Τι είναι ένας Βιομηχανικός Βιοαντιδραστήρας; Αρχές, τύποι και εφαρμογές

Απαντώντας στην βασική ερώτηση:Τι είναι ένας βιομηχανικός βιοαντιδραστήρας και πώς συντηρεί βιολογικές αντιδράσεις σε παραγωγική κλίμακα;Ένας βιοαντιδραστήρας βιομηχανίας είναι ένα δοχείο που έχει σχεδιαστεί για να υποστηρίζει βιολογικές αντιδράσεις με τη χρήση μικροοργανισμών (βακτηρίδια, ζύμες, μύκητες), κυττάρων θηλαστικών,ή φυτικά κύτταρα για τη μετατροπή υποστρώματος σε πολύτιμα προϊόντα όπως τα αντιβιοτικάΑντίθετα με τους χημικούς αντιδραστήρες οι οποίοι λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, οι βιοαντιδραστήρες λειτουργούν σε ήπιες συνθήκες (20-40°C,ατμοσφαιρική πίεση έως 2 bar) αλλά απαιτούν αυστηρές ασηπτικές συνθήκες, ακριβής παροχή οξυγόνου και προσεκτικός έλεγχος της σύνθεσης θρεπτικών ουσιών, του pH και της πίεσης κοπής για τη διατήρηση της βιωσιμότητας και της παραγωγικότητας των κυττάρων.

1Βασικές αρχές λειτουργίας βιομηχανικών βιοαντιδραστήρων

·** Ασηπτικός σχεδιασμός και αποστείρωση**Οι βιοαντιδραστήρες πρέπει να αποτρέπουν τη μόλυνση από ανεπιθύμητους μικροοργανισμούς που ανταγωνίζονται τον οργανισμό παραγωγής για θρεπτικά συστατικά ή παράγουν τοξίνες.Το δοχείο αποστειρώνεται με ατμό σε θέση (SIP) σε θερμοκρασία 121 °C για 30 λεπτά (αποτύχοντας SAL 10−3) πριν από την εμβολιασμό.Όλες οι διεισδύσεις (άξονας αναμειγνυτής, αισθητήρες, πύλες δειγματοληψίας) χρησιμοποιούν διπλές μηχανικές σφραγίδες ή συνδέσεις με ατμό-μπλοκαρισμό.και όλες οι σωλήνες χρησιμοποιούν υγειονομικά κορδόνια (ASME BPE) χωρίς νεκρά πόδια όπου θα μπορούσαν να αποθηκευτούν ρύποι.

·** Μεταφορά οξυγόνου και kLa**Οι αεροβικοί μικροοργανισμοί χρειάζονται διαλυμένο οξυγόνο για το μεταβολισμό.όπου qO2 είναι ο ειδικός ρυθμός απορρόφησης και X είναι η πυκνότητα των κυττάρων)Οι βιοαντιδραστήρες βιομηχανικών αναμειγνυμένων δεξαμενών επιτυγχάνουν τιμές kLa των 50 300 h-1 χρησιμοποιώντας ελκυστήρες τουρμπίνων Rushton με 100 400 σ.π.μ. με αέρα που εκπέμπει σε 0,5 2 vvm (όγκος αέρα ανά όγκο υγρού ανά λεπτό).Ανεπαρκής kLa περιορίζει την πυκνότητα και την παραγωγικότητα των κυττάρων.

·**Γεννήση και απομάκρυνση θερμότητας**Ο μικροβιακός μεταβολισμός παράγει 520 kJ θερμότητας ανά γραμμάριο βιομάζας που παράγεται.Η θερμότητα αυτή απομακρύνεται από εξωτερικά μανδύα (για αντιδραστήρες < 5 m3)Η ακρίβεια ελέγχου θερμοκρασίας ± 0,5°C είναι απαραίτητη.καθώς οι αποκλίσεις των 2°C μπορεί να μειώσουν το ρυθμό ανάπτυξης των κυττάρων κατά 50% ή να προκαλέσουν αντιδράσεις στρες.

2Οι κύριοι τύποι βιομηχανικών βιοαντιδραστήρων

·**Βιοαντιδραστήρας δεξαμενής (STR) **Το βιομηχανικό πρότυπο: κυλινδρικό δοχείο (50 L έως 50 m3) με αναμειγνυτικό που τοποθετείται στο κάτω ή στο πάνω μέρος, πολλαπλό σταδίου τροχούς Rushton ή αξονικούς τροχούς, ατμοσφαιρικό σπαστικό και κάλυμμα ψύξης ή περιτυλίγματα.Παρέχει εξαιρετική ανάμειξη και μεταφορά οξυγόνου (kLa 50 ≈ 300 h−1)Χρησιμοποιείται για τα αντιβιοτικά (πενικιλίνη, κεφαλοσπορίνη), τα ένζυμα, τις ανασυνδυασμένες πρωτεΐνες (ινσουλίνη, αντισώματα) και τα οργανικά οξέα (λιτρικό, γαλακτικό).Κατασκευή από ανοξείδωτο χάλυβα 316L με ηλεκτροφωτισμένο εσωτερικό (Ra < 0)0,8 μm) για τη συμμόρφωση με τις ΒΔΔ.

·**Βιοαντιδραστήρας αερομεταφορών**Ένα ψηλό αγγείο (H/D > 6) χωρισμένο σε τμήματα ανόδου και κατεβάσεως.Επιτυγχάνει χαμηλότερη πίεση κοπής (1050 s−1) και απλούστερη σχεδίαση (χωρίς σφραγίδα άξονα) από την STR. Η μεταφορά οξυγόνου είναι χαμηλότερη (kLa των 20 ̇80 h−1), περιορίζοντας την πυκνότητα των κυττάρων. Χρησιμοποιείται για καλλιέργεια κυττάρων φυτών, νήματα μύκητες και ευαίσθητους σε κοπή μικροοργανισμούς σε όγκους 5 ̇500 m3.

·** Φωτοβιοαντιδραστήρας **Διαφανές δοχείο (γυάλινοι σωλήνες ή επίπεδες πάνελ) σχεδιασμένο για να παρέχει φως σε φωτοσύνθετους μικροοργανισμούς (μικρούτσες, κυανοβακτήρια).και ο κύκλος φωτός/σκοτάδι ελέγχονται για τη βελτιστοποίηση της αποτελεσματικότητας της φωτοσύνθεσης. Επιτυγχάνει παραγωγικότητα βιομάζας της τάξεως των 1 5 g/m2/ημέρα. Χρησιμοποιείται για θρεπτικά προϊόντα (ασταξανθίνη, ωμέγα-3), βιοκαύσιμα και συλλογή CO2 σε όγκους 1 100 m3.

Τύποι Βιοαντιδραστήρων Βιομηχανίας Συγκριτική μήτρα

Συχνές ερωτήσεις (FAQ)

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός βιοαντιδραστήρα και ενός χημικού αντιδραστήρα;

Οι βιοαντιδραστήρες υποστηρίζουν βιολογικές αντιδράσεις χρησιμοποιώντας ζωντανά κύτταρα ως καταλύτες, λειτουργώντας σε ήπιες συνθήκες (20-40 °C, πίεση κοντά στην ατμόσφαιρα) με αυστηρές απαιτήσεις στείρωσης.Οι χημικοί αντιδραστήρες υποστηρίζουν χημικές αντιδράσεις χρησιμοποιώντας χημικούς καταλύτες (ή χωρίς καταλύτη)Οι βιοαντιδραστήρες απαιτούν ασηπτικό σχεδιασμό, παροχή οξυγόνου, έλεγχο pH/θρεπτικών συστατικών,και διαχείριση της κοπήςΟι χημικοί αντιδραστήρες επικεντρώνονται στην μεταφορά θερμότητας/μάζας, τον περιορισμό της πίεσης και την κινητική των αντιδράσεων.

Τι είναι η kLa και γιατί είναι κρίσιμη στον σχεδιασμό του βιοαντιδραστήρα;

Ο συντελεστής μεταφοράς οξυγόνου (kLa) είναι η βασική παράμετρος που μετρά την αποτελεσματικότητα με την οποία ένας βιοαντιδραστήρας μεταφέρει οξυγόνο από τις φυσαλίδες αερίου στη υγρή φάση.Καθορίζει τη μέγιστη επιτεύξιμη πυκνότητα κυττάρων: εάν το OTR (kLa × κινητήρια δύναμη) είναι μικρότερο από το OUR (η ζήτηση οξυγόνου των κυττάρων), η καλλιέργεια περιορίζεται στο οξυγόνο και σταματά την ανάπτυξη.,αερομεταφορές (2080 h−1).

Πώς αποστειρώνεται ένας βιοαντιδραστήρας;

Η τυποποιημένη μέθοδος είναι η εγκατάσταση ατμού (SIP) με καθαρό ατμό σε θερμοκρασία 121 °C για 30 λεπτά, επιτυγχάνοντας επίπεδο εξασφάλισης στείρωσης 10−3 (πιθανότητα επιβίωσης ενός μολυσματικού ανά 1.000 μονάδες).Για θερμοευαίσθητα μέσαΧρησιμοποιείται αποστείρωση φίλτρου (0,2 μm απόλυτη διήθηση).Οι μεγάλοι βιοαντιδραστήρες (> 5 m3) ενδέχεται να απαιτούν παρατεταμένους χρόνους αποστείρωσης ή κλάσματική αποστείρωση (ταϊνταλίωση) για να εξασφαλιστεί η διείσδυση θερμότητας σε όλες τις επιφάνειες.Μετά την SIP, το δοχείο διατηρείται υπό θετική πίεση με αποστειρωμένο φιλτραρισμένο αέρα για να αποφευχθεί η επαναμόλυνση.

Ποια είναι η μέγιστη πυκνότητα κυττάρων που μπορεί να επιτευχθεί σε βιομηχανικό βιοαντιδραστήρα;

Σε μικροβιακή ζύμωση με τροφοδοσία (E. coli, ζύμη), οι πυκνότητες κυττάρων 50-150 g/l ξηρού βάρους είναι εφικτές με εμπλουτισμένο με οξυγόνο αέρα και βελτιστοποιημένη τροφή.Κατά τη διάχυση, καλλιέργεια κυττάρων θηλαστικών με κατακράτηση κυττάρωνΤα κύτταρα μπορούν να φθάσουν τα 1 5 × 108 κύτταρα/mL. Το πρακτικό όριο καθορίζεται από τη μεταφορά οξυγόνου, την αφαίρεση θερμότητας και το υποπροϊόν (CO2,γαλακτικό, αμμωνίου) συσσώρευση.