 لتر) مثبتة في حاويات دعم صلبة ،استبدال وعاء الفولاذ المقاوم للصدأالمزايا: لا يوجد تأكيد SIP / CIP (الكياس معقم مسبقًا) ، صفر خطر التلوث المتقاطع (التخلص من كل دفعة) ، تغيير سريع للمنتج (ساعتين إلى ساعتين مقابل أربع إلى ثماني ساعات لـ CIP / SIP من الفولاذ المقاوم للصدأ) ،وانخفاض استثمارات رأس المال (50-70٪ أقل للقدرة المكافئة)القيود: ضغط تشغيل أقل (< 0.05 MPa) ، أقل kLa (0.01-0.08 s-1 باستخدام اختلاط متذبذب أو موجة محفزة بدلاً من الدوائر) ، نطاق درجة حرارة محدود (20-40 درجة مئوية)والمواد الصادرة والمتسربة من الأفلام البلاستيكية التي يجب أن تكون مؤشرة وفقاً لمعايير USP <665> و <1665>يفضل: مواد التجارب السريرية، العلاج بالخلايا، ومرافق متعددة المنتجات.

أنواع مفاعلات التخمير مصفوفة مقارنة

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما هو kLa ولماذا هو المعيار الحاسم لتصميم مفاعل التخمير الهوائي؟

ج: kLa (معدل نقل كتلة الغاز السائل الحجمي، في s-1) يحدد كمية معدل نقل الأكسجين من فقاعات الغاز إلى الوسط السائل.يحدد الحد الأقصى لمعدل تسليم الأكسجين OTR = kLa·(C* - C_L)، حيث C* هو ذوبان الأكسجين في الواجهة الغازية السائلة (حوالي 7-8 mg/L للهواء عند 1 atm، 30 °C) و C_L هو تركيز الأكسجين المذاب. إذا كان kLa منخفضًا جدًا،يصبح الأكسجين الرفع الحد من النمو، وتنتقل الثقافة إلى عملية الأيض اللاهوائية (تنتج منتجات جانبية غير مرغوب فيها مثل الإيثانول أو اللاكتات). هدف التصميم: يجب أن يفي kLa OUR = qO2 · X مع هامش سلامة 20-50 ٪.بالنسبة للكثافة العالية E. coli (X = 50 gDW/L، qO2 = 15 mmol/gDW/h) ، OUR = 750 mmol/L/h ≈ 5.6 gO2/L/h، يتطلب kLa > 0.15 s-1 عند C* = 8 mg/L.

السؤال: كيف يتم التحقق من صحة الصقيع في الموقع (SIP) لمفاعل التخمير؟

ج: التحقق من صحة SIP لكل ICH Q5A و ASME-BPE يتطلب: (1) مؤهلات المنشأة (IQ) للتحقق من قدرة إمدادات البخار (البخار المشبوع عند 121 درجة مئوية ، 1.05 بارج ، تدفق كاف لجميع الموانئ) ،إمدادات بخار الـ Sparger و Seal، وسلامة المرشح العقيم؛ (2) تشغيل التأهيل (OQ) رسم خرائط النقاط الباردة باستخدام 12-20 ثيرموبار وضعت في: قاع الوعاء، sparger، منطقة الختم، صمام العينة، صمام الحصاد،يجب تحقيق الحرارة الأدنى 121 درجة مئوية في جميع المواقع لمدة 15 دقيقة (القياسية) أو 30 دقيقة (البريونات / الحمل البيولوجي العالي)؛ (3) مؤهل الأداء (PQ) مع المؤشرات البيولوجية (جيوباسيلوس ستيروثيرموفيلوس الجراثيم، 106 CFU، D121 = 1.5-2.0 دقيقة) تحقيق SAL < 10-6 (لا نمو بعد 7 أيام الحضانة).يتم إعادة التحقق من صحة دورات SIP سنويًا أو بعد أي تعديل للأنابيب.

س: ما هي معادلة مونود وكيف يتم استخدامها للسيطرة على تخمير المجموعات المغذية؟

ج: تتوقع معادلة مونود μ = μmax·S/(Ks + S) معدل النمو المحدد μ (h−1) كدالة على تركيز الركيزة الحدودي S (g/L). بالنسبة ل E. coli على الجلوكوز ، μmax = 0.4-1.0 h−1 و Ks = 0.01-0.05 غرام/لتر. في الوضع المزود باللعبة، يتم التحكم في معدل تغذية الركيزة F ((t) للحفاظ على S على مستوى منخفض (0.01-0.1 غرام/لتر) يحد من μ إلى 0.1-0.3 h-1 ‬منع تأثير Crabtree (الارتفاع إلى الإيثانول في الخميرة) أو تشكيل الأسيتات في E. coli. * ملف التغذية التكهنية* F ((t) = (μset·V0·X0) / ((Sf·Yx/s) * e ^ ((μset·t) يوفر الركيزة التي تتوافق مع الطلب المتزايد على الكتلة الحيوية،الحفاظ على S في التركيز المستهدف دون قياس عبر الإنترنتالتحكم في ردود الفعل (تحليل الجلوكوز عبر الإنترنت أو DO-stat) تصحيح الانحرافات.

س: متى يجب استخدام مفاعل تخمير لمرة واحدة (يمكن التخلص منه) بدلاً من STR الفولاذ المقاوم للصدأ؟

ج: يتم تفضيل مفاعلات الاستخدام الواحد عندما: (1) تكون أحجام الدفعات صغيرة (50-2،000 لتر) ‬معتادة لتصنيع مواد التجارب السريرية والأدوية اليتيمة ؛(2) تتطلب مرافق متعددة المنتجات التحول السريع ‬اللاستخدام المفرد يلغي التحقق من صحة CIP/SIP بين الحملات (1-2 ساعة مقابل4-8 ساعات) ، مما يزيد من استغلال المنشأة بنسبة 20-40٪ ؛ (3) العملية حساسة للقطعمفيدة لخلايا الثدييات وثقافات الخلايا النباتية(4) يجب تقليل استثمارات رأس المال إلى الحد الأدنى ✓ القضاء على المرافق SIP/CIP من الفولاذ المقاوم للصدأ ذات الاستخدام الواحد والتحقق من صحتها، مما يقلل من تكلفة التثبيت بنسبة 50-70٪.أسفل kLaويمكن استخراج المواد الصلبة من الفولاذ المقاوم للصدأ (STRs) ، وارتفاع تكلفة المستهلكات لكل دفعة (500-5000 دولار لكل كيس).