Apa itu Bioreaktor Industri?

Menjawab pertanyaan inti:Apa itu bioreaktor industri, dan bagaimana ia mempertahankan reaksi biologis pada skala produksi?Bioreaktor industri adalah wadah yang dirancang untuk mendukung reaksi biologis dengan menggunakan mikroorganisme (bakteri, ragi, jamur), sel mamalia,atau sel tumbuhan untuk mengubah substrat menjadi produk berharga seperti antibiotik, vaksin, enzim, antibodi, asam organik, dan biofuel.tekanan atmosfer hingga 2 bar) tetapi membutuhkan kondisi aseptik yang ketat, pasokan oksigen yang tepat, dan kontrol yang cermat terhadap komposisi nutrisi, pH, dan tekanan geser untuk mempertahankan kelangsungan hidup sel dan produktivitas.

1Prinsip Operasi Inti Bioreaktor Industri

·** Desain aseptik dan sterilisasi **Bioreaktor harus mencegah kontaminasi oleh mikroorganisme yang tidak diinginkan yang bersaing dengan organisme produksi untuk nutrisi atau menghasilkan racun.Kapal disterilkan dengan uap di tempat (SIP) pada 121 °C selama 30 menit (mencapai SAL 10−3) sebelum inokulasi. Semua penetrasi (aksel agitator, sensor, port sampel) menggunakan segel mekanik ganda atau koneksi pemblokiran uap.dan semua pipa menggunakan fittings klem sanitasi (ASME BPE) tanpa kaki mati di mana kontaminan bisa menampung.

·** Transfer oksigen dan kLa**Mikroorganisme aerobik membutuhkan oksigen terlarut untuk metabolisme. laju transfer oksigen (OTR = kLa × (C* − C)) harus melebihi tingkat penyerapan oksigen (OUR = qO2 × X,dimana qO2 adalah tingkat penyerapan spesifik dan X adalah kepadatan sel)Bioreaktor tangki bercampur industri mencapai nilai kLa 50 ‰ 300 h−1 dengan menggunakan turbin Rushton pada 100 ‰ 400 rpm dengan udara yang menyala pada 0,5 ‰ 2 vvm (volume udara per volume cairan per menit).KLa yang tidak cukup membatasi kepadatan dan produktivitas sel.

·** Generasi dan Penghapusan Panas**Metabolisme mikroba menghasilkan 5 ‰ 20 kJ panas per gram biomassa yang dihasilkan. Pada kepadatan sel 50 g / L (berat kering) dengan tingkat pertumbuhan 0,3 h - 1, tingkat produksi panas adalah 10 ‰ 40 kW / m3.Panas ini dihapus oleh jaket eksternal (untuk reaktor <5 m3), kumparan setengah pipa (550 m3), atau baffle pendingin internal (> 50 m3).karena penyimpangan 2 ̊3 °C dapat mengurangi tingkat pertumbuhan sel sebesar 50% atau memicu respon stres.

2. Jenis Bioreaktor Industri

·** Bioreaktor Tangki-Stirred (STR) **Standar industri: wadah silinder (50 L sampai 50 m3) dengan penggerak yang dipasang di bagian bawah atau atas, multi-stage Rushton atau impeller aksial, air sparger, dan jaket pendingin atau kumparan.Memberikan pencampuran yang sangat baik dan transfer oksigen (kLa 50 ≈ 300 h−1). Digunakan untuk antibiotik (penisilin, cephalosporin), enzim, protein rekombinan (insulin, antibodi), dan asam organik (citric, laktat).Konstruksi baja tahan karat 316L dengan bagian dalam yang dipoles (Ra < 0).8 μm) untuk kepatuhan GMP.

·** Bioreaktor Airlift **Kapal yang tinggi (H/D > 6) dibagi menjadi bagian yang naik dan bagian yang turun.Mencapai tegangan geser yang lebih rendah (1050 s−1) dan desain yang lebih sederhana (tidak ada segel poros) daripada STR. Transfer oksigen lebih rendah (kLa dari 20?? 80 h−1), membatasi kepadatan sel. Digunakan untuk budidaya sel tumbuhan, jamur filamen, dan mikroorganisme sensitif gunting pada volume 5?? 500 m3.

·** Photobioreactor **Sebuah wadah transparan (tabung kaca atau panel datar) yang dirancang untuk memberikan cahaya kepada mikroorganisme fotosintesis (mikroalga, sianobakteri). Intensitas cahaya (5.000 ∼20.000 lux), panjang gelombang (400 ∼700 nm),dan siklus terang / gelap dikontrol untuk mengoptimalkan efisiensi fotosintesis. Mencapai produktivitas biomassa 1 ‰ 5 g / m 2 / hari. Digunakan untuk nutraceuticals (astaxanthin, omega-3), biofuels, dan CO2 capture pada volume 1 ‰ 100 m 3.

Tipe Bioreaktor Industri Matriks Perbandingan

Pertanyaan yang Sering Diajukan (FAQ)

Apa perbedaan antara bioreaktor dan reaktor kimia?

Bioreaktor mendukung reaksi biologis menggunakan sel hidup sebagai katalis, beroperasi pada kondisi ringan (20-40 ° C, tekanan dekat atmosfer) dengan persyaratan sterilitas yang ketat.Reaktor kimia mendukung reaksi kimia menggunakan katalis kimia (atau tanpa katalis)Bioreaktor membutuhkan desain aseptik, pasokan oksigen, kontrol pH/nutrisi,dan pengelolaan geser; reaktor kimia berfokus pada transfer panas/massa, penahanan tekanan, dan kinetika reaksi.

Apa itu kLa dan mengapa sangat penting dalam desain bioreaktor?

kLa (koefisien transfer oksigen volumetrik) adalah parameter utama yang mengukur seberapa efisien bioreaktor mentransfer oksigen dari gelembung gas ke fase cair.Ini menentukan kepadatan sel maksimum yang dapat dicapai: jika OTR (kLa × kekuatan pendorong) kurang dari OUR (permintaan oksigen sel), kultur menjadi terbatas oksigen dan pertumbuhan berhenti.,Pengangkutan udara (20 ̊80 h−1).

Bagaimana bioreaktor industri disterilkan?

Metode standar adalah uap di tempat (SIP) dengan menggunakan uap bersih pada 121 °C selama 30 menit, mencapai Sterilitas Jaminan Tingkat 10−3 (probabilitas kelangsungan hidup satu kontaminan per 1.000 unit).Untuk media sensitif panas, sterilisasi filter (0,2 μm filtrasi absolut) digunakan.Bioreaktor besar (> 5 m3) mungkin memerlukan waktu sterilisasi yang diperpanjang atau sterilisasi terfragmentasi (tindalisasi) untuk memastikan penetrasi panas ke semua permukaanSetelah SIP, wadahnya dipertahankan di bawah tekanan positif dengan udara disaring steril untuk mencegah kontaminasi kembali.

Berapa kepadatan sel maksimum yang dapat dicapai dalam bioreaktor industri?

Dalam fermentasi mikroba batch-feed (E. coli, ragi), kepadatan sel 50-150 g/L berat kering dapat dicapai dengan udara yang diperkaya dengan oksigen dan pakan yang dioptimalkan.Dalam perfusi kultur sel mamalia dengan retensi sel, kepadatan 50 ‰ 200 × 106 sel/mL dimungkinkan. Dalam reaktor serat berongga, sel dapat mencapai 1 ‰ 5 × 108 sel/mL. Batas praktis ditetapkan oleh transfer oksigen, penghapusan panas dan produk sampingan (CO2,laktat, amonium) akumulasi.