|
เครื่องปฏิกรณ์หมักคืออะไร? การออกแบบ หลักการ และการประยุกต์ใช้
ถังปฏิกรณ์หมักสแตนเลส
,หลักการออกแบบถังปฏิกรณ์หมัก
,การประยุกต์ใช้เครื่องปฏิกรณ์หมัก
เครื่องปฏิกรณ์หมักคืออะไร? การออกแบบ หลักการ และการใช้งาน
ตอบคำถามหลัก:เครื่องปฏิกรณ์หมักคืออะไร และมันเติบโตจุลินทรีย์ให้เป็นสารชีวเคมีที่มีคุณค่าได้อย่างไร? เครื่องปฏิกรณ์หมักเป็นภาชนะที่ปลอดเชื้อและมีอากาศ ซึ่งเพาะเลี้ยงแบคทีเรีย ยีสต์ หรือเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมภายใต้การควบคุมอุณหภูมิ (30-37 องศาเซลเซียส) ค่า pH (5-7.5) และออกซิเจนละลายน้ำ (DO สูงกว่า 30 เปอร์เซ็นต์ของการอิ่มตัว) การกวนด้วยเครื่องจักรที่ 50-200 รอบต่อนาที พร้อมอากาศที่ถูกพ่นเข้าไป ให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวลเชิงปริมาตร kLa ที่ 50-400 ต่อชั่วโมง ทำให้มีความหนาแน่นของเซลล์สูงกว่า 10^9 CFU/mL หน่วยอุตสาหกรรมมีตั้งแต่ถังนำร่องขนาด 0.5 ลบ.ม. ไปจนถึงเครื่องปฏิกรณ์การผลิตขนาด 300 ลบ.ม. ผลิตยาปฏิชีวนะ เอนไซม์ เบียร์ และไบโอเอทานอล ด้วยผลผลิตการแปลงสารตั้งต้น 80-95 เปอร์เซ็นต์
หลักการทำงานหลักของเครื่องปฏิกรณ์หมัก
- **การควบคุมการเติมอากาศและ kLa:** อากาศที่ถูกพ่นเข้าไปโดยปราศจากน้ำมัน บวกกับแรงเฉือนของใบพัด กำหนดค่า kLa (50-400 ต่อชั่วโมง); โพรบ DO จะป้อนข้อมูลกลับไปยังการไหลของอากาศและการกวน เพื่อให้การหายใจไม่ถูกขัดขวาง
- **การทำงานแบบปลอดเชื้อ (SIP/CIP):** การนึ่งด้วยไอน้ำที่อุณหภูมิ 121-134 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 20-30 นาที จะทำให้ภาชนะปลอดเชื้อ; ตัวกรองปลอดเชื้อ (0.2 ไมโครเมตร) จะป้องกันอากาศขาเข้าและไอเสีย
- **การตรวจสอบเมแทบอลิซึม:** ค่า pH, DO, ก๊าซไอเสีย O2/CO2 (OUR/CPR) แบบออนไลน์ และปั๊มป้อนอาหาร จะนำไปใช้ในการควบคุมแบบ fed-batch เพื่อป้องกันการยับยั้งสารตั้งต้น
ประเภทหลักของเครื่องปฏิกรณ์หมัก
- **เครื่องปฏิกรณ์แบบถังผสมเติมอากาศ:** ใบพัด Rushton หรือ HE-3 ในสแตนเลสขนาด 0.5-300 ลบ.ม.; เป็นเครื่องมือหลักสำหรับยาปฏิชีวนะ ยีสต์ และโปรตีนเซลล์เดี่ยว
- **เครื่องปฏิกรณ์แบบ Air-Lift:** คอลัมน์ฟองอากาศพร้อมท่อดึงภายใน; แรงเฉือนต่ำ เหมาะสำหรับเซลล์พืชและวัฒนธรรมไมซีเลียมที่มีค่า kLa 50-150 ต่อชั่วโมง
- **เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเมมเบรน / เส้นใยกลวง:** การกักเก็บเซลล์แบบต่อเนื่องสำหรับวัฒนธรรมสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและการเพาะเลี้ยงแบบต่อเนื่องที่ต้องการการเจริญเติบโตที่อ่อนโยนและมีความหนาแน่นสูง
ตารางเปรียบเทียบประเภทเครื่องปฏิกรณ์หมัก
| ประเภทเครื่องปฏิกรณ์หมัก | การกวน | ช่วงขนาด | ค่า kLa / DO ทั่วไป |
|---|---|---|---|
| ถังผสม | Rushton/HE-3 แบบกลไก | 0.5-300 ลบ.ม. | kLa 100-400/ชม., DO>30% |
| Air-Lift | แบบนิวแมติก (ไม่มีเพลา) | 1-200 ลบ.ม. | kLa 50-150/ชม., แรงเฉือนต่ำ |
| เส้นใยกลวง | การเพาะเลี้ยงแบบต่อเนื่อง, เมมเบรน | 0.01-10 ลบ.ม. | ความหนาแน่นของเซลล์สูง, อ่อนโยน |
| แบบตรึง | แบบหยด / บรรจุ | 0.1-50 ลบ.ม. | เซลล์ตรึง |
คำถามที่พบบ่อย (FAQ)
ถาม: kLa คืออะไร และทำไมจึงมีความสำคัญ?
ตอบ: kLa คือสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวลเชิงปริมาตรที่อธิบายว่าออกซิเจนเข้าสู่ของเหลวได้เร็วแค่ไหน; kLa ไม่เพียงพอจะทำให้เซลล์ขาดสารอาหาร ลดอัตราการเจริญเติบโต mu และปริมาณผลิตภัณฑ์
ถาม: เครื่องปฏิกรณ์หมักจะรักษาความปลอดเชื้อได้อย่างไร?
ตอบ: การนึ่งด้วยไอน้ำ (SIP) จะทำให้ภาชนะและท่อปลอดเชื้อที่อุณหภูมิ 121-134 องศาเซลเซียส ในขณะที่ตัวกรองแบบไม่ชอบน้ำขนาด 0.2 ไมโครเมตร หรือ HEPA จะทำให้การไหลของอากาศขาเข้าปลอดเชื้อและดักจับไอเสีย ป้องกันการปนเปื้อน
ถาม: การหมักแบบ fed-batch คืออะไร?
ตอบ: มีการเติมสารอาหารทีละน้อยแทนที่จะเติมทั้งหมดในครั้งเดียว เพื่อหลีกเลี่ยงความเข้มข้นของสารตั้งต้นสูงที่ยับยั้งเซลล์ และเพิ่มผลผลิตสุดท้ายเป็น 80-95 เปอร์เซ็นต์
ถาม: เครื่องปฏิกรณ์หมักชนิดใดที่เหมาะกับเซลล์ที่ไวต่อแรงเฉือนมากที่สุด?
ตอบ: เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบ Air-lift และเส้นใยกลวง ให้การผสมแบบขับเคลื่อนด้วยฟองอากาศหรือแบบเมมเบรนที่มีแรงเฉือนต่ำ เหมาะสำหรับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและเซลล์พืช
