Wat is een bioprocesreactor? Beginselen, soorten en industriële toepassingen

Het beantwoorden van de kernvraag:Wat is een bioprocesreactor en welke kenmerken onderscheiden hem van een standaard chemische reactor?Een bioprocesreactor (bioreactor) is een vat dat is ontworpen om levende cellen te kweken ◄ microbiële (bacteriën, gist), zoogdieren (CHO, hybridoom),of plant onder nauwkeurig gecontroleerde temperatuuromstandigheden (meestal 30-37 graden C), pH (6,5-7,5), opgeloste zuurstof (DO boven 20-30% verzadiging) en voedingsstoffen, om biologische producten te produceren, waaronder recombinante eiwitten, monoclonale antilichamen, vaccins, organische zuren,en biobrandstoffenHet belangrijkste verschil met chemische reactoren is de vereiste voor aseptische (steriele) werking:De reactor moet 15 tot 30 minuten vóór de inenting met schone stoom worden gesteriliseerd bij 121-134 graden C.De belangrijkste ontwerpparameters omvatten de volumetrische zuurstofoverdrachtscoëfficiënt (kLa, typisch 0,01-0).3 s^-1 voor aerobe gisting), het roeren systeem voor zuurstofdispergentie en de steriele-in-plaats (SIP) infrastructuur voor betrouwbare decontaminatie tussen partijen.

1. Kernprincipes van bioprocestechniek

·** Zuurstofoverdracht en kLa:**Aërobe fermentatie vereist een continue zuurstoftoevoer om de levensvatbaarheid van cellen en de vorming van producten te behouden;de volumetrische zuurstofoverdrachtcoëfficiënt kLa (s^-1) geeft de snelheid van zuurstofoverdracht van gasbelletjes naar vloeibare medium, bepaald door het inlaatvermogen van de wervelkolom (P/V = 0,5-5 kW/m^3) en de gasstroom (0,5-2,0 vvm); de Monod-vergelijking mu = mu_max * C_O2 / (K_O2 + C_O2) relateert de specifieke groeisnelheid aan opgeloste zuurstof,met kritische DO-niveaus van 0.1-0.5 mg/l, waaronder de groei door zuurstof beperkt is.

·** Steriele opzet en SIP:**Alle bevochtigde oppervlakken moeten steriliserbaar zijn en vrij zijn van dode benen (L/D < 3) die verontreinigende stoffen vangen; de reactor wordt 15-30 minuten lang met schone stoom op 121-134 graden C gesteriliseerd (SIP).,De sterilisatie van het systeem is gebaseerd op een sterilisatieproces waarbij de sterilisatie van de sterilisatieproces wordt uitgevoerd met een steriele lucht, waarbij de sterilisatie van de sterilisatieproces plaatsvindt en de sterilisatie van de sterilisatieproces plaatsvindt.antifoam) passeren 00,2-micrometer sterilisatiefilters.

·** Bewaking en controle van processen:**Bioprocesreactoren hebben in-line sensoren voor DO (polarografisch of optisch), pH (stoomsteriliseerbare glaselektrode), temperatuur (RTD) en troebelheid (celdichtheid).geavanceerde systemen toevoegen afgasmassaspectrometrie voor ademhalingsquotiënt (RQ) en capaciteitssonden voor levensvatbare celdichtheid (VCD)Deze worden in een besturingssysteem gevoerd dat door middel van een cascadecontrole (DO -> agitatie-snelheid -> gasstroom -> zuurstofverrijking) de instandhoudingswaarden handhaaft om de biologische reactie te handhaven.

2. Belangrijkste soorten bioprocesreactoren

·**Stirred-Tank Fermenter (STF):De standaard bioreactor voor microbiële fermentatie, voorzien van een vat van roestvrij staal (316L) met 3-4 Rushton-turbines, 4 buffers, een spargerring en een koelplaat; volumes van 50-200,000 l voor producten met inbegrip van insuline, citroenzuur, aminozuren en recombinante eiwitten; bereikt celdichten van 50-150 g/l drooggewicht bij E. coli of gist bij kLa van 0,1-0,3 s^-1.

·** Bioreacteur voor cellengroei van zoogdieren:**ontworpen voor een zachttere mixing (kopsnelheden lager dan 1,5 m/s om scheerbeschadiging te voorkomen), met Rushton- of pitch-blade-rollen, sparger met micro-belletjes (100-500 micrometer),en pH-controle door middel van CO2-sparingVoor monoklonale antilichamen (mAbs) en recombinant proteïnen met behulp van CHO-cellen, met een celdichtheid van 10-30 x 10^6 cellen/ml en producttiters van 2-10 g/l.

·**Bioreacteur voor eenmalig gebruik (SUB):voorgesteriliseerde polymeerfoliezakken (EVA of PE) geplaatst in een roestvrijstalen houder met geïntegreerde schommeling of roeren; SIP-validatie en kruisbesmetting worden uitgesloten;met een volume van 50-2,000 L; wordt veel gebruikt voor de productie van klinische hulpmiddelen en voor installaties met meerdere producten, waar een snelle overstap en een verminderde reinigingsvalidatie de hogere verbruikswaarde per partij rechtvaardigen.

Types bioprocesreactoren Vergelijkingsmatrix

Vaak gestelde vragen (FAQ)

V: Wat is de primaire functie van een bioprocesreactor?

A: Een bioprocesreactor kweekt levende cellen (microbiële, zoogdieren of planten) onder gecontroleerde temperatuur, pH, opgeloste zuurstof,en voedingsstoffen voor de productie van biologische producten, met inbegrip van recombinant eiwitten, antilichamen, vaccins, organische zuren en biobrandstoffen, met een steriel ontwerp dat een aseptische werking gedurende de gehele teelt garandeert.

V: Waarom is kLa (zuurstofoverdrachtscoëfficiënt) van cruciaal belang bij het ontwerp van bioreactoren?

A: Aerobische bioprocessen vereisen een continue zuurstoftoevoer voor celademhaling en productvorming; kLa kwantificeert de zuurstofoverdracht van gasbelletjes naar het vloeibare medium,en als kLa te laag isIn het geval van een microbe wordt de cultuur zuurstofbeperkt, waardoor de groeisnelheid en de productopbrengst verminderen.

V: Hoe wordt de steriliteit in bioprocesreactoren gehandhaafd?

A: De reactor wordt 15-30 minuten lang gesteriliseerd met schone stoom bij 121-134°C (SIP, SAL van 10^-6).2 micrometer) luchtAlle toevoegingen gaan door sterilisatiefilters en alle oppervlakken zijn sanitair ontworpen (Ra < 0,8 micrometer, geen dode benen) om microbiële besmetting te voorkomen.

V: Wat is het voordeel van bioreactoren voor eenmalig gebruik (SUB)?

A: Bioreactoren voor eenmalig gebruik elimineren de validatie van SIP, de validatie van reiniging en het risico op kruisbesmetting tussen partijen en producten, waardoor een snelle productwisseling voor installaties met meerdere producten mogelijk is;Maar..., zij beperken de bedrijfsomvang tot 2000 l, kunnen niet overeenkomen met de kLa van bioreactoren van roestvrij staal en leiden tot hogere verbruikskosten per partij die moeten worden gerechtvaardigd door flexibiliteit.