Che cosa sono i fermentatori e i bioreattori a livello di banco?

Che cosa sono i fermentatori e i bioreattori a livello di banco?

Che cos'è un fermentatore o bioreattore a banco e a che cosa serve?Un fermentatore o bioreattore su banco è un recipiente di coltivazione su scala di laboratorio con un volume di lavoro di circa 0.5-20 L che riproduce l'ambiente controllato di un fermentatore di produzione su una panchina di laboratorio- regola continuamente quattro variabili: temperatura compresa tra 4 e 80°C con una precisione di ± 0,1°C, pH compreso tra 2,0 e 12,0 con una precisione di ± 0,01 mediante aggiunta automatica di acidi e basi,ossigeno disciolto compreso tra 0 e 100% della saturazione dell'aria con una precisione di ± 1% mediante agitazione a cascataL'agitazione si estende da 50 a 1.200 giri al minuto e l'aria scaturita da 0,1-2,0 Vm, dando un kLa di 20-250 h-1.

1. Caratteristiche di progettazione che determinano la qualità dei dati

Un'unità di banco è uno strumento di misura tanto quanto un reattore.

• Geometria della nave e treno dell'impellente:Il lavoro riproducibile richiede una somiglianza geometrica con il recipiente di produzione: un rapporto altezza/diametro di 2:1 a 3:1, un rapporto di diametro tra motore e serbatoio di 0,33-0.50La maggior parte degli impianti di banco è dotata di due motori, una turbina radicale inferiore Rushton per la dispersione dei gas e un albero a filo superiore per la miscelazione a sfero.L'accoppiamento magnetico dal motore motore all'albero evita la tenuta meccanica, che rappresenta il percorso più comune di perdita e contaminazione su questa scala, e consente di autoclavare l'intero recipiente a 121°C per 20-30 min.
• Pacco sensore e circuiti di controllo:strumentazione standard comprende una sonda polarografica o ottica DO, un elettrodo pH in gel sterilizzabile al vapore, un termometro di resistenza Pt100,con una capacità di accumulo di calore superiore a 50 W,La misurazione dei gas di fuoriuscita trasforma il vaso in un calorimetro: l'OUR e il CTR derivati dal bilanciamento dei gas di entrata e di uscita rivelano gli spostamenti metabolici ore prima che appaiano nel brodo.Le unità avanzate aggiungono sonde di capacità per il volume delle celle., spettroscopia Raman o NIR per il glucosio, il lattato e il titolo e controllo del flusso di massa dei gas di scarico per un bilanciamento esatto dei gas.
• Funzionamento parallelo e automazione:I sistemi bioreattori paralleli integrano 4, 8, 16 o 24 vasi di 0,25-2 L sotto un singolo host SCADA, con miscelazione individuale di gas,alimentazione per vascelloQuesto rende praticabile la progettazione statistica degli esperimenti: un fattore completo sul pH, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura, la temperatura.e il tasso di alimentazione che richiederebbe 18 mesi su un singolo contenitore da 5 litri è completato in tre settimaneIl software deve supportare i registri elettronici 21 CFR Parte 11, con controllo di accesso a livello utente e una traccia di audit immutabile.

2Dal bancone all' impianto: le regole di scala

La scalabilità fallisce quando il meccanismo di controllo cambia tra le scale. Tre criteri vengono utilizzati per preservare le prestazioni e quello corretto dipende da quale meccanismo limita il processo:

• KLa costante o OTR costante:Per i processi microbici aerobici limitati dall'apporto di ossigeno, mantenere costante il coefficiente di trasferimento di massa volumetrico, in genere 50-200 h-1.5, mantenendo kLa costante mentre il volume aumenta di 1.000 volte significa che la potenza per volume diminuisce e la velocità del gas superficiale aumenta, quindi il grande recipiente funziona a una velocità di agitatore inferiore ma una maggiore aerazione.Confirmare misurando kLa su entrambe le scale con il metodo del gasamento dinamico piuttosto che basandosi su una correlazione.
• Potenza costante per volume (P/V) o velocità di punta:Per le cellule di mammiferi e di piante sensibili al taglio, mantenere la velocità della punta inferiore a circa 1,5 m/s e la P/V compresa tra 0,01 e 0,10 kW/m3,perché il danno delle celle è correlato al tasso di dissipazione dell'energia locale vicino alla girante piuttosto che alla media del recipientePer i processi in cui la micromesura controlla la selettività, come le reazioni parallele o in serie veloci, mantenere costante il tempo di miscelazione o il tasso di dissipazione turbolento.che di solito significa accettare un P/V molto più elevato nel recipiente della pianta.
• Tempo di miscelazione costante e somiglianza geometrica:Il tempo di miscelazione in un recipiente agitato turbolento varia approssimativamente con l'inverso dei tempi di velocità della girante (D/T) ^ 2, quindi un recipiente di laboratorio che si mescola in 5 s può richiedere 30-60 s a 20.000 L.Quando un pennacchio di mangime alimentato da partita crea gradienti locali del pH o del substrato, che la differenza è importante: un picco di concentrazione di 100 volte al punto di alimentazione può innescare il metabolismo di sovraccarico anche se la media del recipiente sembra corretta.I modelli a ridimensionamento che riproducono il gradiente di un vascello di grandi dimensioni in un sistema a due compartimenti su un bancone sono il modo standard per ridurre il rischio prima del primo lotto di impianti.

Matrice di confronto delle classi di fermentatori e bioreattori

Domande frequenti (FAQ)

D: Qual è la differenza tra un fermentatore a banco e un bioreattore a banco?

R: Nei cataloghi delle attrezzature di laboratorio le due denominazioni descrivono lo stesso strumento e i fornitori scelgono l'etichetta in base al mercato di destinazione.Il fermentatore è utilizzato quando l'organismo di cui si tratta è microbico e il prodotto è un metabolitaIl bioreattore è utilizzato quando il sistema deve supportare una maggiore garanzia di sterilità, coltura di cellule di mammiferi o insetti o una gamma più ampia di variabili controllate come la velocità di perfusione,RidoxIn pratica, un'unità ben specificata da 5 litri con filtro di scarico da 0,2 μm, controllo in cascata dell'ossigeno disciolto,e le sonde di pH e DO sterilizzabili al vapore svolgono entrambi i ruoli senza modifica.

D: Come faccio a scegliere tra un recipiente in vetro e un recipiente in acciaio inossidabile?

R: scegliere vetro autoclavabile per lavori di screening in cui è necessario vedere il brodo, cambiare la geometria frequentemente e mantenere bassi i costi di capitale, in genere 0,5-10 L a pressioni fino a 0,15 MPa.Scegliere l' acciaio inossidabile quando hai bisogno di sterilizzazione in loco, una pressione superiore a 0,35 MPa, l'integrazione CIP, o una geometria che sia dimensionalmente identica al recipiente di produzione, che è essenziale se i dati saranno guidati a scala.L' inossidabile è anche resistente ai solventi aggressivi, alta salinità e ripetuta pulizia con caustica senza il rischio di incisione del vetro che cambia lentamente l'umidità e il trasferimento di calore.

D: Perché il mio scale-up fallisce anche quando il kLa è abbinato?

R: Poiché kLa è un numero medio del vaso e la cella sperimenta un ambiente locale, a 20.000 litri, il tempo di miscelazione aumenta di più volte.quindi i pennacchi di glucosio concentrato o di base creano zone transitorie di alto pH o alta osmolalità che innescano il metabolismo di sovraccaricoLa pressione parziale dell'ossigeno aumenta anche con la testa idrostatica sul fondo di un vaso alto, mentre lo stripping dell'anidride carbonica diventa più difficile.Così CO2 disciolto può superare 100-150 mmHg e inibire la crescitaLa riproduzione di tali gradienti in un modello ridimensionato, quindi la modifica della posizione del punto di alimentazione, della concentrazione di alimentazione o della configurazione della girante, risolve la maggior parte di questi guasti.

D: Quali utilità richiede un sistema a panca?

A: Una tipica unità in vetro o in acciaio inossidabile da 5 litri ha bisogno di un'alimentazione monofase a 220 V di 1-2 kW, aria compressa a 0,3-0,6 MPa e 5-20 L/min,ossigeno e azoto per la miscelazione dei gas se viene utilizzato l'arricchimento o la cascata di DO, base e acido senza anidride carbonica o ammoniaca per il controllo del pH, acqua refrigerata a 5-15°C e 2-5 l/min per il raffreddamento del condensatore e della giacca, e una fonte di vapore o autoclave per la sterilizzazione.Le unità inossidabili con SIP in posizione richiedono inoltre vapore pulito a 0.25-0.35 MPa. La capacità di scarico e un armadietto di fumo o di biosicurezza sono di solito trascurati e devono essere confermati prima dell'installazione.

Tag:Reattore in acciaio inossidabile,Sistema di reattore chimico,Reattore chimico industriale