Czym są fermentory i bioreaktory laboratoryjne? Projektowanie, sterowanie i skalowanie w skali laboratoryjnej

Co to są fermentacje i bioreaktory?

Co to jest fermentator lub bioreaktor i do czego służy?Fermentator lub bioreaktor stołowy to naczynie do hodowli na poziomie laboratoryjnym o objętości roboczej około 0.5-20 l, które odtwarza kontrolowane środowisko fermentera produkcyjnego na ławce laboratoryjnejSystem ten reguluje cztery zmienne w sposób ciągły: temperaturę od 4 do 80°C do ±0,1°C, pH od 2,0 do 12,0 do ±0,01 poprzez automatyczne dodawanie kwasów i zasad,rozpuszczony tlen w zakresie od 0 do 100% nasycenia powietrzem z dokładnością do ± 1% poprzez kaskadowe mieszanieZmieszanie obejmuje 50-1200 obrotów na minutę, a powietrze wstrząsające 0,1-2,0 vvm, dając kLa 20-250 h-1.

1. Cechy projektowe, które decydują o jakości danych

Jednostka stołowa jest instrumentem pomiarowym tak samo jak reaktor. Trzy opcje projektowe oddzielają system, który wytwarza przenoszalne dane skali, od tego, który tylko rozwija komórki:

• Geometria statku i pociąg napędowy:Praca odtwarzalna wymaga podobieństwa geometrycznego do zbiornika produkcyjnego: stosunek wysokości do średnicy 2:1 do 3:1, stosunek średnicy obrotowej do zbiornika 0,33-0.50Większość urządzeń stołowych posiada dwa obroty, dolną radialną turbinę Rushtona do dyspersji gazu i górną ośną hydropłotkę do mieszania masowego.Magnetyczne sprzężenie z silnika napędowego do wału unika mechanicznego uszczelnienia, co jest najczęstszą drogą wycieku i zanieczyszczenia w tej skali i pozwala na autoklawizowanie całego zbiornika w temperaturze 121°C przez 20-30 min.
• Zestaw czujników i pętle sterowania:Standardowe urządzenia obejmują polarograficzną lub optyczną sondę DO, elektrodę pH wypełnioną żelem sterylizującym się parą, termometr oporu Pt100,i analizator gazu zewnętrznego dla tlenu i dwutlenku węglaPomiar gazów zewnętrznych przekształca naczynie w kalorymetr: OUR i CTR pochodzące z bilansu gazów wpuszczających i wypuszczających ujawniają zmiany metaboliczne na kilka godzin przed ich pojawieniem się w bulionie.Zaawansowane jednostki dodają sondy pojemnościowe do przydatnej objętości komórki, spektroskopia Ramana lub NIR dla glukozy, laktatu i titru oraz kontrola przepływu masy spalin w celu dokładnego bilansingu gazu.
• Równoległe działanie i automatyzacja:Współczesny rozwój procesów rzadko uruchamia jeden zbiornik naraz.karmienie na statekW ten sposób statystyczne zaprojektowanie eksperymentów staje się praktyczne: pełny współczynnik pH, temperatury,i szybkość podaży, która zajmie 18 miesięcy w pojedynczym zbiorniku o pojemności 5 l, kończy się w ciągu trzech tygodniOprogramowanie musi obsługiwać zapisy elektroniczne 21 CFR część 11, z kontrolą dostępu na poziomie użytkownika i niezmiennym śladem audytu.

2Od ławki do rośliny: zasady rozszerzania

W celu zachowania wydajności stosuje się trzy kryteria, a właściwe zależy od tego, który mechanizm ogranicza proces:

• Stałe kLa lub Stałe OTR:W przypadku procesów mikrobiologicznych o ograniczonej zawartości tlenu należy utrzymywać stały współczynnik objętościowego przeniesienia masy, zazwyczaj 50-200 h-1.5, utrzymywanie kLa w stałym tempie, podczas gdy objętość wzrasta 1000 razy oznacza spadek mocy na objętość, a prędkość gazu powierzchniowego wzrasta, więc duży naczynie działa z niższą prędkością mieszalnika, ale z większą wentylacją.Potwierdzenie poprzez pomiar kLa w obu skalach metodą dynamicznego gazowania zamiast polegać na korelacji.
• Stała moc na objętość (P/V) lub prędkość obrotowa:W przypadku komórek ssaków i roślin wrażliwych na cięcie należy utrzymać prędkość końcówki poniżej około 1,5 m/s, a P/V między 0,01 a 0,10 kW/m3,ponieważ uszkodzenie komórek koreluje z lokalną szybkością rozpraszania energii w pobliżu obrotu, a nie średnią zbiornikaW przypadku procesów, w których mikromiksowanie kontroluje selektywność, takich jak szybkie reakcje równoległe lub szeregowe, utrzymać czas mieszania lub szybkość rozpraszania turbulencji na stałym poziomie.co zazwyczaj oznacza akceptację znacznie wyższego P/V w zbiorniku roślinnym.
• Stały czas mieszania i podobieństwo geometryczne:Czas mieszania w zbiorniku z turbulencją zmienia się w przybliżeniu w zależności od odwrotu czasu obrotu obrotowego obrotu (D/T) ^ 2, więc do zbiornika laboratoryjnego, który miesza się w ciągu 5 s, może być potrzebne 30-60 s przy 20 000 l.W przypadku gdy płumek paszowy z partii wyprodukowanej stwarza lokalne gradienty pH lub podłoża, że ta różnica ma znaczenie: 100-krotny wzrost stężenia w punkcie podawania może wywołać metabolizm przepływu, nawet jeśli średnia naczynia wygląda poprawnie.Modele zredukowane, które odtwarzają gradient dużych naczyń w systemie z dwoma komorami na górze stanowią standardowy sposób na zmniejszenie ryzyka przed pierwszą partią roślin.

Porównanie klas fermentera i bioreaktora

Często zadawane pytania (FAQ)

P: Jaka jest różnica pomiędzy fermentatorem i bioreaktorem?

W katalogach sprzętu laboratoryjnego obie nazwy opisują ten sam instrument, a sprzedawcy wybierają etykietę w oparciu o rynek docelowy.Fermentator jest stosowany, gdy przeznaczony organizm jest mikrobiologiczny, a produkt jest metabolitemBioreaktor jest stosowany w przypadku, gdy system musi obsługiwać wyższą gwarancję bezpłodności, hodowlę komórek ssaków lub owadów lub szerszy zakres kontrolowanych zmiennych, takich jak szybkość perfuzji,redoksW praktyce dobrze określony układ 5 L z filtrem wydechowym o średnicy 0,2 μm, kaskadowy układ kontroli tlenu rozpuszczonego,i parowo sterylizowane sondy pH i DO spełniają obie funkcje bez modyfikacji.

P: Jak wybrać ze szklanego naczynia czy ze stału nierdzewnego?

Odpowiedź: Wybierz szkło autoklawowe do prac przesiewowych, w których trzeba zobaczyć bulion, często zmieniać geometrię i utrzymywać niskie koszty kapitałowe, zazwyczaj 0,5-10 l przy ciśnieniach do 0,15 MPa.Wybierz stal nierdzewną, gdy potrzebujesz sterylizacji na miejscu, wyższe ciśnienie do 0,35 MPa, integracja CIP lub geometria, która jest wymiarowo identyczna z zbiornikiem produkcyjnym, co jest niezbędne, jeśli dane będą napędzać skalę.Nierdzewny również obsługuje agresywne rozpuszczalniki, wysokiej zasolonej zawartości i wielokrotnego czyszczenia kaustycznego bez ryzyka etsu w szkle, który powoli zmienia wilgoć i transfer ciepła.

P: Dlaczego moje rozszerzenie nie działa, nawet jeśli KLA jest dopasowane?

Odpowiedź: Ponieważ kLa jest średnią liczbą naczyń i komórka doświadcza lokalnego środowiska.w związku z tym plumy spożywcze skoncentrowanej glukozy lub bazy tworzą przemijające strefy o wysokim pH lub wysokiej osmoli, które wywołują metabolizm przepływu, akumulacja octanu lub mleka i zmniejszona żywotność. Ciśnienie częściowe tlenu wzrasta również z hydrostatyczną głową na dnie wysokiego naczynia, podczas gdy usunięcie dwutlenku węgla staje się trudniejsze,W związku z tym rozpuszczony CO2 może przekroczyć 100-150 mmHg i hamować wzrostReprodukcja tych gradientów w modelu skalowanym w dół, a następnie zmiana lokalizacji punktu podawania, stężenia podawania lub konfiguracji obrotowej rozwiązuje większość tych awarii.

P: Jakie urządzenia użyteczne wymaga system stołowy?

Odpowiedź: Typowa jednostka ze szkła lub stali nierdzewnej o pojemności 5 l potrzebuje jednofazowego zasilania 220 V o mocy 1-2 kW, sprężonego powietrza w temperaturze 0,3-0,6 MPa i 5-20 l/min,tlen i azot do mieszania gazu, jeżeli stosowane jest wzbogacanie lub kaskada DO, wodę schłodzoną w temperaturze 5-15°C i 2-5 l/min do chłodzenia kondensatora i płaszcza oraz źródło pary lub autoklawę do sterylizacji.Zestawy nierdzewne z wbudowanym SIP dodatkowo wymagają czystej pary w temperaturze 0Pojemność odpływu i szafa z dymem lub bezpieczeństwem biologicznym są zazwyczaj pomijane i powinny być potwierdzone przed instalacją.

/Tags:Reaktor ze stali nierdzewnej,System reaktora chemicznego,Reaktor chemiczny przemysłowy