Endüstriyel bir biyoreaktör nedir?

Temel soruya cevap vermek için:Endüstriyel bir biyoreaktör nedir ve üretim ölçeğinde biyolojik reaksiyonları nasıl sürdürür?Endüstriyel bir biyoreaktör, mikroorganizmaları (bakteri, maya, mantar), memeli hücrelerini,Ya da bitki hücrelerinin substratları antibiyotikler gibi değerli ürünlere dönüştürmesi., aşılar, enzimler, antikorlar, organik asitler ve biyoyakıtlar.atmosferik basınçtan 2 bar'a kadar) ancak sıkı aseptik koşullar gerektirir., hücre canlılığını ve üretkenliğini korumak için hassas oksijen arzı ve besin bileşiminin, pH'nın ve kesme stresinin dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi.

1Endüstriyel Biyo-reaktörlerin Temel Çalışma İlkeleri

·**Aseptik Tasarım ve Sterilizasyon**Biyoreaktörler, besinleri üreten organizma ile rekabet eden veya toksin üreten istenmeyen mikroorganizmalarla kirlenmeyi önlemelidir.Kap, aşılamadan önce 121°C'de 30 dakika boyunca buharla (SIP) sterilize edilir (10-3 SAL elde edilir).. Tüm penetrasyonlar (yarıştırıcı şaftı, sensörler, örnekleme portları) çift mekanik mühürler veya buhar bloke bağlantıları kullanır. Hava kaynakları 0.2 μm mutlak filtrelerle filtre edilir,ve tüm borular, kirleticilerin barınabileceği ölü bacakları olmayan sanitar sıkıştırma armatürleri (ASME BPE) kullanır.

·** Oksijen transferi ve kLa**Aerobik mikroorganizmaların metabolizması için çözülmüş oksijene ihtiyaçları vardır. Oksijen transfer hızı (OTR = kLa × (C* − C)) oksijen alım hızı (OUR = qO2 × X,burada qO2 spesifik alım hızı ve X hücre yoğunluğu)Endüstriyel karıştırılmış tanklı biyoreaktörler, Rushton türbin döngüleri kullanılarak 100-400 rpm'de 0,5-2 vvm'de hava yayılması ile (dakikada bir sıvı hacmine hava hacmi) 50-300 h-1 kLa değerlerine ulaşır.Yetersiz kLa hücre yoğunluğunu ve verimliliğini sınırlar.

·**Sıcaklık üretimi ve çıkarımı**Mikrobiyal metabolizma, üretilen biyokütle gramı başına 520 kJ ısı üretir. 50 g / L'lik bir hücre yoğunluğunda (kuru ağırlık) ve 0.3 h -1 büyüme hızı ile ısı üretimi hızı 10 ‰ 40 kW / m3 'dir.Bu ısı dış ceketler tarafından çıkarılır (<5 m3 reaktörler için), yarı boru sarmalları (550 m3) veya iç soğutma defterleri (> 50 m3).2 ̊3°C'lik sapmalar hücre büyüme hızını %50 oranında azaltabilir veya stres tepkilerini tetikleyebilir..

2Endüstriyel Biyo reaktörlerinin ana türleri

·**Stirred-Tank Bioreaktor (STR) **Endüstri standardı: dip veya üstte monte edilmiş bir karıştırıcı, çok aşamalı Rushton veya eksenel döngüler, hava şarjı ve soğutma ceket veya sarmalları ile silindirli bir kap (50 L ila 50 m3).Mükemmel karıştırma ve oksijen aktarımı sağlar (50 ≈ 300 h-1 kLa)Antibiyotikler (penisilin, sefalosporin), enzimler, rekombinant proteinler (insülin, antikorlar) ve organik asitler (sitar, süt asidi) için kullanılır.Elektropolit iç mekanlı paslanmaz çelik 316L yapısı (Ra < 0).8 μm) GMP uyumluluğu için.

·**Hava geçidi biyoreaktörü**Yüksek ve aşağı gelen bölümlere bölünmüş yüksek bir gemi (H / D > 6). Yükseltere salınan hava, mekanik karıştırmadan dolaşımı yönlendiren bir yoğunluk farkı yaratır.STR'den daha düşük kesme gerginliği (10 ′′ 50 s - 1) ve daha basit tasarım (çubuk mühürü yok) elde eder. Oksijen aktarımı daha düşüktür (20?? 80 h−1 kLa), hücre yoğunluğunu sınırlamaktadır. Bitki hücre kültürü, iplikli mantarlar ve kesme duyarlı mikroorganizmalar için 5?? 500 m3 hacimde kullanılır.

·** Fotobiyo-reaktör**Foto sentetik mikroorganizmalara (mikroalgalar, siyanobakteriler) ışık sağlamak için tasarlanmış şeffaf bir kap ( cam tüpler veya düz paneller). Işık yoğunluğu (5,000~20,000 lux), dalga boyu (400~700 nm),ve ışık/karanlık döngüsü fotosentez verimliliğini optimize etmek için kontrol edilir. Biyogaz verimliliği 1 ′′5 g / m2 / gün elde eder. 1 ′′100 m3 hacimde besin ürünleri (astaxanthin, omega-3), biyoyakıtlar ve CO2 yakalama için kullanılır.

Endüstriyel Biyo-reaktör Tipleri Karşılaştırma Matrisi

Sıkça Sorulan Sorular (FAQ)

Bir biyoreaktörle kimyasal reaktör arasındaki fark nedir?

Biyoreaktörler, canlı hücreleri katalizör olarak kullanarak biyolojik reaksiyonları destekler, sert sterilite gereksinimleri ile hafif koşullarda (20-40 ° C, atmosfer basıncı) çalışır.Kimyasal reaktörler kimyasal katalizörler kullanarak kimyasal reaksiyonları destekler (veya katalizör yok), daha geniş sıcaklık aralıkları (-50 ila 800 ° C) ve basınçlarda (1 ¥ 3.500 bar) sterilite gereksinimleri olmadan çalışır.ve kesme yönetimiKimyasal reaktörler ısı/kütle aktarımı, basınç sınırlaması ve reaksiyon kinetiklerine odaklanır.

KLA nedir ve biyoreaktör tasarımında neden kritik bir rol oynar?

kLa (hacim ölçülü oksijen transfer katsayısı), bir biyoreaktörün oksijeni gaz kabarcıklarından sıvı fazına ne kadar verimli aktardığını ölçen kilit parametredir.Maksimum hücre yoğunluğunu belirler.: eğer OTR (kLa × itici kuvvet) OUR (hücre oksijen talebi) 'den daha azsa, kültür oksijen sınırlı hale gelir ve büyüme durur. Tipik kLa değerleri: laboratuvar ölçeğinde STR (100?? 500 h−1), endüstriyel STR (50?? 300 h−1),hava yolu (20 ̊80 h−1).

Endüstriyel biyoreaktörler nasıl sterilize edilir?

Standart yöntem, 121 °C'de 30 dakika boyunca temiz buhar kullanılarak, 10−3'lük bir Sterilite Güvence Seviyesi elde ederek (1,000 birime bir kirleticinin hayatta kalma olasılığı).Sıcaklığa duyarlı ortamlar için, filtre sterilizasyonu (0,2 μm mutlak filtrasyon) kullanılır.Büyük biyoreaktörler (> 5 m3) tüm yüzeylere ısı nüfuzunu sağlamak için daha uzun sterilizasyon süreleri veya fraksiyonlu sterilizasyon (tindallizasyon) gerektirebilir.SIP'den sonra, kap yeniden kontaminasyonun önlenmesi için steril filtreli hava ile pozitif basınç altında tutulur.

Endüstriyel bir biyoreaktörde elde edilebilecek maksimum hücre yoğunluğu nedir?

Beslenen parti mikrobiyal fermantasyonunda (E. coli, maya), oksijenle zenginleştirilmiş hava ve optimize edilmiş beslenme ile kuru ağırlıkta 50 ~ 150 g / L hücre yoğunlukları elde edilebilir.Perfüzyonda, hücre tutma ile memeli hücre kültürü, 50'200 × 106 hücre/mL yoğunlukları mümkündür. Koyu lif reaktörlerinde hücreler 1'5 × 108 hücre/mL'ye ulaşabilir. Pratik sınır oksijen aktarımı, ısı çıkarımı ve yan ürün (CO2,Laktat, amonyum) birikimi.