Co to jest bioreaktor zbiornikowy?

Bioreaktor zbiornikowy z mieszadłem (STR) — określany także w przetwarzaniu ciągłym jako reaktor zbiornikowy z ciągłym mieszaniem (CSTR) — to zamknięte, zaprojektowane naczynie, w którym wykorzystuje się wewnętrzny, napędzany silnikiem mechaniczny układ mieszania w celu utrzymania całkowicie jednorodnego środowiska dla reakcji biologicznych lub chemicznych. Zwykle skonfigurowany jako pionowy cylinder z wypukłym lub półkulistym dnem, STR jest podstawowym koniem pociągowym światowych sektorów biotechnologii, farmaceutyki i fermentacji przemysłowej.

W przeciwieństwie do pasywnych układów pneumatycznych, STR opiera się na centralnym wale obrotowym wyposażonym w jeden lub więcej zaprojektowanych wirników. Mechaniczny obrót tych ostrzy aktywnie rozprowadza składniki odżywcze, rozbija pęcherzyki gazu na drobne dyspersje, aby zoptymalizować objętościowy współczynnik przenikania tlenu (k_L a) i zapobiega stratyfikacji termicznej lub osiadaniu komórek. Ten aktywny profil mieszania zapewnia, że ​​każda strefa w zbiorniku utrzymuje identyczną temperaturę, pH, stężenie substratu i poziom rozpuszczonego tlenu.

Aby osiągnąć równomierne mieszanie bez niszczenia katalizatorów biologicznych, inżynierowie muszą precyzyjnie skalibrować wewnętrzne elementy konstrukcyjne statku:

Wirnik jest głównym źródłem energii kinetycznej. Wybór zależy w dużym stopniu od tolerancji na ścinanie i lepkości kultury:

• Turbiny Rushton (przepływ promieniowy):Płaskie ostrza zamontowane pionowo na dysku. Wypychają płyn na zewnątrz w kierunku ścian zbiornika, tworząc strefy wysokiego ścinania. Dzięki temu są wyjątkowo skuteczne w rozcinaniu strumieni gazu w mikroskopijne pęcherzyki w przypadku fermentacji tlenowych o dużym zapotrzebowaniu (np. bakterii i drożdży).

• Śmigła i wodoloty morskie (przepływ osiowy):Zakrzywione łopatki pompują płyn w dół równolegle do wału, tworząc pętle makromieszania o niskim ścinaniu. Są one wysoce specyficzne dla linii komórkowych wrażliwych na ścinanie, takich jak hodowle ssaków.

Bez korekty szybko obracający się centralny wirnik tworzy ogromny wir cieczy, powodując wirowanie płynu jako ciało stałe i zmniejszając rzeczywistą wydajność mieszania. Aby zakłócić ten przepływ obrotowy, producenci instalują 4 pionowe płyty, zwane przegrodami, rozmieszczone symetrycznie wzdłuż wewnętrznej ściany. Przegrody przekształcają energię obrotową w turbulentne osiowe i promieniowe prądy składania, eliminując martwe strefy.

Pierścień rozpryskujący lub mikroporowata dysza, umieszczona bezpośrednio pod najniższym wirnikiem, wprowadza sterylne powietrze lub tlen. Gwałtowne działanie dolnego wirnika natychmiast odcina napływający strumień gazu, maksymalizując obszar granicy powierzchni gaz-ciecz.

Skalowanie zbiornika z mieszadłem z laboratoryjnej jednostki pilotowej do wielotonowego układu przemysłowego wymaga zarządzania dynamiką płynów i poborem mocy. Pobór mocy bez gazu (P) przez STR pracujący w trybie całkowicie turbulentnym oblicza się przy użyciu bezwymiarowej liczby mocy

Wyzwanie zwiększania skali:Ponieważ pobór mocy wzrasta do piątej potęgi średnicy wirnika (D_i^5), podwojenie rozmiaru wirnika wymaga 32 razy większej mocy przy identycznych prędkościach obrotowych. W związku z tym inżynierowie przemysłowi muszą zrównoważyć prędkość końcówki, aby uniknąć śmiertelnych naprężeń ścinających, jednocześnie upewniając się, że naczynie utrzymuje wystarczająco wysokie k_L a, aby zapobiec wyczerpaniu się tlenu.

Aby uzasadnić wydatki kapitałowe na mechaniczny STR, zespoły ds. zakupów inżynieryjnych porównują jego wydajność z projektami wież pasywnych:

Naprężenia mechaniczne generowane przez ciężkie wirniki i silniki o wysokim momencie obrotowym wymagają solidnych standardów konstrukcji statków:

• Pasywowana austenityczna stal nierdzewna (SS316L):Obowiązkowa selekcja dla biotechnologii farmaceutycznej i ultraczystej biotechnologii klinicznej. Wewnętrzne powierzchnie są elektropolerowane do ultra gładkiego wykończenia (R_a le 0.4,mutext{m}), aby wyeliminować biologiczne punkty przylegania i zapewnić pełną skuteczność czyszczenia na miejscu (CIP).

• Technologia łączenia szkła ze stalą (GFS):Bardzo preferowany w zastosowaniach przemysłowych na dużą skalę, gdzie mieszanie mechaniczne łączy się z ogromnymi objętościami. Przykłady obejmują przemysłowe instalacje do fermentacji beztlenowej, wielkoskalowe instalacje CSTR do oczyszczania ścieków komunalnych i układy masowej syntezy chemicznej. Panele GFS zapewniają ogromną wytrzymałość na rozciąganie wymaganą do wytrzymania dynamicznych naprężeń hydraulicznych związanych z mieszaniem wewnętrznym na dużą skalę, w połączeniu z obojętną okładziną szklaną, która zapobiega korozji chemicznej i zużyciu ściernemu spowodowanemu przez zawieszone ciała stałe.

• Standardy inżynieryjne:Wszystkie komercyjne jednostki STR muszą spełniać rygorystyczne przepisy projektowe, w tym ASME sekcja VIII dział 1 (lub lokalne odpowiedniki, takie jak PED lub GB/T 150), aby zapewnić bezpieczną pracę pod wewnętrznym ciśnieniem gazu i dynamicznym obciążeniem mieszania.

Czy projektujesz obecnie nową rozbudowę piwnicy komórkowej lub potrzebujesz pomocy w określeniu idealnej konfiguracji wirnika i obciążenia chłodzącego dla bulionu o dużej lepkości?