Что такое промышленный биореактор?

Отвечая на главный вопрос:Что такое промышленный биореактор и как он поддерживает биологические реакции в производственном масштабе?Промышленный биореактор - это сосуд, предназначенный для поддержки биологических реакций с использованием микроорганизмов (бактерий, дрожжей, грибов), клеток млекопитающих,или растительных клеток для преобразования субстратов в ценные продукты, такие как антибиотики.В отличие от химических реакторов, которые работают при высоких температурах и давлениях, биореакторы работают в умеренных условиях (20-40°C,атмосферного давления до 2 бар), но требуют строгих асептических условий., точное снабжение кислородом и тщательный контроль состава питательных веществ, pH и сдвигательного напряжения для поддержания жизнеспособности и производительности клеток.

1Основные принципы работы промышленных биореакторов

·** Асептическое проектирование и стерилизация **Биореакторы должны предотвращать загрязнение нежелательными микроорганизмами, которые конкурируют с производственным организмом за питательные вещества или производят токсины.Стерилизация сосуда с использованием пара на месте (SIP) при температуре 121°C в течение 30 минут (достижение SAL 10−3) перед прививкой.Все проникновения (волокно агитатора, датчики, порты для отбора проб) используют двойные механические уплотнения или блокированные паровыми соединениями.и все трубопроводы используют санитарные фитинги зажима (ASME BPE) без мертвых ног, где загрязняющие вещества могут содержаться.

·** Передача кислорода и kLa**Аэробные микроорганизмы требуют растворенного кислорода для метаболизма. Скорость передачи кислорода (OTR = kLa × (C* − C)) должна превышать скорость поглощения кислорода (OUR = qO2 × X,где qO2 - специфическая скорость поглощения и X - плотность клеток)Промышленные биореакторы с перемешиваемым резервуаром достигают кЛА 50 300 h−1 с использованием турбинных витков Руштона при 100 400 оборотах в минуту при воздушном свертывании 0,5 2 ввм (объемы воздуха на объем жидкости в минуту).Недостаточная kLa ограничивает плотность и производительность клеток.

·** Производство и удаление тепла**При плотности клеток 50 г/л (сухое вес) со скоростью роста 0,3 h−1, скорость генерации тепла составляет 10 ‰ 40 кВт/м3.Это тепло удаляется внешними жилетами (для реакторов < 5 м3)., полутрубные катушки (550 м3) или внутренние охлаждающие баффлы (> 50 м3).как отклонения от 2 ≈ 3 ° C могут уменьшить скорость роста клеток на 50% или вызвать стрессовые реакции.

2Основные типы промышленных биореакторов

·**Биореактор с подвижным резервуаром (STR) **Промышленный стандарт: цилиндрическая емкость (от 50 л до 50 м3) с дно- или верхне-монтированным агитатором, многоступенчатыми руштонскими или осевыми винтами, воздушным разблокировщиком и охлаждающей крышкой или катушками.Обеспечивает отличное смешивание и передачу кислорода (kLa 50 ≈ 300 h−1)Используется для антибиотиков (пенициллина, цефалоспорина), ферментов, рекомбинантных белков (инсулина, антитела) и органических кислот (цитрусовая, молочная).Конструкция из нержавеющей стали 316L с электрополированным внутренним отделением (Ra < 00,8 мкм) для соответствия GMP.

·**Биореактор воздушного транспорта**Высокий сосуд (H/D > 6) разделен на подъемную и нисходящую секции.Обеспечивает более низкое напряжение на скольжение (1050 с−1) и более простую конструкцию (без уплотнения вала) по сравнению с STR. Передача кислорода ниже (kLa 20?? 80 h−1), что ограничивает плотность клеток. Используется для культуры клеток растений, нитевидных грибов и чувствительных к сдвигу микроорганизмов в объемах 5?? 500 м3.

·**Фотобиореактор**Прозрачный сосуд (стеклянные трубки или плоские панели), предназначенный для подачи света фотосинтетическим микроорганизмам (микроводоросли, цианобактерии).и свет/темный цикл контролируются для оптимизации эффективности фотосинтеза. Достигает производительности биомассы 1 ‰ 5 г/м2/день. Используется для нутрицеутиков (астаксантина, омега-3), биотоплива и улавливания CO2 в объемах 1 ‰ 100 м3.

Типы промышленных биореакторов Сравнительная матрица

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем разница между биореактором и химическим реактором?

Биореакторы поддерживают биологические реакции с использованием живых клеток в качестве катализаторов, работающих в умеренных условиях (20-40 ° C, давление около атмосферного) с строгими требованиями стерильности.Химические реакторы поддерживают химические реакции с использованием химических катализаторов (или без катализатора), работающие при более широком диапазоне температур (-50-800°C) и давлениях (1-3500 бар) без требований стерильности.и управление сдвигом; химические реакторы сосредоточены на передаче тепла/массы, сдерживании давления и кинетике реакции.

Что такое kLa и почему он имеет решающее значение в разработке биореактора?

kLa (объемный коэффициент переноса кислорода) является ключевым параметром, измеряющим, насколько эффективно биореактор переносит кислород из газовых пузырей в жидкую фазу.Он определяет максимальную плотность клеток, достижимую: если OTR (kLa × движущая сила) меньше OUR (потребление кислорода в клетке), культура становится кислородоограниченной и рост прекращается.,воздушная переправа (20 ‰ 80 h−1).

Как стерилизуют промышленные биореакторы?

Стандартным методом является использование чистого пара при температуре 121°C в течение 30 минут, достигая уровня обеспечения стерильности 10−3 (вероятность выживания одного загрязнителя на 1000 единиц).Для теплочувствительных материалов, используется фильтрующая стерилизация (абсолютная фильтрация 0,2 мкм).Большие биореакторы (>5 м3) могут требовать длительного времени стерилизации или фракционной стерилизации (тиндализации) для обеспечения проникновения тепла на все поверхностиПосле SIP сосуд поддерживается под положительным давлением с стерильным фильтрованным воздухом, чтобы предотвратить повторное загрязнение.

Какова максимальная плотность клеток, достижимая в промышленном биореакторе?

При микробиологической ферментации с подачей в партии (E. coli, дрожжи) плотность клеток 50-150 г/л сухой массы достигается при обогащении кислородом воздуха и оптимизированном питании.При перфузии культура клеток млекопитающих с удержанием клетокВ реакторах с полыми волокнами клетки могут достигать 1 ‰ 5 ‰ 108 клеток/мл. Практический предел устанавливается путем переноса кислорода, удаления тепла и побочного продукта (CO2,лактаты, аммиака) накопление.