Co to jest bioreaktor stałego łóżka?

Abioreaktor ze złożem stałym(często oznaczany również jakobioreaktor ze złożem wypełnionym) to biologiczne naczynie produkcyjne, w którym aktywne biokatalizatory — którymi mogą być całe żywe komórki, biofilmy drobnoustrojów lub unieruchomione enzymy — są fizycznie zakotwiczone lub uwięzione w stacjonarnej, stałej warstwie matrycy. Ciekłe pożywki lub gaz substratowy są pompowane w sposób ciągły przez to stacjonarne złoże wypełnienia nośnego.

W przeciwieństwie do systemów z zawieszonymi komórkami, w których komórki swobodnie wirują w bulionie, układ stałego złoża utrzymuje czynniki biologiczne bezpiecznie na swoim miejscu. To wyraźne oddzielenie unieruchomionej biomasy od poruszającej się cieczy umożliwia ciągłe przetwarzanie z dużą prędkością, chroni delikatne typy komórek przed naprężeniami mechanicznymi i umożliwia zbieranie klarownego, wolnego od komórek strumienia produktu bez konieczności oddzielania wirówkami na dalszym etapie.

Bazowa wydajność systemu ze złożem stałym jest podyktowana interakcją pomiędzy dynamiką płynu ciekłego i geometrią statycznych mediów wypełniających.

Uszczelnienie nośne musi zapewniać maksymalną powierzchnię wewnętrzną, zachowując jednocześnie wysoką integralność strukturalną pod obciążeniami hydraulicznymi. Typowe media przemysłowe do wyboru obejmują:

• Makroporowate koraliki ceramiczne i szkło spiekane:Oferują wysoką wytrzymałość na ściskanie i wyjątkową stabilność termiczną podczas sterylizacji parowej.

• Włóknista pianka poliuretanowa lub włókniny z mikrofibry:Zapewniają wysoce połączone puste przestrzenie, które chronią delikatne komórki ssaków podczas hodowli perfuzyjnych o dużej gęstości.

• Koraliki z naturalnego alginianu lub hydrożelu chitozanowego:Wysoce preferowany w przypadku czystych konwersji enzymatycznych lub wrażliwej mikrokapsułkowania.

Inżynierowie konfigurują ścieżkę płynu w oparciu o profil gęstości i wytwarzania gazu w reakcji biologicznej:

• Współprądowy przepływ w dół:Ciecz wpływa z górnej kopuły i porusza się w dół pod wpływem grawitacji. Idealny do prostych konwersji katalitycznych ciecz-ciało stałe, w których nie jest wytwarzana faza gazowa.

• Konfiguracja przepływu w górę:Podłoże pompowane jest z kolektora dolnego w górę wbrew sile grawitacji. To wypychanie do góry zapewnia, że ​​złoże wypełnienia pozostaje całkowicie zanurzone, zapobiega tworzeniu się suchych kanałów i łatwo wypłukuje pęcherzyki gazów metabolicznych ($CO_2$), zanim zdążą utworzyć blokady kieszeni.

Aby poprawnie określić układ zbiornika, zespoły technologiczne analizują działanie złóż stałych w porównaniu z innymi dominującymi archetypami bioreaktorów przemysłowych:

• Wysoka produktywność wolumetryczna:Ponieważ komórki są gęsto skoncentrowane w opakowaniu, a nie rzadko pływają w bulionie, naczynia te mogą osiągnąć gęstość biomasy od 10 do 100 razy większą niż w tradycyjnych systemach wsadowych.

• Przetwarzanie perfuzyjne bez ścinania:Komórki ssaków i owadów nie mają sztywnych ścian komórkowych i łatwo je rozrywać za pomocą mieszadeł mechanicznych. Stałe złoże całkowicie chroni te delikatne komórki w porach strukturalnych matrycy, umożliwiając długotrwałe, ciągłe przetwarzanie perfuzyjne trwające miesiące.

• Uproszczone przetwarzanie końcowe (DSP):Ponieważ biomasa pozostaje fizycznie uwięziona w złożu, płyn wypływający opuszczający zbiornik jest z natury wstępnie klarowany. Eliminuje to potrzebę stosowania drogich, zużywających się wirówek przemysłowych lub jednostek filtracji membranowej przed oczyszczaniem.

• Bariera dyfuzyjna i gradientowa:Gdy płyn przemieszcza się dalej przez gęste, nieruchome złoże, składniki odżywcze i rozpuszczony tlen ($DO$) są wyczerpywane przez początkowe warstwy biomasy. Może to spowodować poważny niedobór składników odżywczych i akumulację toksycznych metabolitów w pobliżu strefy wylotowej, jeśli kolumna jest zbyt długa.

• Spadki ciśnienia i kanałowanie:Z biegiem czasu szybka replikacja komórek może przepełnić szczeliny śródmiąższowe pomiędzy cząstkami upakowania. Ta biologiczna akumulacja zwęża ścieżki płynu, powodując gwałtowny wzrost wewnętrznego spadku ciśnienia (regulowanego przezRównanie Erguna) i zmuszanie płynu do wycinania wąskich „kanałów” w złożu, czyniąc duże fragmenty biomasy niedostępnymi.

Bioreaktory ze złożem stałym muszą wytrzymywać utrzymujące się wewnętrzne ciśnienie hydrauliczne bez uginania się i tworzenia martwych stref sanitarnych:

• Austenityczna stal nierdzewna (SS316L):Ostateczny standard produkcji biofarmaceutycznej (np. przeciwciał monoklonalnych, wektorów wirusowych). Wewnętrzne powierzchnie zwilżane muszą zostać poddane rygorystycznemu szlifowaniu mechanicznemu i elektropolerowaniu, aby zapewnić wykończenie powierzchni na poziomie $R_a le 0,4,mutext{m}$.

• Szkło stopione ze stalą (GFS) i zaawansowane kompozyty:Szeroko stosowane w operacjach środowiskowych na dużą skalę, takich jak oczyszczanie gazów przemysłowych, biofiltracja lotnych związków organicznych (LZO) i miejskie biofiltry nitryfikacyjne. GFS zapewnia ogromną wytrzymałość konstrukcyjną skręcanych na śruby płyt stalowych, niezbędną do budowy wysokich kolumn, w połączeniu z gładką szklaną okładziną, która jest odporna na korozję chemiczną i agresywne osadzanie się kamienia biologicznego.

• Certyfikacja statku:Wszystkie ciśnieniowe jednostki ze stałym złożem muszą być zaprojektowane, śledzone i stemplowane w ścisłej zgodności ze standardowymi wymaganiami dotyczącymi przemysłowych zbiorników ciśnieniowych, w tymASME Sekcja VIII Dział 1lub odpowiedniki regionalne, takie jak europejskiPED.

Czy projektujesz obecnie system ciągłej perfuzji dla produktu biologicznego, czy też musisz obliczyć dokładne współczynniki przenikania masy i dopuszczalne spadki ciśnienia w określonej matrycy wypełnienia?