Was sind Fermentatoren und Bioreaktoren?

Was sind Fermentatoren und Bioreaktoren?

Die Antwort auf die Kernfrage:Was sind Fermentatoren und Bioreaktoren und wie unterscheiden sie sich in der Praxis?Ein Fermentator ist ein Gefäß, in dem Mikroorganismen wie Hefe, Bakterien oder Pilze kultiviert werden, um ein Substrat in ein Zielprodukt umzuwandeln.während ein Bioreaktor der breitere technische Begriff für jedes Gefäß ist, das eine biologisch katalysierte Reaktion unterstützt, einschließlich aerober mikrobieller, Säugetier-, Insekten-, Pflanzen- und Enzymsysteme.pH bei 3.5 bis 8.0Die Arbeitsmengen reichen von 5 L-Benktop-Einheiten bis zu 300.000 L-Produktionsbehältern und der Sauerstoff wird durch die Luft mit 0,2-1 geliefert.5 vvm mit einem volumetrischen Massenübertragungskoeffizienten kLa von 30-200 h-1.

1Wie Fermentatoren und Bioreaktoren funktionieren

Jedes Kultivierungsgefäß hat die gleichen vier Aufgaben: eine sterile Umgebung zu behalten, Sauerstoff und Wärme zu übertragen, die Brühe homogen zu halten und den Betreiber die Kontrolle über die biologische Flugbahn zu überlassen.Drei Mechanismen bestimmen, ob sie erfolgreich ist:

• Sauerstoffübertragung und kLa:Aeroben Zellen verbrauchen Sauerstoff in einer Rate OUR = QO2·X, wobei QO2 2-5 mmol O2/g·h und X 30-80 g/l Trockenzellgewicht entspricht.wobei C* bei 1 atm und 30°C bei Luftgespritztem Wasser ungefähr 7-8 mg/l beträgtIn einem aufgerührten Behälter bei 0,5-1,5 Vm ist ein typischer KLa von 50-200 h-1; die Blasensäulen erreichen 30-120 h-1 bei weit niedrigerer Energiezufuhr.die Kultur wechselt zum Überflussmetabolismus oder zur Bildung anaerober Nebenprodukte und Titerkollaps.
• Misch- und Schereinheit:Impeller müssen Feststoffe suspendieren und Gas dispergieren, ohne die Zellen zu zerstören.13Bei Bakterien- und Hefekulturen sind Spitzengeschwindigkeiten von 5-7 m/s toleriert, während Säugetierzellen 0,5-1,5 m/s und axialströmende Hydrofoils anstelle von Radialturbinen benötigen.5-5 kW/m3 für mikrobielle Gärung und 0.01-0,10 kW/m3 für schieferempfindliche Tierzellkulturen.
• Sterilität und Reinigung:Der aseptische Betrieb hängt von einer Dampfsterilisation an Ort und Stelle bei 121°C für 20-30 min mit einer äquivalenten Lethalität Fo >= 15, einem positiven Gefäßdruck von 0,05-0,10 MPa während der Abkühlung und 0.2 μm HEPA-filterte ZufluchtsäuleZwischen den Kampagnen zirkuliert 0,5-2,0% Kaustik bei 60-80°C, gefolgt von einer Säurespülung, die auf eine Kontaktoberfläche von Ra <= 0,5 μm abzielt (elektropolisierte 316L,ASME-BPE SF4 oder besser), so dass die restliche Biobelastung unter 1 CFU/25 cm2 bleibt.

2. Haupttypen und Auswahl

Die Auswahl beginnt mit dem Organismus, dann mit dem Sauerstoffbedarf, der Scherentoleranz und der erforderlichen Sterilitätsklasse.

• Reaktor mit Rührbehälter (STR):Die Standardwahl für die meisten mikrobiellen Fermentationen und Zellkulturen. Ein 316L Behälter mit einem bis vier Rädern mit einem Durchmesserverhältnis von 0,33-0.50, vier Baffler bei T/10 und einen Ring oder Mikrosparger. Er liefert kLa von 50-200 h-1 und verarbeitet Viskositäten von bis zu etwa 5.000 cP mit spiralen oder Ankerrädern. Die Volumina reichen von 5 L bis 200.000 L,Damit ist es die einzige Konfiguration, die sauber von Labor zu Anlage skaliert..
• Bubble Column und Luftbrücke:Keine mechanische Rührmaschine; Mischung und Masseübertragung erfolgen durch das Ansteigen von Gas mit Oberflächengeschwindigkeiten von 0,02-0,10 m/s. Eine Luftbrücke fügt ein Zugrohr hinzu, das eine geordnete Zirkulation erzeugt,eine bessere Vermischung bei geringer EnergieDiese Behälter eignen sich für filamentöse Pilze, Pflanzenzellen, Einzelzellprotein und sehr große Volumina (bis zu 300.000 L), bei denen die Schachtlänge und die Dichtkosten des Rührers unerträglich werden.Energieverbrauch 30-50% unter einem gleichwertigen STR.
• Einweg-Bioreaktor:Ein mit Gammastrahlung bestrahlter Polymerbeutel (USP-Klasse VI, ohne tierische Bestandteile) in einer rostfreien Trägerhülle, typischerweise 50-2.000 L.Es entfernt die Reinigung Validierung vollständig und schneidet Kampagnenwechsel von Tagen auf StundenDer Kompromiss besteht darin, einen begrenzten Druck (in der Regel unter 0,05 MPa Spannweite), eine niedrigere KLa-Obergrenze,und wiederkehrende Verbrauchskosten zuzüglich Extraktions- und Auslaugbarkeitsstudien nach USP <665> und <1665>.
• Festkörper- und anaerobe Fermentatoren:Festkörperanlagen kultivieren Pilze auf feuchten Partikelsubstraten mit zwangsbefeuchteter Luft anstelle einer freien flüssigen Phase, die für Enzyme, Koji und Kompostierung verwendet wird.Biogas, und die Lösungsmittelproduktion verzichtet vollständig auf das Sparren und verwaltet stattdessen die CO2-Entwicklung, den Schaum und die Wärmeentfernung bei 30-38 °C, wobei die Brühe mit langsamer Rührung und äußerer Abkühlung innerhalb von ±1 °C gehalten wird.

Vergleiche der Arten von Fermentatoren und Bioreaktoren

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Ist ein Fermentator dasselbe wie ein Bioreaktor?

A: Nicht genau, obwohl sich die Hardware fast vollständig überschneidet.oder AntibiotikaBioreaktor ist der breitere technische Begriff, der jedes Gefäß abdeckt, das einen biologischen Katalysator, einschließlich aerober mikrobieller Kultur, aufrechterhält.Zellkultur von Säugetieren und InsektenIn der Beschaffung zeigt sich der praktische Unterschied im Spezifikationsblatt:Ein Bioreaktor-Auftrag erfordert in der Regel eine engere Oberflächenveredelung., mehr Instrumente und formale Validierungsdokumentation.

F: Welche Größe benötige ich für einen Fermentator oder Bioreaktor?

A: Größe aus der erforderlichen jährlichen Produktion, nicht aus dem Behälterkatalog.3-10 g/l für monoklonale Antikörper) und nach Anzahl der Chargen pro Jahr, dann ein Arbeitsvolumen von 70-80% des Gesamtvolumens des Behälters anwenden, um Platz für Schaum- und Gasentspannung zu lassen.000 L Arbeitsvolumen mit einem 48-Stunden-Zyklus und einer Verfügbarkeit von 85% produziert etwa 150 Chargen pro Jahr. stets bestätigen, daß die gewählte Größe bei der verfügbaren Luft- und Rührleistung dennoch die Ziel-kLa erreichen kann.

F: Welches Material und welche Oberflächenbeschichtung sind anzugeben?

A: Für Lebensmittel, Getränke und Arzneimittel sind 316L-Edelstahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt (unter 0,03%) und einem niedrigen Schwefelgehalt anzugeben, um eine gleichbleibende Schweißdurchdringung zu gewährleisten.mit einer Breite von mehr als 30 mm,.5 μm, mit Orbitalschweißungen und ASME-BPE-Klemm- oder Buttschweißfittings. Für stark ätzende Brühen mit Chloriden über etwa 100 ppm oder für aggressive CIP-Chemie wechseln Sie zu 904L, Duplex 2205,oder Titan der Klasse 2Industrie-Ethanol oder Abfallbehandlungsdienste können 304L mit einem Mühlendurchgang verwenden, was die Investitionskosten erheblich senkt, ohne den Ertrag zu beeinträchtigen.

F: Wie lange dauert die Inbetriebnahme einer neuen Fermentationslinie?

A: Für eine schlüsselfertige Edelstahllinie sind 10-14 Monate von der Auftragsvergabe bis zur ersten Produktion zu erwarten: ca. 4-6 Monate für die detaillierte Konstruktion und Herstellung,2-3 Monate für die Fabrik-Akzeptanzprüfung, Versand und Installation sowie 2-3 Monate für Standortakzeptanzprüfungen, Anbindung von Versorgungsunternehmen und Qualifizierung für DQ/IQ/OQ/PQ sowie drei aufeinanderfolgende erfolgreiche Qualifizierungsläufe für die Prozessleistung.Einmalverwendbare Schieber reduzieren dies auf 5-8 Monate, da die Reinigungsvalidierung und die Inbetriebnahme des CIP/SIP-Systems vom kritischen Pfad verschwinden..