Benchtop Fermenter ve Biyo-Reaktörler Nedir? Laboratuvar Ölçeğinde Tasarım, Kontrol ve Ölçeklendirme

Tezgah Tipi Fermentörler ve Biyoreaktörler Nedir? Laboratuvar Ölçeğinde Tasarım, Kontrol ve Ölçeklendirme

Tezgah tipi bir fermentör veya biyoreaktör nedir ve ne için kullanılır?Bir tezgah tipi fermentör veya biyoreaktör, laboratuvar tezgahında bir üretim fermentörünün kontrollü ortamını tekrarlayan, yaklaşık 0,5-20 L çalışma hacmine sahip laboratuvar ölçekli bir yetiştirme kabıdır. Dört değişkeni sürekli olarak düzenler: 4 ila 80°C arasındaki sıcaklık ±0,1°C hassasiyetle, 2,0 ila 12,0 arasındaki pH ±0,01 hassasiyetle otomatik asit ve baz eklenmesiyle, hava doygunluğunun %0 ila %100'ü arasındaki çözünmüş oksijen ±%1 hassasiyetle kaskatlı çalkalama, havalandırma ve oksijen zenginleştirme yoluyla ve köpük önleyici dozajlama veya mekanik kırıcı ile köpük. Çalkalama 50-1.200 rpm, püskürtülen hava 0,1-2,0 vvm aralığında olup, 20-250 sa⁻¹ kLa sağlar.

1. Veri Kalitesini Belirleyen Tasarım Özellikleri

Bir tezgah tipi ünite, bir reaktör kadar bir ölçüm cihazıdır. Üç tasarım seçimi, ölçeklendirme için aktarılabilir veri üreten bir sistemi yalnızca hücre yetiştiren bir sistemden ayırır:

• Kap Geometrisi ve Çark Dizisi:Tekrarlanabilir çalışma, üretim kabı ile geometrik benzerlik gerektirir: 2:1 ila 3:1 yükseklik-çap oranı, 0,33-0,50 çark-tank çapı oranı ve T/10'da dört bölme. Çoğu tezgah tipi ünite, gaz dağılımı için alt radyal bir Rushton türbini ve toplu karıştırma için üst eksenel bir hidrofoy olmak üzere iki çark taşır. Tahrik motorundan şafta manyetik kuplaj, bu ölçekte en yaygın sızıntı ve kontaminasyon yolu olan mekanik contayı önler ve tüm kabın 121°C'de 20-30 dakika otoklavlanmasına olanak tanır.
• Sensör Paketi ve Kontrol Döngüleri:Standart göstergeler, bir polarografik veya optik ÇO probu, buharla sterilize edilebilir jel dolgulu bir pH elektrodu, bir Pt100 direnç termometresi ve oksijen ve karbondioksit için bir egzoz gazı analizörü içerir. Egzoz gazı ölçümü, kabı bir kalorimetreye dönüştürür: giriş ve çıkış gaz dengesinden türetilen OUR ve CTR, metabolik kaymaları brothta görünmeden saatler önce ortaya çıkarır. Gelişmiş üniteler, canlı hücre hacmi için kapasitans probları, glikoz, laktat ve titrasyon için Raman veya NIR spektroskopisi ve kesin gaz dengelemesi için egzoz kütle akış kontrolü ekler.
• Paralel Çalışma ve Otomasyon:Modern proses geliştirme nadiren tek seferde bir kap çalıştırır. Paralel biyoreaktör sistemleri, tek bir SCADA ana bilgisayarı altında 0,25-2 L'lik 4, 8, 16 veya 24 kapı entegre eder, bireysel gaz karışımı, kap başına besleme ve otomatik numune alma ile. Bu, istatistiksel deney tasarımı yapmayı pratik hale getirir: pH, sıcaklık ve besleme hızında tam faktöriyel, tek bir 5 L kapta 18 ay sürecekken üç haftada tamamlanır. Yazılım, kullanıcı seviyesi erişim kontrolü ve değiştirilemez bir denetim izi ile 21 CFR Bölüm 11 elektronik kayıtlarını desteklemelidir.

2. Tezgahtan Tesise: Ölçeklendirme Kuralları

Kontrol mekanizması ölçekler arasında değiştiğinde ölçeklendirme başarısız olur. Performansı korumak için üç kriter kullanılır ve doğru olanı, süreci hangi mekanizmanın sınırladığına bağlıdır:

• Sabit kLa veya Sabit OTR:Oksijen tedariki ile sınırlanan aerobik mikrobiyal işlemler için, hacimsel kütle transfer katsayısını sabit tutun, tipik olarak 50-200 sa⁻¹. kLa kabaca (P/V)^0,4·(vs)^0,5 ile ölçeklendiği için, kLa'yı sabit tutarken hacim 1.000 kat artarsa, hacim başına güç düşer ve yüzey gaz hızı yükselir, bu nedenle büyük kap daha düşük bir karıştırıcı hızında ancak daha yüksek havalandırmada çalışır. kLa'yı her iki ölçekte de bir korelasyona güvenmek yerine dinamik gaz giderme yöntemiyle ölçerek doğrulayın.
• Sabit Hacim Başına Güç (P/V) veya Uç Hız:Kesmeye duyarlı memeli ve bitki hücreleri için, hücre hasarı, kap ortalamasından ziyade çark yakınındaki yerel enerji dağılım oranıyla ilişkili olduğundan, uç hızı yaklaşık 1,5 m/s'nin altında ve P/V'yi 0,01 ila 0,10 kW/m³ arasında tutun. Mikromikslemenin seçiciliği kontrol ettiği, örneğin hızlı paralel veya seri reaksiyonlar gibi işlemler için, karışım süresini veya türbülanslı dağılım oranını sabit tutun, bu da genellikle bitki kabında çok daha yüksek bir P/V'yi kabul etmek anlamına gelir.
• Sabit Karıştırma Süresi ve Geometrik Benzerlik:Türbülanslı karıştırılmış bir kapta karışım süresi yaklaşık olarak çark hızının tersi çarpı (D/T)² ile ölçeklenir, bu nedenle 5 saniyede karışan bir laboratuvar kabı 20.000 L'de 30-60 saniyeye ihtiyaç duyabilir. Bir beslemeli parti besleme akışının yerel pH veya substrat gradyanları oluşturduğu durumlarda, bu fark önemlidir: besleme noktasındaki 100 kat konsantrasyon artışı, kap ortalaması doğru görünse bile taşma metabolizmasını tetikleyebilir. Büyük kap gradyanını tezgah tipi iki bölmeli bir sistemde tekrarlayan ölçeklendirme modelleri, ilk tesis partisinden önce bunu riske atmadan standart yoldur.

Tezgah Tipi Fermentör ve Biyoreaktör Sınıfları Karşılaştırma Matrisi

Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S: Tezgah tipi bir fermentör ile tezgah tipi bir biyoreaktör arasındaki fark nedir?

C: Laboratuvar ekipmanı kataloglarında iki isim aynı cihazı tanımlar ve satıcılar hedef pazara göre etiketi seçer. Fermentör, amaçlanan organizma mikrobiyal olduğunda ve ürün bir metabolit, biyokütle veya alkol olduğunda kullanılır. Biyoreaktör, sistemin daha yüksek sterilite güvencesini, memeli veya böcek hücre kültürünü veya perfüzyon hızı, redoks veya canlı hücre yoğunluğu gibi daha geniş bir kontrollü değişken aralığını desteklemesi gerektiğinde kullanılır. Pratikte, 0,2 µm egzoz filtresi, kaskatlı çözünmüş oksijen kontrolü ve buharla sterilize edilebilir pH ve ÇO problarına sahip iyi belirlenmiş bir 5 L ünite, modifikasyon olmadan her iki rolü de yerine getirir.

S: Cam kap ile paslanmaz çelik tezgah tipi kap arasında nasıl seçim yapmalıyım?

C: Brotu görmeniz gereken tarama çalışmaları için, geometriyi sık sık değiştirmeniz ve sermaye maliyetini düşük tutmanız gereken, tipik olarak 0,15 MPa'ya kadar basınçlarda 0,5-10 L olan otoklavlanabilir camı seçin. Yerinde sterilizasyon, 0,35 MPa'ya kadar daha yüksek basınç, CIP entegrasyonu veya verilerin ölçeklendirmeyi yönlendirmesi esastırsa üretim kabı ile boyutsal olarak aynı olan geometriye ihtiyacınız olduğunda paslanmaz çeliği seçin. Paslanmaz çelik ayrıca, ıslatma ve ısı transferini yavaşça değiştiren cam aşındırma riski olmadan agresif çözücülere, yüksek tuzluluğa ve tekrarlanan kostik temizliğe dayanır.

S: kLa eşleştiğinde bile ölçeklendirmem neden başarısız oluyor?

C: Çünkü kLa bir kap ortalamasıdır ve hücre yerel bir ortama maruz kalır. 20.000 L'de, karıştırma süresi birkaç kat artar, bu nedenle konsantre glikoz veya bazın besleme akışları, taşma metabolizmasını, asetat veya laktat birikimini ve azalan canlılığı tetikleyen geçici yüksek pH veya yüksek ozmolalite bölgeleri oluşturur. Oksijen kısmi basıncı ayrıca uzun bir kabın dibindeki hidrostatik basınca göre artar, karbondioksit giderme zorlaşır, bu nedenle çözünmüş CO2 100-150 mmHg'yi aşabilir ve büyümeyi engelleyebilir. Bu gradyanları bir ölçeklendirme modelinde tekrarlamak, ardından besleme noktası konumu, besleme konsantrasyonu veya çark konfigürasyonunu değiştirmek, bu başarısızlıkların çoğunu çözer.

S: Bir tezgah tipi sistem hangi yardımcı gereçleri gerektirir?

C: Tipik bir 5 L cam veya paslanmaz ünite, 1-2 kW'lık 220 V tek fazlı bir güç kaynağı, 0,3-0,6 MPa ve 5-20 L/dak'da basınçlı hava, gaz karışımı için oksijen ve nitrojen (zenginleştirme veya ÇO kaskadı kullanılıyorsa), pH kontrolü için karbondioksit veya amonyaksız baz ve asit, kondenser ve ceket soğutması için 5-15°C ve 2-5 L/dak'da soğuk su ve sterilizasyon için bir buhar kaynağı veya otoklav gerektirir. Yerinde SIP'li paslanmaz üniteler ayrıca 0,25-0,35 MPa'da temiz buhar gerektirir. Drenaj kapasitesi ve bir duman veya biyogüvenlik kabini genellikle göz ardı edilir ve kurulumdan önce doğrulanmalıdır.

Etiketler: Paslanmaz Çelik Reaktör, Kimyasal Reaktör Sistemi, Endüstriyel Kimyasal Reaktör