ما هي أجهزة التخمير والفاعلات الحيوية؟ التصميم على نطاق المختبر والتحكم والتوسيع

ما هي أجهزة التخمير والفاعلات الحيوية؟ التصميم على نطاق المختبر والتحكم والتوسيع

ما هو جهاز التخمير أو المفاعل الحيوي على الطاولة، ولماذا يستخدم؟جهاز التخمير أو المفاعل الحيوي هو وعاء زراعة على نطاق المختبر بحجم العمل حوالي 0.5-20 لتر التي تعيد إنتاج البيئة الخاضعة للرقابة من جهاز تخمير الإنتاج على مقعد المختبر- يقوم بتعديل أربعة متغيرات باستمرار: درجة الحرارة بين 4 و 80 درجة مئوية إلى ما بين ± 0.1 درجة مئوية، الحموضة بين 2.0 و 12.0 إلى ما بين ± 0.01 عن طريق إضافة حمض وقاعدة تلقائية،الأكسجين المذاب بين 0 و 100% من ملء الهواء إلى حدود ± 1% من خلال التحريك المتسلسل، التهوية، وتخصيب الأكسجين، والرغوة عن طريق جرعة مضادة للرغوة أو مفككة ميكانيكية. يمتد التحريك 50-1200 rpm والهواء المتدفق 0.1-2.0 vvm، مما يعطي kLa من 20-250 h-1.

1خصائص التصميم التي تحدد نوعية البيانات

وحدة سطح المقاعد هي أداة قياس بقدر المفاعل. ثلاثة خيارات تصميم تفصل بين نظام ينتج بيانات قابلة للتحويل من نظام ينمو الخلايا فقط:

• هندسة السفينة وقطار الدفع:يتطلب العمل المكرر تشابه هندسي مع وعاء الإنتاج: نسبة ارتفاع إلى قطر من 2: 1 إلى 3:1، نسبة قطر الدفة إلى الخزان من 0.33-0.50معظم وحدات القاعدة تحمل محركين ، توربين روستون شعاعي أسفل لتشتت الغاز ومركب هيدروفيل محوري أعلى لخلط السائبة.الارتباط المغناطيسي من محرك القيادة إلى العمود يتجنب الختم الميكانيكي، وهو الطريق الأكثر شيوعًا للتسرب والتلوث في هذا المقياس ، ويسمح بتلقين الحاوية بأكملها في درجة حرارة 121 درجة مئوية لمدة 20-30 دقيقة.
• حزمة أجهزة الاستشعار و حلقات التحكم:الأجهزة القياسية تشمل مسبار polarographic أو DO البصري ، وقطب كهربائي pH مليء بالجيل القابل للتعقيم بالبخار ، ومقياس درجة الحرارة المقاومة Pt100ومحلل غازات النفايات للأكسجين وثاني أكسيد الكربونقياس الغازات الخارجية يحول الوعاء إلى مقياس حرارة: OUR و CTR المستمدة من توازن الغازات المدخلة والخارجية تكشف عن التحولات الأيضية قبل ساعات من ظهورها في البخير.وحدات متقدمة تضيف مسبارات سعة لحجم الخلية القابلة للحياة، رامان أو NIR الطيفية للجلوكوز، اللكتات، وتيتر، ومراقبة تدفق الكتلة العادم لموازنة الغاز الدقيقة.
• التشغيل الموازي والأتمتة:نادراً ما يعمل تطوير العملية الحديثة على وعاء واحد في كل مرة. تتكامل أنظمة المفاعل الحيوي الموازية بين 4، 8، 16 أو 24 وعاء من 0.25-2 لتر تحت مضيف SCADA واحد مع خلط الغازات الفردية.التغذية لكل سفينةوهذا يجعل التصميم الإحصائي للتجارب عملية: عامل كامل على درجة الحموضة، درجة الحرارة،ومعدل التغذية الذي سيستغرق 18 شهرا على وعاء واحد 5 لتر يكمل في ثلاثة أسابيعيجب أن يدعم البرنامج 21 CFR الجزء 11 السجلات الإلكترونية، مع التحكم في الوصول على مستوى المستخدم ومسار التدقيق غير القابل للتغيير.

2من المقعد إلى المصنع: قواعد التوسع

يفشل التوسيع عندما تتغير آلية التحكم بين المقاييس. يتم استخدام ثلاثة معايير للحفاظ على الأداء ، والمعيار الصحيح يعتمد على الآلية التي تحد من العملية:

• kLa الثابت أو OTR الثابت:بالنسبة للعمليات الميكروبية الهوائية المحدودة بتزويد الأكسجين، حافظ على معامل نقل الكتلة الحجمي ثابت، عادة 50-200 ساعة-1. لأن kLa يتراوح تقريبًا مع (P / V) ^ 0.4 · ((vs) ^ 0.5، والحفاظ على kLa ثابتة في حين أن الحجم يزداد 1000 مرة يعني انخفاض الطاقة لكل حجم ويزداد سرعة الغاز السطحي ، لذلك يعمل الوعاء الكبير في سرعة أقل للمثير ولكن الهواء أعلى.تأكيد عن طريق قياس kLa في كلا المقاييس مع طريقة الغاز الديناميكية بدلا من الثقة في الارتباط.
• الطاقة الثابتة لكل حجم (P/V) أو سرعة الارتفاع:بالنسبة لخلايا الثدييات والنباتات الحساسة للقص، يجب الحفاظ على سرعة الطرف أقل من حوالي 1.5 م/ث و P/V بين 0.01 و 0.10 كيلوواط/م3لأن تلف الخلية يرتبط مع معدل تبديد الطاقة المحلية بالقرب من الدفة بدلا من متوسط الوعاءبالنسبة للعمليات التي يتحكم فيها اختلاط الميكرو في الانتقائية ، مثل التفاعلات المتوازية السريعة أو التفاعلات المتسلسلة ، حافظ على وقت الخلط أو معدل تبديد الاضطرابات ثابت ،والذي عادة ما يعني قبول قيمة P/V أعلى بكثير في وعاء النبات.
• وقت الخلط المستمر والتشابه الهندسي:وقت الخليط في وعاء مضطرب يتناسب تقريبًا مع عكس أوقات سرعة الدفة (D / T) ^ 2 ، لذلك قد يحتاج وعاء المختبر الذي يختلط في 5 ثوانٍ إلى 30-60 ثوانٍ عند 20،000 لتر.عندما يخلق رغوة تغذية المجموعة الغذائية درجة الحموضة المحلية أو منحدرات الركيزة، أن الفرق مهم: ارتفاع 100 مرة في تركيز في نقطة التغذية يمكن أن يؤدي إلى التمثيل الغذائي الزائد على الرغم من أن متوسط الوعاء يبدو صحيحا.النماذج المنخفضة الحجم التي تعيد إنتاج منحدر السفينة الكبيرة في نظام مقعد مقعد من حجرتين هي الطريقة القياسية لتقليل هذا الخطر قبل دفعة المصنع الأولى.

مصفوفة المقارنة بين فئات المُخمّر العلوي والفاعل الحيوي

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما هو الفرق بين محرّك الوقود والفاعل الحيوي؟

ج: في كتالوجات معدات المختبر، يصف الاسمين نفس الجهاز، ويختار البائعون الملصق بناءً على السوق المستهدفة.يستخدم المذيب عندما يكون الكائن الحي المقصود ميكروبيًا والمنتج متابوليت، الكتلة الحيوية، أو الكحول. يستخدم المفاعل الحيوي عندما يتعين على النظام دعم ضمان العقم الأعلى، زراعة خلايا الثدييات أو الحشرات، أو مجموعة أوسع من المتغيرات الخاضعة للسيطرة مثل معدل التسريب،ريدوكسأو كثافة الخلية القابلة للحياة. في الممارسة العملية، وحدة 5 لتر محددة بشكل جيد مع فلتر الصرف الصحي 0.2 ميكرو مترا،والبرامج القابلة للتعقيم بالبخار لـ pH و DO تخدم كلا الدورين دون تعديل.

س: كيف أختار بين وعاء زجاجي وعاء من الفولاذ المقاوم للصدأ؟

ج: اختر زجاجاً قابلاً للاختراع الذاتي للعمل المسلح حيث تحتاج إلى رؤية العصير، وتغيير الهندسة بشكل متكرر، والحفاظ على تكلفة رأس المال منخفضة، عادةً 0.5-10 لتر عند ضغوط تصل إلى 0.15 مبا.اختر الفولاذ المقاوم للصدأ عندما تحتاج إلى التعقيم في الموقع، وزيادة الضغط إلى 0.35 MPa، أو تكامل CIP، أو هندسة متطابقة الأبعاد مع وعاء الإنتاج، وهو أمر ضروري إذا كانت البيانات ستدفع إلى التوسع.المقاوم للصدأ أيضا يتعامل مع المذيبات العدوانية، والملحية العالية، والتنظيف العضوي المتكرر دون خطر حفر الزجاج الذي يغير ببطء الترطيب ونقل الحرارة.

السؤال: لماذا فشلت عملي حتى عندما تم تطابق KLA؟

الجواب: لأن kLa هو متوسط عدد الأوعية والخلية تعاني من بيئة محلية. عند 20،000 لتر، زاد وقت الخلط عدة أضعاف،لذا فإن أعمدة الغذاء من الجلوكوز المركز أو القاعدة تخلق مناطق انتقالية ذات سعر حموضة مرتفع أو أوسمولية عالية التي تؤدي إلى تحول التفريط، تراكم الأسيتات أو اللاكتات، وانخفاض القدرة على الحياة. يرتفع ضغط الأكسجين الجزئي أيضا مع الرأس الهيدروستاتيكي في الجزء السفلي من وعاء طويل، في حين يصبح إزالة ثاني أكسيد الكربون أصعب،لذلك يمكن أن تتجاوز ثاني أكسيد الكربون المحللة 100-150 ملم هيرتج وتثبيط النموإن إعادة إنتاج هذه التدرجات في نموذج مقياس منخفض، ثم تغيير موقع نقطة التغذية، أو تركيز التغذية، أو تكوين الدفة، يحل معظم هذه الفشل.

س: ما هي المرافق التي يتطلبها نظام المقاعد؟

ج: تحتاج وحدة زجاجية أو منبوذة ذات 5 لترات نموذجية إلى إمدادات من 220 فولت من 1-2 كيلوواط، والهواء المضغوط عند 0.3-0.6 MPa و 5-20 لتر/دقيقة،الأكسجين والنيتروجين لخلط الغازات إذا استخدمت التخصيب أو سلسلة DO، غاز ثاني أكسيد الكربون أو الأمونيا الخالية من القاعدة والحمض لتحديد درجة الحموضة، الماء المبرد في 5-15 درجة مئوية و 2-5 لتر / دقيقة لتكثيف وتبريد السترة، ومصدر البخار أو المستودع العقيم للتعقيم.وحدات الفولاذ المقاوم للصدأ مع SIP في مكانها تحتاج إلى بخار نظيف في 0.25-0.35 MPa. عادة ما يتم تجاهل سعة الصرف و خزانة الدخان أو السلامة البيولوجية ويجب تأكيدها قبل التثبيت.

العلامات:مفاعل الفولاذ المقاوم للصدأ,نظام المفاعل الكيميائي,المفاعل الكيميائي الصناعي