เครื่องหมักและเครื่องปฏิกิริยาชีวภาพคืออะไร หลักการทํางาน ประเภทและคู่มือการเลือก

เฟอร์เมนเตอร์และไบโอรีแอคเตอร์คืออะไร หลักการทำงาน ประเภท และคู่มือการเลือก

ตอบคำถามหลัก:เฟอร์เมนเตอร์และไบโอรีแอคเตอร์คืออะไร และมีความแตกต่างกันอย่างไรในการใช้งานจริง? เฟอร์เมนเตอร์คือภาชนะที่ใช้เพาะเลี้ยงจุลินทรีย์ เช่น ยีสต์ แบคทีเรีย หรือเชื้อรา เพื่อเปลี่ยนสารตั้งต้นให้เป็นผลิตภัณฑ์เป้าหมาย ในขณะที่ไบโอรีแอคเตอร์เป็นคำศัพท์ทางวิศวกรรมที่กว้างกว่าสำหรับภาชนะใดๆ ที่รองรับปฏิกิริยาที่เร่งด้วยชีวภาพ รวมถึงระบบจุลินทรีย์แบบใช้ออกซิเจน ระบบเซลล์สัตว์ ระบบเซลล์แมลง ระบบเซลล์พืช และระบบเอนไซม์ ในแง่ของฮาร์ดแวร์ ทั้งสองเป็นเครื่องจักรเดียวกัน: ถังที่ปลอดเชื้อ มีเครื่องมือวัด มีการกวน รักษาอุณหภูมิที่ 20-40°C, pH ที่ 3.5-8.0 และออกซิเจนละลายน้ำที่ 20-40% ของความอิ่มตัวของอากาศ ปริมาตรการทำงานมีตั้งแต่หน่วยตั้งโต๊ะขนาด 5 ลิตร ไปจนถึงภาชนะการผลิตขนาด 300,000 ลิตร และออกซิเจนจะถูกส่งผ่านอากาศที่พ่นออกด้วยอัตรา 0.2-1.5 vvm โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวลเชิงปริมาตร kLa ที่ 30-200 h-1

1. เฟอร์เมนเตอร์และไบโอรีแอคเตอร์ทำงานอย่างไร

ภาชนะเพาะเลี้ยงทุกชนิดมีหน้าที่เหมือนกันสี่ประการ: รักษาความปลอดเชื้อ ถ่ายเทออกซิเจนและความร้อน ทำให้ของเหลวเข้ากัน และช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานควบคุมวิถีชีวภาพได้ กลไกสามประการเป็นตัวกำหนดว่ามันจะประสบความสำเร็จหรือไม่:

• การถ่ายเทออกซิเจนและ kLa: เซลล์ที่ใช้ออกซิเจนจะบริโภคออกซิเจนในอัตรา OUR = QO2·X โดยที่ QO2 คือ 2-5 mmol O2/g·h และ X คือ 30-80 g/L น้ำหนักเซลล์แห้ง ภาชนะต้องจับคู่อัตรานี้ด้วย OTR = kLa·(C* - CL) โดยที่ C* ประมาณ 7-8 mg/L สำหรับน้ำที่พ่นอากาศที่ 1 atm และ 30°C ในถังที่มีการกวนที่ 0.5-1.5 vvm ค่า kLa ที่ 50-200 h-1 เป็นค่าปกติ คอลัมน์ฟองอากาศสามารถทำได้ถึง 30-120 h-1 โดยใช้พลังงานต่ำกว่ามาก เมื่อ OTR ไม่สามารถตามทัน OUR ได้ วัฒนธรรมจะเปลี่ยนไปสู่เมแทบอลิซึมแบบล้นหรือการสร้างผลิตภัณฑ์พลอยได้แบบไม่ใช้ออกซิเจน และปริมาณจะลดลง
• สมดุลการผสมและการเฉือน: ใบพัดต้องแขวนลอยของแข็งและกระจายก๊าซโดยไม่ทำลายเซลล์ ความเร็วที่แขวนลอยพอดีเป็นไปตามความสัมพันธ์ Zwietering Njs = S·(nu^0.1)·(g·(rhos - rhol)/rhol)^0.45·dp^0.2·X^0.13 วัฒนธรรมแบคทีเรียและยีสต์ทนต่อความเร็วปลายใบพัดที่ 5-7 m/s ในขณะที่เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมต้องการ 0.5-1.5 m/s และใบพัดแบบไหลตามแนวแกนแทนใบพัดแบบรัศมี Rushton กำลังอินพุตคือ 0.5-5 kW/m3 สำหรับการหมักจุลินทรีย์ และ 0.01-0.10 kW/m3 สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์ที่ไวต่อการเฉือน
• ความปลอดเชื้อและการทำความสะอาด: การปฏิบัติการแบบปลอดเชื้อขึ้นอยู่กับการฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำในสถานที่ที่อุณหภูมิ 121°C เป็นเวลา 20-30 นาที โดยมีค่าความตายเทียบเท่า Fo ≥ 15, แรงดันภาชนะเป็นบวก 0.05-0.10 MPa ระหว่างการทำความเย็น และอากาศจ่ายผ่าน HEPA filter ขนาด 0.2 ไมโครเมตร ระหว่างการผลิต การทำความสะอาดในสถานที่ (CIP) จะหมุนเวียนสารละลายด่าง 0.5-2.0% ที่อุณหภูมิ 60-80°C ตามด้วยการล้างด้วยกรด โดยมีเป้าหมายพื้นผิวสัมผัสผลิตภัณฑ์ที่ Ra <= 0.5 ไมโครเมตร (ขัดเงาด้วยไฟฟ้า 316L, ASME-BPE SF4 หรือดีกว่า) เพื่อให้ปริมาณจุลินทรีย์ตกค้างต่ำกว่า 1 CFU/25 ตร.ซม.

2. ประเภทหลักและวิธีการเลือก

การเลือกเริ่มต้นจากสิ่งมีชีวิต จากนั้นจึงพิจารณาความต้องการออกซิเจน ความทนทานต่อการเฉือน และระดับความปลอดเชื้อที่ต้องการ การกำหนดค่าสี่แบบครอบคลุมงานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่:

• เครื่องปฏิกรณ์แบบถังผสม (STR): ตัวเลือกเริ่มต้นสำหรับการหมักจุลินทรีย์และการเพาะเลี้ยงเซลล์ส่วนใหญ่ ภาชนะ 316L ที่มีใบพัดหนึ่งถึงสี่ตัวในอัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดต่อถัง 0.33-0.50, แผ่นกั้นสี่แผ่นที่ T/10 และหัวพ่นแบบวงแหวนหรือแบบไมโคร ให้ค่า kLa ที่ 50-200 h-1 และจัดการความหนืดได้ถึงประมาณ 5,000 cP ด้วยใบพัดแบบเกลียวหรือแบบสมอ ปริมาตรมีตั้งแต่ 5 ลิตร ถึง 200,000 ลิตร ทำให้เป็นเพียงการกำหนดค่าเดียวที่สามารถปรับขนาดได้อย่างราบรื่นจากห้องปฏิบัติการสู่โรงงาน
• คอลัมน์ฟองอากาศและแอร์ลิฟต์: ไม่มีเครื่องกวนเชิงกล การผสมและการถ่ายเทมวลมาจากก๊าซที่ลอยขึ้นด้วยความเร็วผิว 0.02-0.10 m/s แอร์ลิฟต์จะเพิ่มท่อดึงที่สร้างการไหลเวียนที่เป็นระเบียบ ทำให้การผสมดีขึ้นด้วยพลังงานต่ำ ภาชนะเหล่านี้เหมาะสำหรับเชื้อราเส้นใย เซลล์พืช โปรตีนเซลล์เดียว และปริมาตรขนาดใหญ่มาก (สูงสุด 300,000 ลิตร) ซึ่งความยาวเพลาของเครื่องกวนและค่าใช้จ่ายซีลจะสูงเกินไป การใช้พลังงานต่ำกว่า STR ที่เทียบเท่ากัน 30-50%
• ไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้ครั้งเดียว: ถุงโพลีเมอร์หลายชั้นที่ผ่านการฉายรังสีแกมมา (USP Class VI, ปลอดสารที่มาจากสัตว์) ภายในโครงรองรับสแตนเลส โดยทั่วไปมีขนาด 50-2,000 ลิตร ช่วยลดการตรวจสอบการทำความสะอาดทั้งหมด และลดเวลาเปลี่ยนรอบการผลิตจากวันเป็นชั่วโมง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับโรงงาน CDMO ที่มีผลิตภัณฑ์หลายชนิด ข้อเสียคือแรงดันจำกัด (โดยทั่วไปต่ำกว่า 0.05 MPa เกจ), ค่า kLa ที่ต่ำกว่า และต้นทุนวัสดุสิ้นเปลืองที่เกิดซ้ำ บวกกับการศึกษาการสกัดและการรั่วไหลภายใต้ USP <665> และ <1665>.
• เฟอร์เมนเตอร์แบบของแข็งและแบบไม่ใช้ออกซิเจน: หน่วยแบบของแข็งเพาะเลี้ยงเชื้อราบนสารตั้งต้นแบบอนุภาคที่ชื้นด้วยอากาศที่ให้ความชื้นบังคับแทนที่จะเป็นเฟสของเหลวอิสระ ใช้สำหรับเอนไซม์ โคจิ และการทำปุ๋ยหมัก เฟอร์เมนเตอร์แบบไม่ใช้ออกซิเจนสำหรับการผลิตเอทานอล ไบโอแก๊ส และตัวทำละลาย จะงดการพ่นอากาศโดยสิ้นเชิง และแทนที่ด้วยการจัดการการปล่อย CO2 โฟม และการกำจัดความร้อนที่อุณหภูมิ 30-38°C โดยอาศัยการกวนช้าๆ และการทำความเย็นภายนอกเพื่อรักษาของเหลวให้อยู่ภายใน ±1°C

ตารางเปรียบเทียบประเภทเฟอร์เมนเตอร์และไบโอรีแอคเตอร์

ประเภทภาชนะ	กลไกการผสม	ปริมาตรการทำงาน	การใช้งานหลัก
เครื่องปฏิกรณ์แบบถังผสม (STR)	ใบพัดเชิงกล, 0.5-5 kW/m3	5 ลิตร - 200,000 ลิตร	การหมักจุลินทรีย์, การเพาะเลี้ยงเซลล์
คอลัมน์ฟองอากาศ / แอร์ลิฟต์	การไหลเวียนที่เกิดจากก๊าซ, 30-120 h-1	500 ลิตร - 300,000 ลิตร	เชื้อรา, โปรตีนเซลล์เดียว, น้ำเสีย
ไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้ครั้งเดียว	ใบพัดในถุงหรือการเคลื่อนไหวแบบโยก	50 ลิตร - 2,000 ลิตร	การผลิต GMP ทางคลินิกและหลายผลิตภัณฑ์
แบบของแข็ง / แบบไม่ใช้ออกซิเจน	อากาศให้ความชื้นบังคับหรือไม้พายช้าๆ	1 ลบ.ม. - 100 ลบ.ม.	เอนไซม์, เอทานอล, ไบโอแก๊ส

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ถาม: เฟอร์เมนเตอร์เหมือนกับไบโอรีแอคเตอร์หรือไม่?

ตอบ: ไม่เชิง แม้ว่าฮาร์ดแวร์จะทับซ้อนกันเกือบทั้งหมดก็ตาม เฟอร์เมนเตอร์เป็นคำศัพท์ดั้งเดิมสำหรับภาชนะที่ใช้ในการแปลงจุลินทรีย์ เช่น เอทานอล กรดแลคติก มวลยีสต์ หรือยาปฏิชีวนะ และมักจะหมายถึงกระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจนหรือแบบจุลินทรีย์น้อย ไบโอรีแอคเตอร์เป็นคำศัพท์ทางวิศวกรรมที่กว้างกว่า ครอบคลุมภาชนะใดๆ ที่รองรับตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ รวมถึงการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์แบบใช้ออกซิเจน การเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและแมลง การแขวนลอยเซลล์พืช เตียงเอนไซม์ตรึง และระบบไบโอฟิล์มบำบัดน้ำเสีย ในการจัดซื้อจัดจ้าง ความแตกต่างในการใช้งานจริงจะปรากฏในเอกสารข้อมูลจำเพาะ: คำสั่งซื้อไบโอรีแอคเตอร์มักต้องการพื้นผิวที่ละเอียดกว่า เครื่องมือวัดที่มากขึ้น และเอกสารการตรวจสอบอย่างเป็นทางการ

ถาม: ฉันต้องใช้เฟอร์เมนเตอร์หรือไบโอรีแอคเตอร์ขนาดเท่าใด?

ตอบ: กำหนดขนาดจากผลผลิตต่อปีที่ต้องการ ไม่ใช่จากแคตตาล็อกภาชนะ ทำงานย้อนกลับจากมวลผลิตภัณฑ์ต่อปี หารด้วยปริมาณ (เช่น 80-150 กรัม/ลิตร สำหรับกรดอะมิโน, 3-10 กรัม/ลิตร สำหรับแอนติบอดีโมโนโคลนอล) และจำนวนแบทช์ต่อปี จากนั้นใช้ปริมาตรการทำงานที่เป็น 70-80% ของปริมาตรภาชนะทั้งหมด เพื่อให้มีพื้นที่ว่างสำหรับโฟมและการแยกก๊าซ ภาชนะที่มีปริมาตรการทำงาน 10,000 ลิตร ที่ทำงานในรอบ 48 ชั่วโมง โดยมีความพร้อมในการจัดตารางเวลา 85% จะผลิตได้ประมาณ 150 แบทช์ต่อปี ตรวจสอบเสมอว่าขนาดที่เลือกยังสามารถบรรลุค่า kLa เป้าหมายได้ด้วยอากาศและกำลังของเครื่องกวนที่มีอยู่

ถาม: ควรระบุวัสดุและพื้นผิวแบบใด?

ตอบ: สำหรับงานอาหาร เครื่องดื่ม และยา ให้ระบุสแตนเลส 316L ที่มีคาร์บอนต่ำ (ต่ำกว่า 0.03%) และซัลเฟอร์ต่ำ เพื่อรับประกันการซึมผ่านของรอยเชื่อมที่สม่ำเสมอ ขัดด้วยเครื่องจักรและขัดเงาด้วยไฟฟ้าจนถึง Ra <= 0.5 ไมโครเมตร พร้อมรอยเชื่อมแบบวงโคจรและข้อต่อแบบหนีบ ASME-BPE หรือแบบเชื่อมชน สำหรับของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงซึ่งมีคลอไรด์มากกว่าประมาณ 100 ppm หรือสำหรับเคมี CIP ที่รุนแรง ให้เปลี่ยนไปใช้ 904L, ดูเพล็กซ์ 2205 หรือไทเทเนียมเกรด 2 สำหรับบริการเอทานอลอุตสาหกรรมหรือการบำบัดของเสีย สามารถใช้ 304L ที่มีพื้นผิวโรงงาน ซึ่งช่วยลดต้นทุนการลงทุนได้อย่างมากโดยไม่ส่งผลกระทบต่อผลผลิต

ถาม: การติดตั้งสายการผลิตหมักใหม่ใช้เวลานานเท่าใด?

ตอบ: สำหรับสายการผลิตสแตนเลสแบบครบวงจร คาดว่าจะใช้เวลา 10-14 เดือนตั้งแต่การปล่อยคำสั่งซื้อจนถึงแบทช์การผลิตแรก: ประมาณ 4-6 เดือนสำหรับวิศวกรรมและการผลิตโดยละเอียด, 2-3 เดือนสำหรับการทดสอบการยอมรับจากโรงงาน การขนส่ง และการติดตั้ง, และ 2-3 เดือนสำหรับการทดสอบการยอมรับ ณ สถานที่ การเชื่อมต่อสาธารณูปโภค และการรับรอง DQ/IQ/OQ/PQ บวกกับสามรอบการทดสอบประสิทธิภาพกระบวนการที่ประสบความสำเร็จอย่างต่อเนื่อง สกิดแบบใช้ครั้งเดียวจะบีบอัดเวลานี้เป็น 5-8 เดือน เนื่องจากไม่ต้องมีการตรวจสอบการทำความสะอาดและการติดตั้งระบบ CIP/SIP ในเส้นทางวิกฤต