Что такое ферментаторы и биореакторы?

Что такое ферментаторы и биореакторы?

Что такое ферментатор или биореактор и для чего он используется?Настольный ферментатор или биореактор - это сосуд для выращивания в лабораторном масштабе с рабочим объемом примерно 0.5-20 л, воспроизводящие контролируемую среду производственного ферментатора на лабораторной скамейкеОн регулирует четыре переменные непрерывно: температуру от 4 до 80°C до ±0,1°C, pH от 2,0 до 12,0 до ±0,01 путем автоматического добавления кислоты и основы,растворенный кислород в диапазоне от 0 до 100% насыщенности воздуха с точностью до ± 1% при каскадном воздействииВ результате перемешивания воздух перемешивается на 50-1200 оборотов в минуту, а воздух, вспыхивающий на 0,1-2,0 ВВМ, дает kLa 20-250 h-1.

1. Конструкционные особенности, определяющие качество данных

Три варианта дизайна отделяют систему, которая производит передаваемые масштабируемые данные от той, которая только выращивает клетки:

• Геометрия судна и двигатель:Для воспроизведения работ требуется геометрическое сходство с производственным сосудом: соотношение высоты к диаметру 2: 1 к 3:1, соотношение диаметра колеса и резервуара 0,33-0.50В большинстве блок-вершины имеют два винта, нижнюю радиальную турбину Руштона для диспергирования газа и верхнюю осевую гидроплаву для массового смешивания.Магнитное соединение от привода двигателя к валю избегает механической уплотнения, который является наиболее распространенным способом утечки и загрязнения в этом масштабе, и позволяет автоклавировать весь сосуд при 121 °C в течение 20-30 минут.
• Пакет датчиков и петли управления:Стандартные приборы включают полярографический или оптический зонд DO, паростерилизуемый электрод pH, заполненный гелем, термометр сопротивления Pt100,и анализатор газов для кислорода и углекислого газаИзмерение газов превращает сосуд в калориметр: OUR и CTR, полученные из баланса входящих и выходящих газов, показывают метаболические сдвиги за несколько часов до их появления в бульоне.Усовершенствованные агрегаты добавляют емкостные зонды для жизнеспособного объема ячейки, Раман или NIR спектроскопия глюкозы, лактата и титра, и контроль массового потока выхлопных газов для точного балансирования газов.
• Параллельная работа и автоматизация:Современные процессовые разработки редко используют один сосуд за раз. Параллельные биореакторы интегрируют 4, 8, 16 или 24 сосуда 0,25-2 л под одним хостом SCADA с индивидуальным смешиванием газов,Кормление на судноЭто делает статистический дизайн экспериментов практичным: полный факториал на pH, температуру,и скорость кормления, которая займет 18 месяцев на одном емкости 5 л, завершается за три неделиПрограммное обеспечение должно поддерживать 21 CFR Часть 11 электронные записи, с контролем доступа на уровне пользователя и неизменным следствием аудита.

2От скамейки до завода: правила масштабирования

Для сохранения производительности используются три критерия, а правильный зависит от того, какой механизм ограничивает процесс:

• Постоянный kLa или постоянный OTR:Для аэробных микробных процессов, ограниченных кислородом, сохраняйте объемный коэффициент передачи массы постоянным, как правило, 50-200 h-1.5, удержание kLa постоянным, в то время как объем увеличивается в 1000 раз, означает, что мощность на объем падает, а скорость поверхностного газа повышается, поэтому большое сосудо работает с более низкой скоростью агитатора, но с более высокой аэрацией.Подтвердить путем измерения kLa на обеих шкалах с помощью метода динамического газификации, а не полагаясь на корреляцию.
• Постоянная мощность на объем (P/V) или скорость наклона:Для чувствительных к сдвигу клеток млекопитающих и растений, держать скорость наконечника ниже около 1,5 м/с и P/V между 0,01 и 0,10 кВт/м3,поскольку повреждение ячейки коррелирует с местной скоростью рассеивания энергии вблизи колеса, а не со средней емкостьюДля процессов, в которых микросмешивание контролирует селективность, таких как быстрые параллельные или серийные реакции, время смешивания или скорость рассеивания турбулентности сохраняются постоянными.что обычно означает принятие гораздо более высокого P/V в растительном сосуде..
• Постоянное время смешивания и геометрическое сходство:Время смешивания в турбулентном смешанном сосуде приблизительно совпадает с обратным временем скорости колеса (D/T) ^ 2, поэтому лабораторному сосуду, который смешивается за 5 с, может потребоваться 30-60 с при 20 000 л.При наличии плена питания в подаваемых партиях создается локальный pH или градиент субстрата, что разница имеет значение: 100-кратный пик концентрации в точке подачи может вызвать метаболизм переполнения, даже если средний показатель сосуда выглядит правильным.Масштабируемые модели, которые воспроизводят градиент большого сосуда в двухкомнатной системе на скамейке, являются стандартным способом снижения риска этого до первой партии завода.

Сравнительная матрица классов ферментатора и биореактора

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос: В чем разница между ферментатором и биореактором?

A: В каталогах лабораторного оборудования оба названия описывают один и тот же инструмент, и поставщики выбирают этикетку на основе целевого рынка.Ферментатор используется, когда предназначенный организм представляет собой микробы, а продукт представляет собой метаболит.Биореактор используется, когда система должна поддерживать более высокую степень стерильности, культуру клеток млекопитающих или насекомых или более широкий диапазон контролируемых переменных, таких как скорость перфузии.окислениеНа практике, хорошо определенный блок 5 л с выхлопным фильтром 0,2 мкм, каскадным контролем растворенного кислорода,и паровые стерилизуемые зонды pH и DO выполняет обе функции без модификации.

Вопрос: Как я могу выбрать между стеклянным сосудом и сосудом из нержавеющей стали?

Ответ: Выбирайте автоклавируемое стекло для фильтрации, где вам нужно видеть бульон, часто менять геометрию и поддерживать низкую стоимость капитала, как правило, 0,5-10 л при давлении до 0,15 МПа.Выбирайте нержавеющую сталь, когда вам нужна стерилизация на месте, более высокое давление до 0,35 МПа, интеграция CIP или геометрия, которая по размеру идентична производственному сосуду, что важно, если данные будут стимулировать масштабирование.Нержавеющая также обрабатывает агрессивные растворители, высокая соленость и повторяющаяся кастическая чистка без риска гравирования стекла, что медленно изменяет увлажнение и теплопередачу.

Вопрос: Почему мой масштаб не работает, даже если KLA совпадает?

Ответ: потому что kLa - это среднее число сосудов, и клетка испытывает локальную среду.поэтому кормовые шлейфы с концентрированной глюкозой или основой создают переходные зоны с высоким рН или высокой осмолальностью, которые запускают метаболизм перетокаЧастичное давление кислорода также повышается с гидростатической головой на дне высокого сосуда, в то время как удаление углекислого газа становится труднее,Таким образом, растворенный CO2 может превышать 100-150 мм рт. ст. и ингибировать ростВоспроизведение этих градиентов в уменьшенной модели, а затем изменение местоположения точки подачи, концентрации подачи или конфигурации винтовки, решает большинство этих сбоев.

Вопрос: Какие утилиты требуются для системы на скамейке?

О: Типичный стеклянный или нержавеющий блок объемом 5 л требует однофазного питания 220 В 1-2 кВт, сжатого воздуха 0,3-0,6 МПа и 5-20 л/мин.кислород и азот для смешивания газов, если используется обогащение или DO каскад, углекислый газ или аммиак свободные основы и кислоты для контроля pH, охлажденная вода при 5-15 °C и 2-5 л/мин для конденсатора и охлаждения жакет, и источник пара или автоклав для стерилизации.Нержавеющие блоки с встроенным SIP дополнительно требуют чистой пары при 0.25-0.35 МПа. Пропускная способность и дымовой шкаф или шкаф биобезопасности обычно игнорируются и должны быть подтверждены до установки.

Тэги:Реактор из нержавеющей стали,Система химического реактора,Промышленный химический реактор