Quels sont les fermentateurs et les bioréacteurs?

Quels sont les fermentateurs et les bioréacteurs?

Pour répondre à la question fondamentale:Quels sont les fermentateurs et les bioréacteurs, et en quoi diffèrent-ils dans la pratique?Un fermentateur est un récipient qui cultive des micro-organismes tels que des levures, des bactéries ou des champignons pour convertir un substrat en un produit cible,tandis qu'un bioréacteur est le terme d'ingénierie plus large pour tout récipient qui soutient une réaction biologiquement catalyséeEn termes de matériel, ils sont la même machine: un réservoir stérile, équipé d'instruments, agité qui maintient la température de 20-40 °C,pH à 3.5 à 8.0Les volumes de travail vont de 5 L à 300 000 L, et l'oxygène est délivré par l'air éclaboussé à 0,2-1.5 vvm avec un coefficient de transfert de masse volumétrique kLa de 30 à 200 h-1.

1Comment fonctionnent les fermentateurs et les bioréacteurs

Chaque récipient de culture remplit les mêmes quatre fonctions: contenir un environnement stérile, transférer l'oxygène et la chaleur, maintenir l'homogénéité du bouillon et laisser l'opérateur contrôler la trajectoire biologique.Trois mécanismes déterminent si elle réussit:

• Transfert d'oxygène et kLa:Les cellules aérobes consomment de l'oxygène à une vitesse OUR = QO2·X, où QO2 est de 2 à 5 mmol O2/g·h et X est de 30 à 80 g/l de masse des cellules sèches.où C* est d'environ 7 à 8 mg/l pour l'eau éclaboussée par l'air à 1 atmosphère et à 30 °CDans un réservoir agité à 0,5-1,5 vvm, kLa de 50-200 h-1 est typique; les colonnes de bulles atteignent 30-120 h-1 à une entrée d'énergie beaucoup plus faible.la culture passe au métabolisme de débordement ou à la formation de sous-produits anaérobies et le titre s'effondre.
• Balance de mélange et de cisaillementLes impulseurs doivent suspendre les solides et disperser les gaz sans détruire les cellules.13Les cultures bactériennes et les cultures de levure tolèrent des vitesses de pointe de 5 à 7 m/s, tandis que les cellules de mammifères ont besoin de 0,5 à 1,5 m/s et d'hydroptères à débit axial au lieu de turbines radicales Rushton.5 à 5 kW/m3 pour la fermentation microbienne et 0.01-0.10 kW/m3 pour les cultures de cellules animales sensibles au cisaillement.
• Sterilité et nettoyage:Le fonctionnement aseptique dépend de la stérilisation par vapeur à 121°C pendant 20 à 30 min avec une létalité équivalente Fo >= 15, une pression positive du récipient de 0,05-0,10 MPa pendant le refroidissement et 0.2 μm d'air d'alimentation filtré HEPAEntre les campagnes, le nettoyage en place fait circuler 0,5-2,0% de caustique à 60-80°C, suivi d'un rinçage à l'acide, visant une finition de surface de contact avec le produit de Ra <= 0,5 μm (électropoli 316L,La charge biologique résiduelle doit être inférieure à 1 CFU/25 cm2..

2. Principaux types et comment en choisir un

La sélection commence par l'organisme, puis par la demande d'oxygène, la tolérance au cisaillement et la classe de stérilité requise.

• Réacteur à réservoir de mélange (STR):Le choix par défaut pour la plupart des fermentations microbiennes et les cultures cellulaires.50, quatre déflecteurs à T/10 et un anneau ou micro-sparger. Il délivre kLa de 50-200 h-1 et gère des viscosités allant jusqu'à environ 5000 cP avec des rouleaux hélicoïdaux ou d'ancrage.Ce qui en fait la seule configuration qui évolue de façon propre du laboratoire à l'usine.
• Colonne à bulles et pont aérien:Aucun agitateur mécanique; le mélange et le transfert de masse proviennent de l'élévation du gaz à des vitesses de surface de 0,02-0,10 m/s. Un pont aérien ajoute un tube de tirage qui impose une circulation ordonnée,donnant un meilleur mélange à faible énergieCes récipients conviennent aux champignons filamenteux, aux cellules végétales, aux protéines unicellulaires et aux volumes très importants (jusqu'à 300 000 L) où la longueur de l'arbre du agitateur et le coût du joint deviennent prohibitifs.La consommation d'énergie est inférieure de 30 à 50% à une RSE équivalente.
• Bioréacteur à usage unique:Un sac en polymère multicouche irradié gamma (classe VI USP, sans composants d'origine animale) à l'intérieur d'une coque de support en acier inoxydable, généralement de 50 à 2000 L.Il supprime complètement la validation du nettoyage et réduit le changement de campagne de jours à heures, ce qui est déterminant pour les installations CDMO multiproduit.et les coûts récurrents des consommables plus les études sur les produits extractibles et les produits liquéfiables selon les USP <665> et <1665>.
• Fermentateurs à l'état solide et à l'état anaérobie:Les unités à l'état solide cultivent des champignons sur un substrat de particules humides avec de l'air humidifié forcé plutôt qu'une phase liquide libre, utilisée pour les enzymes, le koji et le compostage.le biogaz, et la production de solvants omettent complètement l'éparpillement et gèrent plutôt l'évolution du CO2, la mousse et l'élimination de la chaleur à 30-38 °C, en s'appuyant sur une agitation lente et un refroidissement externe pour maintenir le bouillon à ±1 °C.

Matrice de comparaison des types de fermentateur et de bioréacteur

Questions fréquemment posées

Q: Un fermentateur est-il la même chose qu'un bioréacteur?

R: Pas exactement, bien que le matériel se chevauche presque complètement.ou antibiotiques, et implique souvent un processus anaérobie ou microaérophile. Le bioréacteur est le terme d'ingénierie plus large couvrant tout récipient qui maintient un catalyseur biologique, y compris la culture microbienne aérobie,culture cellulaire de mammifères et d'insectesDans les marchés publics, la différence pratique apparaît dans la fiche de spécifications:une commande de bioréacteur exige généralement une finition de surface plus serrée, plus d'instruments et de documentation formelle de validation.

Q: Quelle taille de fermentateur ou de bioréacteur ai-je besoin?

R: Taille tirée de la production annuelle requise, et non du catalogue des récipients.3 à 10 g/l pour les anticorps monoclonaux) et par nombre de lots par an, puis appliquer un volume de travail de 70 à 80% du volume total du récipient pour laisser de l'espace pour le dégagement de mousse et de gaz.000 L de volume de travail, fonctionnant sur un cycle de 48 heures avec 85% de disponibilité de programmation, produit environ 150 lots par anVérifiez toujours que la taille choisie peut encore atteindre le kLa cible à la puissance disponible de l'air et du mélangeur.

Q: Quel matériau et quelle finition de surface doivent être spécifiés?

R: Pour les produits alimentaires, les boissons et les produits pharmaceutiques, spécifier l'acier inoxydable 316L à faible teneur en carbone (inférieure à 0,03%) et à faible teneur en soufre pour garantir une pénétration constante de la soudure,d'une épaisseur n'excédant pas 50 cm3Pour les bouillons hautement corrosifs contenant des chlorures supérieurs à environ 100 ppm ou pour les produits chimiques CIP agressifs, passer à 904L, duplex 2205,ou titane de qualité 2L'éthanol industriel ou le service de traitement des déchets peuvent utiliser 304L avec une finition de broyeur, ce qui réduit considérablement les coûts d'investissement sans affecter le rendement.

Q: Combien de temps faut-il pour mettre en service une nouvelle ligne de fermentation?

R: Pour une ligne clé en main en acier inoxydable, prévoyez 10 à 14 mois de la mise en service de la commande au premier lot de production: environ 4 à 6 mois pour l'ingénierie détaillée et la fabrication,2-3 mois pour les essais d'acceptation en usine, l'expédition et l'installation, et 2-3 mois pour les tests d'acceptation sur site, le tie-in des services publics et la qualification DQ/IQ/OQ/PQ plus trois essais réussis consécutifs de qualification des performances du processus.Les lamelles à usage unique réduisent ce délai à 5 à 8 mois, car la validation du nettoyage et la mise en service du système CIP/SIP disparaissent du chemin critique..