فرمانترها و بیوراکتورها چه هستند؟ اصول کار، انواع و راهنمای انتخاب

تخمیرکننده ها و بیوراکتورها چه هستند؟ اصول کار، انواع و راهنمای انتخاب

پاسخ به سوال اصلی:تخمیرکننده ها و بیوراکتورها چه هستند و در عمل چه تفاوتی با هم دارند؟تخمیرکننده ظرفی است که میکروارگانیسم هایی مانند مخمر، باکتری یا قارچ را برای تبدیل یک بستر به محصول هدف پرورش می دهد، در حالی که بیوراکتور اصطلاح مهندسی گسترده تری برای هر ظرفی است که از یک واکنش کاتالیز شده بیولوژیکی پشتیبانی می کند، از جمله سیستم های میکروبی هوازی، پستانداران، حشرات، گیاهان و آنزیمی. از نظر سخت افزاری، آنها یک دستگاه یکسان هستند: یک مخزن استریل، مجهز به ابزار دقیق و همزن که دما را در دمای 20-40 درجه سانتیگراد، pH در 3.5-8.0 و اکسیژن محلول را در 20-40٪ اشباع هوا حفظ می کند. حجم های کاری از واحدهای رومیزی 5 لیتری تا مخازن تولید 300,000 لیتری متغیر است و اکسیژن از طریق هوای دمیده شده با سرعت 0.2-1.5 vvm با ضریب انتقال جرم حجمی kLa برابر با 30-200 ساعت-1 تامین می شود.

1. نحوه کار تخمیرکننده ها و بیوراکتورها

هر ظرف کشت چهار وظیفه یکسان را انجام می دهد: حفظ محیط استریل، انتقال اکسیژن و حرارت، همگن نگه داشتن مایع و اجازه کنترل مسیر بیولوژیکی توسط اپراتور. سه مکانیزم تعیین می کنند که آیا این وظایف با موفقیت انجام می شوند:

• انتقال اکسیژن و kLa: سلول های هوازی اکسیژن را با نرخ OUR = QO2·X مصرف می کنند، که در آن QO2 برابر با 2-5 میلی مول O2/g·h و X برابر با 30-80 گرم در لیتر وزن خشک سلول است. ظرف باید این را با OTR = kLa·(C* - CL) مطابقت دهد، که در آن C* تقریباً 7-8 میلی گرم در لیتر برای آب دمیده شده با هوا در فشار 1 اتمسفر و دمای 30 درجه سانتیگراد است. در یک مخزن همزن با سرعت 0.5-1.5 vvm، kLa برابر با 50-200 ساعت-1 معمول است؛ ستون های حبابی با مصرف انرژی بسیار کمتر به 30-120 ساعت-1 می رسند. هنگامی که OTR نمی تواند با OUR همگام شود، کشت به متابولیسم سرریز یا تولید محصول جانبی بی هوازی تغییر می کند و غلظت محصول کاهش می یابد.
• تعادل اختلاط و برش: پره ها باید جامدات را معلق کرده و گاز را بدون از بین بردن سلول ها پراکنده کنند. سرعت حداقل تعلیق از رابطه Zwietering پیروی می کند: Njs = S·(nu^0.1)·(g·(rhos - rhol)/rhol)^0.45·dp^0.2·X^0.13. کشت های باکتریایی و مخمری سرعت نوک 5-7 متر بر ثانیه را تحمل می کنند، در حالی که سلول های پستانداران به 0.5-1.5 متر بر ثانیه و پره های هیدرولیکی با جریان محوری به جای توربین های شعاعی راشتاین نیاز دارند. توان ورودی 0.5-5 کیلووات بر متر مکعب برای تخمیر میکروبی و 0.01-0.10 کیلووات بر متر مکعب برای کشت سلول های حیوانی حساس به برش است.
• استریلیته و تمیز کردن: عملیات آسپتیک به استریلیزاسیون بخار در محل در دمای 121 درجه سانتیگراد به مدت 20-30 دقیقه با کشندگی معادل Fo ≥ 15، فشار مثبت مخزن 0.05-0.10 مگاپاسکال در حین خنک شدن و هوای ورودی فیلتر شده HEPA با اندازه 0.2 میکرومتر بستگی دارد. بین دوره های تولید، تمیز کردن در محل با گردش 0.5-2.0٪ محلول کاستیک در دمای 60-80 درجه سانتیگراد و سپس شستشوی اسیدی انجام می شود، با هدف پرداخت سطح تماس با محصول Ra≤ 0.5 میکرومتر (فولاد ضد زنگ 316L الکتروپولیش شده، ASME-BPE SF4 یا بهتر) به طوری که بار میکروبی باقی مانده کمتر از 1 CFU/25 سانتی متر مربع باشد.

2. انواع اصلی و نحوه انتخاب یکی

انتخاب با توجه به ارگانیسم، سپس تقاضای اکسیژن، تحمل برش و کلاس استریلیته مورد نیاز آغاز می شود. چهار پیکربندی اکثر وظایف صنعتی را پوشش می دهند:

• راکتور مخزن همزن (STR): انتخاب پیش فرض برای اکثر تخمیرهای میکروبی و کشت سلولی. یک مخزن 316L با یک تا چهار پره با نسبت قطر پره به مخزن 0.33-0.50، چهار بافل در T/10 و یک اسپارژر حلقوی یا میکرو. این دستگاه kLa برابر با 50-200 ساعت-1 را ارائه می دهد و ویسکوزیته تا حدود 5000 سانتی پویز را با پره های مارپیچ یا لنگری مدیریت می کند. حجم ها از 5 لیتر تا 200,000 لیتر متغیر است و این تنها پیکربندی است که به طور تمیز از آزمایشگاه به کارخانه مقیاس بندی می شود.
• ستون حبابی و ایرلیفت: بدون همزن مکانیکی؛ اختلاط و انتقال جرم از گاز در حال صعود با سرعت سطحی 0.02-0.10 متر بر ثانیه حاصل می شود. ایرلیفت یک لوله کشش اضافه می کند که گردش منظم را ایجاد می کند و اختلاط بهتری را با انرژی کم فراهم می کند. این مخازن برای قارچ های رشته ای، سلول های گیاهی، پروتئین تک سلولی و حجم های بسیار بزرگ (تا 300,000 لیتر) که هزینه شفت همزن و آب بندی آن ها سرسام آور می شود، مناسب هستند. مصرف انرژی 30-50٪ کمتر از STR معادل است.
• بیوراکتور یکبار مصرف: یک کیسه پلیمری چند لایه که با اشعه گاما استریل شده است (USP Class VI، بدون مشتقات حیوانی) در داخل یک پوسته پشتیبان فولاد ضد زنگ، معمولاً 50-2000 لیتر. این دستگاه اعتبارسنجی تمیز کردن را به طور کامل حذف می کند و زمان تغییر دوره تولید را از روزها به ساعت ها کاهش می دهد، که برای تاسیسات CDMO چند محصولی تعیین کننده است. معامله متقابل آن فشار محدود (معمولاً کمتر از 0.05 مگاپاسکال گیج)، سقف kLa پایین تر، و هزینه مصرفی تکراری به علاوه مطالعات استخراج و نشت تحت USP است.<665>و<1665>.
• تخمیرکننده های حالت جامد و بی هوازی: واحدهای حالت جامد قارچ ها را بر روی بستر ذرات مرطوب با هوای مرطوب اجباری به جای فاز مایع آزاد پرورش می دهند، که برای آنزیم ها، کوجی و کمپوست استفاده می شود. تخمیرکننده های بی هوازی برای تولید اتانول، بیوگاز و حلال، دمیدن هوا را به طور کامل حذف می کنند و در عوض تکامل CO2، کف و حذف حرارت را در دمای 30-38 درجه سانتیگراد مدیریت می کنند و به همزن آهسته و خنک کننده خارجی برای نگه داشتن مایع در محدوده ±1 درجه سانتیگراد متکی هستند.

ماتریس مقایسه انواع تخمیرکننده و بیوراکتور

نوع مخزن	مکانیزم اختلاط	حجم کاری	کاربرد غالب
راکتور مخزن همزن (STR)	پره های مکانیکی، 0.5-5 کیلووات بر متر مکعب	5 لیتر - 200,000 لیتر	تخمیر میکروبی، کشت سلولی
ستون حبابی / ایرلیفت	گردش القایی با گاز، 30-120 ساعت-1	500 لیتر - 300,000 لیتر	قارچ، پروتئین تک سلولی، پساب
بیوراکتور یکبار مصرف	پره کیسه یا حرکت تکان دهنده	50 لیتر - 2,000 لیتر	GMP بالینی و چند محصولی
حالت جامد / بی هوازی	هوای مرطوب اجباری یا پاروی آهسته	1 متر مکعب - 100 متر مکعب	آنزیم ها، اتانول، بیوگاز

سوالات متداول (FAQ)

س: آیا تخمیرکننده همان بیوراکتور است؟

پاسخ: دقیقاً نه، اگرچه سخت افزار تقریباً کاملاً همپوشانی دارد. تخمیرکننده اصطلاح سنتی برای ظرفی است که تبدیل میکروبی مانند اتانول، اسید لاکتیک، زیست توده مخمر یا آنتی بیوتیک ها را انجام می دهد و اغلب به معنای فرآیند بی هوازی یا میکرو هوازی است. بیوراکتور اصطلاح مهندسی گسترده تری است که هر ظرفی را که یک کاتالیزور بیولوژیکی را حفظ می کند، از جمله کشت میکروبی هوازی، کشت سلول پستانداران و حشرات، سوسپانسیون سلول های گیاهی، بستر آنزیم های تثبیت شده و سیستم های بیوفیلم فاضلاب را پوشش می دهد. در خرید، تفاوت عملی در برگه مشخصات ظاهر می شود: سفارش بیوراکتور معمولاً نیازمند پرداخت سطح دقیق تر، ابزار دقیق بیشتر و مستندات اعتبارسنجی رسمی است.

س: به چه اندازه تخمیرکننده یا بیوراکتور نیاز دارم؟

پاسخ: اندازه را بر اساس خروجی سالانه مورد نیاز تعیین کنید، نه از کاتالوگ مخزن. از جرم محصول سالانه به عقب کار کنید، بر غلظت محصول (به عنوان مثال 80-150 گرم در لیتر برای اسیدهای آمینه، 3-10 گرم در لیتر برای آنتی بادی های مونوکلونال) و تعداد بچ ها در سال تقسیم کنید، سپس از حجم کاری استفاده کنید که 70-80٪ از کل حجم مخزن باشد تا فضای سر برای کف و جدا شدن گاز باقی بماند. یک مخزن با حجم کاری 10,000 لیتر که در یک چرخه 48 ساعته با 85٪ در دسترس بودن برنامه ریزی اجرا می شود، تقریباً 150 بچ در سال تولید می کند. همیشه تأیید کنید که اندازه انتخاب شده می تواند در هوای موجود و توان همزن به kLa هدف برسد.

س: چه ماده و پرداخت سطحی باید مشخص شود؟

پاسخ: برای کاربردهای غذایی، نوشیدنی و دارویی، فولاد ضد زنگ 316L با کربن کم (کمتر از 0.03٪) و گوگرد کم را برای تضمین نفوذ جوش پایدار، پرداخت مکانیکی و الکتروپولیش شده تا Ra≤ 0.5 میکرومتر، با اتصالات جوش مداری و گیره ASME-BPE یا اتصالات جوش لب به لب مشخص کنید. برای مایعات بسیار خورنده حاوی کلرید بیش از حدود 100 ppm، یا برای شیمی CIP تهاجمی، به 904L، duplex 2205، یا تیتانیوم گرید 2 بروید. سرویس اتانول صنعتی یا تصفیه فاضلاب می تواند از 304L با پرداخت آسیاب استفاده کند که هزینه سرمایه را به طور قابل توجهی کاهش می دهد بدون اینکه بر بازده تأثیر بگذارد.

س: راه اندازی یک خط تخمیر جدید چقدر طول می کشد؟

پاسخ: برای یک خط فولاد ضد زنگ آماده به کار، از زمان انتشار سفارش تا اولین بچ تولید، 10-14 ماه انتظار داشته باشید: تقریباً 4-6 ماه برای مهندسی دقیق و ساخت، 2-3 ماه برای تست پذیرش کارخانه، حمل و نقل و نصب، و 2-3 ماه برای تست پذیرش سایت، اتصال تاسیسات، و صلاحیت DQ/IQ/OQ/PQ به علاوه سه اجرای متوالی موفقیت آمیز صلاحیت عملکرد فرآیند. اسکیدهای یکبار مصرف این زمان را به 5-8 ماه فشرده می کنند زیرا اعتبارسنجی تمیز کردن و راه اندازی سیستم CIP/SIP از مسیر بحرانی حذف می شوند.