تخمیر کننده های بنچتاپ و بیوراکتورها چیست؟ طراحی در مقیاس آزمایشگاهی، کنترل و افزایش مقیاس

تجهیزات تخمیر و بیوراکتورهای رومیزی چیست؟ طراحی در مقیاس آزمایشگاهی، کنترل و مقیاس‌بندی

تجهیزات تخمیر یا بیوراکتور رومیزی چیست و برای چه کاری استفاده می‌شود؟تجهیزات تخمیر یا بیوراکتور رومیزی یک ظرف کشت در مقیاس آزمایشگاهی با حجم کاری تقریبی 0.5-20 لیتر است که محیط کنترل شده یک تخمیر کننده تولیدی را در یک میز آزمایشگاهی بازتولید می‌کند. این دستگاه چهار متغیر را به طور مداوم تنظیم می‌کند: دما بین 4 تا 80 درجه سانتیگراد با دقت ±0.1 درجه سانتیگراد، pH بین 2.0 تا 12.0 با دقت ±0.01 از طریق افزودن خودکار اسید و باز، اکسیژن محلول بین 0 تا 100 درصد اشباع هوا با دقت ±1 درصد از طریق اختلاط آبشاری، هوادهی و غنی‌سازی اکسیژن، و کف با دوزینگ ضد کف یا شکن مکانیکی. اختلاط در محدوده 50-1200 دور در دقیقه و هوای اسپارژ شده 0.1-2.0 vvm است که منجر به kLa 20-250 h-1 می‌شود.

1. ویژگی‌های طراحی که کیفیت داده را تعیین می‌کنند

یک واحد رومیزی به همان اندازه که یک راکتور است، یک ابزار اندازه‌گیری نیز محسوب می‌شود. سه انتخاب طراحی، سیستمی را که داده‌های مقیاس‌پذیری قابل انتقال تولید می‌کند از سیستمی که فقط سلول‌ها را رشد می‌دهد، جدا می‌کند:

• هندسه مخزن و مجموعه پروانه:کار قابل تکرار نیازمند شباهت هندسی با مخزن تولید است: نسبت ارتفاع به قطر 2:1 تا 3:1، نسبت پروانه به قطر مخزن 0.33-0.50، و چهار بافل در T/10. اکثر واحدهای رومیزی دارای دو پروانه هستند، یک توربین راشتون شعاعی پایینی برای پراکندگی گاز و یک هیدروفویل محوری بالایی برای اختلاط حجمی. کوپلینگ مغناطیسی از موتور محرک به شفت از مهر و موم مکانیکی که رایج‌ترین مسیر نشت و آلودگی در این مقیاس است، جلوگیری می‌کند و اجازه می‌دهد کل مخزن در دمای 121 درجه سانتیگراد به مدت 20-30 دقیقه اتوکلاو شود.
• بسته سنسور و حلقه‌های کنترل:ابزار دقیق استاندارد شامل یک پروب DO قطبی یا نوری، یک الکترود pH پر شده با ژل قابل استریل با بخار، یک دماسنج مقاومتی Pt100، و یک آنالایزر گاز خروجی برای اکسیژن و دی اکسید کربن است. اندازه‌گیری گاز خروجی، مخزن را به یک کالریمتر تبدیل می‌کند: OUR و CTR که از تعادل گاز ورودی و خروجی به دست می‌آید، تغییرات متابولیکی را ساعت‌ها قبل از ظاهر شدن در مایع مغذی آشکار می‌کند. واحدهای پیشرفته، پروب‌های خازنی برای حجم سلول زنده، طیف‌سنجی رامان یا NIR برای گلوکز، لاکتات و تیتر، و کنترل جریان جرمی اگزوز برای تعادل دقیق گاز را اضافه می‌کنند.
• عملیات موازی و اتوماسیون:توسعه فرآیند مدرن به ندرت یک مخزن را در یک زمان اجرا می‌کند. سیستم‌های بیوراکتور موازی 4، 8، 16 یا 24 مخزن 0.25-2 لیتری را تحت یک میزبان SCADA واحد، با اختلاط گاز مستقل، تغذیه در هر مخزن، و نمونه‌برداری خودکار ادغام می‌کنند. این امر طراحی آماری آزمایش‌ها را عملی می‌کند: یک فاکتوریل کامل بر روی pH، دما و نرخ تغذیه که 18 ماه در یک مخزن 5 لیتری طول می‌کشد، در سه هفته تکمیل می‌شود. نرم‌افزار باید از سوابق الکترونیکی 21 CFR Part 11، با کنترل دسترسی در سطح کاربر و یک مسیر حسابرسی غیرقابل تغییر پشتیبانی کند.

2. از رومیزی تا کارخانه: قوانین مقیاس‌بندی

مقیاس‌بندی زمانی شکست می‌خورد که مکانیسم کنترل کننده بین مقیاس‌ها تغییر کند. سه معیار برای حفظ عملکرد استفاده می‌شود و معیار صحیح به این بستگی دارد که کدام مکانیسم فرآیند را محدود می‌کند:

• kLa ثابت یا OTR ثابت:برای فرآیندهای میکروبی هوازی که توسط تامین اکسیژن محدود می‌شوند، ضریب انتقال جرم حجمی را ثابت نگه دارید، معمولاً 50-200 h-1. از آنجایی که kLa تقریباً با (P/V)^0.4·(vs)^0.5 مقیاس می‌شود، ثابت نگه داشتن kLa در حالی که حجم 1000 برابر افزایش می‌یابد به این معنی است که توان در حجم کاهش می‌یابد و سرعت گاز سطحی افزایش می‌یابد، بنابراین مخزن بزرگتر با سرعت همزن کمتر اما هوادهی بیشتر کار می‌کند. با اندازه‌گیری kLa در هر دو مقیاس با روش دینامیک گازدهی به جای اعتماد به همبستگی، تأیید کنید.
• توان ثابت در حجم (P/V) یا سرعت نوک پروانه:برای سلول‌های پستاندار و گیاهی حساس به برش، سرعت نوک پروانه را زیر حدود 1.5 متر بر ثانیه و P/V را بین 0.01 و 0.10 کیلووات بر متر مکعب نگه دارید، زیرا آسیب سلولی با نرخ اتلاف انرژی موضعی نزدیک پروانه و نه میانگین مخزن مرتبط است. برای فرآیندهایی که اختلاط ریز کنترل کننده گزینش‌پذیری است، مانند واکنش‌های موازی یا سری سریع، زمان اختلاط یا نرخ اتلاف توربولنت را ثابت نگه دارید، که معمولاً به معنای پذیرش P/V بسیار بالاتر در مخزن کارخانه است.
• زمان اختلاط ثابت و شباهت هندسی:زمان اختلاط در یک مخزن همزن توربولنت تقریباً با معکوس سرعت پروانه ضربدر (D/T)^2 مقیاس می‌شود، بنابراین یک مخزن آزمایشگاهی که در 5 ثانیه مخلوط می‌شود ممکن است در 20000 لیتر به 30-60 ثانیه نیاز داشته باشد. جایی که یک جریان تغذیه بچ تغذیه‌ای، شیب‌های pH یا سوبسترا موضعی ایجاد می‌کند، این تفاوت مهم است: یک جهش غلظت 100 برابری در نقطه تغذیه می‌تواند متابولیسم سرریز را تحریک کند، حتی اگر میانگین مخزن صحیح به نظر برسد. مدل‌های مقیاس‌بندی که شیب مخزن بزرگ را در یک سیستم دو قسمتی رومیزی بازتولید می‌کنند، راه استاندارد برای کاهش ریسک این موضوع قبل از اولین بچ کارخانه هستند.

ماتریس مقایسه کلاس‌های تجهیزات تخمیر و بیوراکتور رومیزی

سوالات متداول (FAQ)

س: تفاوت بین تجهیزات تخمیر رومیزی و بیوراکتور رومیزی چیست؟

پاسخ: در کاتالوگ تجهیزات آزمایشگاهی، این دو نام یک دستگاه را توصیف می‌کنند و فروشندگان بر اساس بازار هدف، برچسب را انتخاب می‌کنند. تخمیر کننده زمانی استفاده می‌شود که ارگانیسم مورد نظر میکروبی باشد و محصول یک متابولیت، زیست‌توده یا الکل باشد. بیوراکتور زمانی استفاده می‌شود که سیستم باید اطمینان استریلیتی بالاتری، کشت سلول پستاندار یا حشره، یا طیف وسیع‌تری از متغیرهای کنترل شده مانند نرخ پرفیوژن، ردوکس، یا چگالی سلول زنده را پشتیبانی کند. در عمل، یک واحد 5 لیتری با مشخصات خوب با فیلتر اگزوز 0.2 میکرومتر، کنترل اکسیژن محلول آبشاری، و پروب‌های pH و DO قابل استریل با بخار، هر دو نقش را بدون تغییر خدمت می‌کند.

س: چگونه بین مخزن شیشه‌ای و مخزن رومیزی استیل ضد زنگ انتخاب کنم؟

پاسخ: مخزن شیشه‌ای قابل اتوکلاو را برای کارهای غربالگری که در آن نیاز به دیدن مایع مغذی، تغییر مکرر هندسه و حفظ هزینه سرمایه پایین دارید، انتخاب کنید، معمولاً 0.5-10 لیتر در فشارهای تا 0.15 مگاپاسکال. استیل ضد زنگ را زمانی انتخاب کنید که نیاز به استریل‌سازی در محل، فشار بالاتر تا 0.35 مگاپاسکال، ادغام CIP، یا هندسه‌ای که از نظر ابعادی با مخزن تولید یکسان است، دارید، که در صورت هدایت داده‌ها به مقیاس‌بندی ضروری است. استیل همچنین حلال‌های تهاجمی، شوری بالا و تمیزکاری مکرر با مواد قلیایی را بدون خطر خوردگی شیشه که به آرامی ترشوندگی و انتقال حرارت را تغییر می‌دهد، تحمل می‌کند.

س: چرا مقیاس‌بندی من حتی با تطابق kLa شکست می‌خورد؟

پاسخ: زیرا kLa یک عدد میانگین مخزن است و سلول یک محیط موضعی را تجربه می‌کند. در 20000 لیتر، زمان اختلاط چندین برابر افزایش می‌یابد، بنابراین جریان‌های تغذیه گلوکز یا باز غلیظ، مناطق گذرا با pH بالا یا اسمولالیته بالا ایجاد می‌کنند که متابولیسم سرریز، تجمع استات یا لاکتات، و کاهش بقا را تحریک می‌کنند. فشار جزئی اکسیژن همچنین با سر هیدرواستاتیک در پایین یک مخزن بلند افزایش می‌یابد، در حالی که جداسازی دی اکسید کربن دشوارتر می‌شود، بنابراین CO2 محلول می‌تواند از 100-150 میلی‌متر جیوه فراتر رود و رشد را مهار کند. بازتولید این شیب‌ها در یک مدل مقیاس‌بندی، سپس تغییر مکان نقطه تغذیه، غلظت تغذیه، یا پیکربندی پروانه، بیشتر این شکست‌ها را برطرف می‌کند.

س: چه تاسیساتی یک سیستم رومیزی نیاز دارد؟

پاسخ: یک واحد شیشه‌ای یا استیل 5 لیتری معمولی به منبع تغذیه تک فاز 220 ولت 1-2 کیلووات، هوای فشرده در 0.3-0.6 مگاپاسکال و 5-20 لیتر در دقیقه، اکسیژن و نیتروژن برای مخلوط کردن گاز در صورت استفاده از غنی‌سازی یا آبشار DO، دی اکسید کربن یا باز و اسید بدون آمونیاک برای کنترل pH، آب سرد در دمای 5-15 درجه سانتیگراد و 2-5 لیتر در دقیقه برای خنک کننده کندانسور و ژاکت، و منبع بخار یا اتوکلاو برای استریل‌سازی نیاز دارد. واحدهای استیل با SIP در محل علاوه بر این به بخار تمیز در 0.25-0.35 مگاپاسکال نیاز دارند. ظرفیت تخلیه و کابینت دود یا ایمنی زیستی معمولاً نادیده گرفته می‌شوند و باید قبل از نصب تأیید شوند.

برچسب‌ها:راکتور استیل ضد زنگ, سیستم راکتور شیمیایی, راکتور شیمیایی صنعتی