ما هي المخمرات والمفاعلات الحيوية؟ مبادئ العمل، الأنواع ودليل الاختيار

ما هي أجهزة التخمير والمفاعلات الحيوية؟ مبادئ العمل وأنواعها ودليل الاختيار

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هي أجهزة التخمير والمفاعلات الحيوية، وكيف تختلف في الممارسة العملية؟جهاز التخمير هو وعاء يزرع الكائنات الدقيقة مثل الخميرة أو البكتيريا أو الفطريات لتحويل الركيزة إلى منتج مستهدف ،بينما المفاعل الحيوي هو المصطلح الهندسي الأوسع لأي وعاء يدعم تفاعل محفز بيولوجي، بما في ذلك الأنظمة الميكروبية الهوائية والثدييات والحشرات والنباتات والأنزيمات. من حيث الأجهزة ، فهي نفس الآلة: خزان معقّم ومعدّل ومحفّز يحافظ على درجة الحرارة عند 20-40 درجة مئوية ،الحموضة عند 3.5-80، والأكسجين المذاب عند 20-40٪ من ملء الهواء. وتتراوح أحجام العمل من وحدات سطح المقاعد 5 لتر إلى أوعية إنتاج 300،000 لتر ، ويتم تسليم الأكسجين من خلال الهواء المشتعل عند 0.2-1.5 vvm مع معامل نقل الكتلة الحجمي kLa من 30-200 h-1.

1كيف تعمل المُخمرات والمفاعلات الحيوية

كل وعاء زراعة يؤدي نفس الوظائف الأربعة: تحتوي على بيئة معقمة، نقل الأكسجين والحرارة، الحفاظ على الحساء متجانسة، والسماح للمشغل التحكم في المسار البيولوجي.ثلاثة آليات تحدد ما إذا كانت ناجحة:

• نقل الأكسجين و kLa:تستهلك الخلايا الهوائية الأكسجين بمعدل OUR = QO2·X ، حيث QO2 هو 2-5 mmol O2/g·h و X هو 30-80 g/L من وزن الخلية الجافة. يجب أن تتطابق هذه الوعاء مع OTR = kLa·(C* - CL ،حيث أن C* حوالي 7-8 ملغ/لتر للمياه المزروعة بالهواء عند 1 طقس جوي و 30 درجة مئويةفي خزان محرك عند 0.5-1.5 Vvm ، kLa من 50-200 h-1 هو نموذجي ؛ أعمدة الفقاعات تصل إلى 30-120 h-1 عند إدخال طاقة أقل بكثير. عندما OTR لا يمكن أن تتواصل مع OUR ،تتحول الثقافة إلى التمثيل الغذائي المبالغ فيه أو تكوين المنتجات الجانبية الديونية وتنهار العلامة.
• توازن الخلط والقص:يجب على المحركات تعليق المواد الصلبة وتفريق الغازات دون تدمير الخلايا. تتبع سرعة تعليق الزويترينغ العلاقة Njs = S·(nu^0.1)·(g·(rhos - rhol) / rhol) ^ 0.45·dp^0.2·X^0.13تتحمل الثقافات البكتيرية والخميرة سرعات النقطة من 5-7 م / ثانية ، في حين تتطلب خلايا الثدييات 0.5-1.5 م / ثانية والغواصات المائية ذات التدفق المحوري بدلاً من توربينات روشتون الشعاعية.5-5 كيلوواط/م3 للتخمير الميكروبي و 0.01-0.10 كيلوواط/م3 لثقافات الخلايا الحيوانية الحساسة للقطع.
• العقم والتنظيف:العملية العفوية تعتمد على تعقيم البخار في الموقع عند 121 درجة مئوية لمدة 20-30 دقيقة مع وفيات مماثلة Fo > = 15 ، ضغط الأوعية الإيجابي من 0.05 - 0.10 MPa أثناء التبريد ، و 0.هواء إمداد مُصفّح بـ 2 ميكرومتر HEPAبين الحملات، يدور النظيف في الموقع 0.5-2.0 ٪ كاستيك في 60-80 درجة مئوية تليها شطف حمضي، وذلك بهدف تصفية سطح اتصال المنتج من Ra <= 0.5 μm (الكهرباء الملمع 316L،(ASME-BPE SF4 أو أفضل) بحيث يبقى الحمل البيولوجي المتبقي أقل من 1 CFU/25 سم2.

2الأنواع الرئيسية وكيفية اختيار واحدة

يبدأ الاختيار من الكائن الحي ، ثم من الطلب على الأكسجين ، وتسامح القص ، وطبقة العقم المطلوبة. أربعة تكوينات تغطي الغالبية العظمى من الواجب الصناعي:

• مفاعل الخزان المتحرك (STR):الاختيار الافتراضي لمعظم التخمير الميكروبي و ثقافة الخلايا وعاء 316L مع واحد إلى أربعة محركات في نسبة قطر محرك إلى خزان 0.33-0.50، أربعة محفزات في T / 10 ، وحلقة أو ميكرو سبارجر. توفر kLa من 50-200 h-1 وتتعامل مع اللزوجة تصل إلى حوالي 5000 cP مع الدوائر المدارية أو المرساة. تتراوح أحجامها من 5 لتر إلى 200،000 لتر ،مما يجعله التكوين الوحيد الذي يتوسع بشكل نظيف من المختبر إلى النبات.
• عمود الفقاعات والجسر الجوي:لا يوجد مزج ميكانيكي ؛ يتم خلط وتحويل الكتلة من الغاز المتصاعد بسرعة سطحية من 0.02-0.10 م / ثانية. يضيف الجسر الجوي أنبوبًا مسطحًا يفرض دورانًا منظمًا ،مما يعطي خلط أفضل في طاقة منخفضةهذه الأوعية تناسب الفطريات الخيطية والخلايا النباتية والبروتين أحادي الخلية والحجم الكبير جداً (حتى 300000 لتر) حيث يصبح طول عمود المحرك وتكلفة الختم غير مقبولة.استهلاك الطاقة 30-50٪ أقل من STR المكافئ.
• المفاعل الحيوي للاستخدام الواحد:كيس متعدد الطبقات البوليمر المُشعّ من غاما (فئة USP VI، خالية من المكونات المشتقة من الحيوانات) داخل غلاف دعم من الفولاذ المقاوم للصدأ، عادةً 50-2،000 لتر.إنه يزيل التحقق من صحة التنظيف بالكامل ويقلل من تغيير الحملة من أيام إلى ساعات، وهو أمر حاسم لمرافق CDMO متعددة المنتجات. المقايضة هي ضغط محدود (عادة ما يكون أقل من 0.05 MPa) ،وتكلفة المستهلك المتكررة بالإضافة إلى الدراسات الخاصة بالمستخرجات والمواد التي يتم غسلها بموجب USP <665> و <1665>.
• أدوات التخمير الصلبة والحساسة:وحدات الحالة الصلبة تزرع الفطريات على رصيف الجسيمات الرطبة مع الهواء المرطب القسري بدلاً من المرحلة السائلة الحرة ، المستخدمة للإنزيمات والكوجي والتسميد.الغاز الحيوي، وتجنب إنتاج المذيب التشويش بالكامل وبدلاً من ذلك تدير تطور ثاني أكسيد الكربون والرغوة وإزالة الحرارة عند 30-38 درجة مئوية ، معتمدة على التحريك البطيء والتبريد الخارجي للحفاظ على الحساء ضمن ± 1 درجة مئوية.

أنواع المذيب والمفاعل الحيوي مصفوفة مقارنة

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: هل جهاز التخمير هو نفس الشيء مثل المفاعل الحيوي؟

الجواب: ليس تماماً، على الرغم من أن الأجهزة تتداخل تماماً تقريباً. المُخمّر هو المصطلح التقليدي للوعاء الذي يقوم بتحويل الميكروبات مثل الإيثانول، حمض اللاكتيك،أو المضادات الحيويةالمفاعل الحيوي هو المصطلح الهندسي الأوسع الذي يغطي أي وعاء يحافظ على محفز بيولوجي ، بما في ذلك زراعة الميكروبات الهوائية ،ثقافة خلايا الثدييات والحشراتفي مجال المشتريات، يظهر الاختلاف العملي في ورقة المواصفات:طلب المفاعل الحيوي عادة ما يتطلب انتهاء سطح أكثر تشددا، المزيد من الأجهزة، وتوثيقات التحقق من الصحة الرسمية.

س: ما هو الحجم الذي أحتاجه من جهاز تخمير أو مفاعل حيوي؟

ج: الحجم من الإنتاج السنوي المطلوب ، وليس من كتالوج السفينة. العمل إلى الوراء من كتلة المنتج السنوية ، مقسمة على التيتير (على سبيل المثال 80-150 غرام / لتر للأحماض الأمينية ،3-10 غرام / لتر للأجسام المضادة الأحادية النسل) وعدد الدفعات في السنة، ثم تطبيق حجم العمل الذي هو 70-80٪ من إجمالي حجم الوعاء لترك مساحة الرؤوس للفوم والغاز التفكيك.000 لتر حجم العمل وعاء يعمل على دورة 48 ساعة مع 85٪ التوافر المخطط ينتج حوالي 150 دفعة سنوياتأكد دائماً من أن الحجم المختار لا يزال قادر على الوصول إلى الكيلا المستهدف في طاقة الهواء المتوفرة و قوة المحرك.

السؤال: أي مادة وتشطيب السطح يجب تحديده؟

ج: بالنسبة للأغذية والمشروبات والصيدلة، حدد 316L الفولاذ المقاوم للصدأ مع محتوى الكربون المنخفض (أقل من 0.03%) والكبريت المنخفض لضمان اختراق اللحام ثابت.الملمع الميكانيكياً والملمع بالكهرباء إلى Ra <= 0.5 μm ، مع لحام مداري و ASME-BPE المقبضات أو مصاحيب لحام البطن. للحساء التآكل للغاية يحتوي على الكلوريدات فوق حوالي 100 جزء في المئة أو للكيمياء CIP العدوانية ، الانتقال إلى 904L ، مزدوج 2205 ،أو التيتانيوم الصف 2يمكن أن يستخدم إيثانول الصناعي أو خدمة معالجة النفايات 304L مع نهاية مطحنة ، مما يقلل من تكلفة رأس المال بشكل كبير دون التأثير على الإنتاجية.

س: كم من الوقت يستغرق تشغيل خط تخمير جديد؟

ج: بالنسبة لخط الفولاذ المقاوم للصدأ مفتوحة التسليم ، توقع 10-14 شهرا من إصدار الطلب إلى أول دفعة إنتاج: ما يقرب من 4-6 أشهر للهندسة والتصنيع التفصيلي ،2-3 أشهر لاختبار قبول المصنع، الشحن، والتركيب، و 2-3 أشهر لاختبار القبول الموقع، المرافق ربط في، و DQ / IQ / OQ / مؤهلات PQ بالإضافة إلى ثلاث جولات متتالية ناجحة مؤهلات أداء العملية.يضغط المطرقات ذات الاستخدام الواحد هذا إلى 5-8 أشهر لأن التحقق من صحة التنظيف وتشغيل نظام CIP / SIP يختفون من المسار الحرج.