Một lò phản ứng sinh học công nghiệp là gì?

Trả lời câu hỏi chính:Một lò phản ứng sinh học công nghiệp là gì và làm thế nào nó duy trì các phản ứng sinh học ở quy mô sản xuất?Một lò phản ứng sinh học công nghiệp là một bình được thiết kế để hỗ trợ các phản ứng sinh học bằng cách sử dụng vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, nấm), tế bào động vật có vú,hoặc tế bào thực vật để chuyển đổi chất nền thành các sản phẩm có giá trị như kháng sinh, vắc-xin, enzyme, kháng thể, axit hữu cơ và nhiên liệu sinh học.áp suất khí quyển đến 2 bar) nhưng đòi hỏi điều kiện aseptic nghiêm ngặt, cung cấp oxy chính xác và kiểm soát cẩn thận thành phần dinh dưỡng, pH và căng thẳng cắt để duy trì khả năng sống và năng suất tế bào.

1Các nguyên tắc hoạt động cơ bản của các lò phản ứng sinh học công nghiệp

·** Thiết kế và khử trùng aseptic **Các lò phản ứng sinh học phải ngăn ngừa ô nhiễm bởi các vi sinh vật không mong muốn cạnh tranh với sinh vật sản xuất về chất dinh dưỡng hoặc sản xuất độc tố.Chất chứa được khử trùng bằng hơi nước tại chỗ (SIP) ở 121 °C trong 30 phút (đạt được SAL 10−3) trước khi tiêm chủng. Tất cả các đường thâm nhập (cánh khuấy động, cảm biến, cổng lấy mẫu) sử dụng niêm phong cơ học kép hoặc kết nối ngăn hơi nước.và tất cả các đường ống sử dụng phụ kiện kẹp vệ sinh (ASME BPE) không có chân chết nơi các chất gây ô nhiễm có thể chứa.

·** Chuyển oxy và kLa**Các vi sinh vật khí quyển cần oxy hòa tan để trao đổi chất. Tốc độ chuyển oxy (OTR = kLa × (C* − C)) phải vượt quá tốc độ hấp thụ oxy (OUR = qO2 × X,trong đó qO2 là tốc độ hấp thụ cụ thể và X là mật độ tế bào). Các lò phản ứng sinh học công nghiệp đạt được giá trị kLa 50 300 h -1 bằng cách sử dụng các bánh xoáy tua-bin Rushton ở tốc độ 100 400 vòng / phút với không khí phun ở 0,5 2 vvm (kỷ lệ không khí trên khối lượng chất lỏng mỗi phút).KLa không đủ hạn chế mật độ và năng suất tế bào.

·**Sản xuất và loại bỏ nhiệt**Chất chuyển hóa vi khuẩn tạo ra 520 kJ nhiệt trên mỗi gram sinh khối sản xuất. Ở mật độ tế bào 50 g / L (trọng lượng khô) với tốc độ tăng trưởng 0,3 h-1, tốc độ tạo nhiệt là 1040 kW / m3.Nhiệt này được loại bỏ bằng các áo khoác bên ngoài (đối với các lò phản ứng < 5 m3), cuộn dây bán ống (550 m3) hoặc bộ chống lạnh nội bộ (> 50 m3).vì sai lệch 2 ̊3 °C có thể làm giảm tốc độ tăng trưởng tế bào 50% hoặc kích hoạt phản ứng căng thẳng.

2Các loại Bioreactors công nghiệp chính

·** Bioreactor thùng dẫn động (STR) **Tiêu chuẩn công nghiệp: một thùng hình trụ (50 L đến 50 m3) với bộ khuấy động được gắn ở đáy hoặc trên cùng, nhiều giai đoạn Rushton hoặc động cơ trục, máy phun khí và áo khoác hoặc cuộn làm mát.Cung cấp pha trộn tuyệt vời và chuyển oxy (kLa của 50~300 h−1)Được sử dụng cho kháng sinh (penicillin, cephalosporin), enzyme, protein tái kết hợp (insulin, kháng thể) và axit hữu cơ (citric, lactic).Xây dựng thép không gỉ 316L với nội thất sơn điện (Ra < 0).8 μm) để tuân thủ GMP.

·** Bioreactor đường ngang không khí **Một bình cao (H / D > 6) được chia thành các phần tăng và giảm. Không khí phun vào riser tạo ra sự khác biệt mật độ thúc đẩy lưu thông mà không cần khuấy động cơ học.Đạt được căng thẳng cắt giảm thấp hơn (1050 s−1) và thiết kế đơn giản hơn (không có niêm phong trục) so với STR. Chuyển oxy thấp hơn (kLa của 20 ¢ 80 h−1), hạn chế mật độ tế bào. Được sử dụng cho nuôi dưỡng tế bào thực vật, nấm sợi và vi sinh vật nhạy cảm với cắt ở khối lượng 5 ¢ 500 m3.

·** Photobioreactor **Một bình trong suốt (bơm thủy tinh hoặc tấm phẳng) được thiết kế để cung cấp ánh sáng cho các vi sinh vật quang hợp (microalgae, cyanobacteria).và chu kỳ ánh sáng / tối được điều khiển để tối ưu hóa hiệu quả quang hợp. Đạt được năng suất sinh khối 1 ¢ 5 g / m 2 / ngày. Được sử dụng cho các chất dinh dưỡng (astaxanthin, omega-3), nhiên liệu sinh học và thu CO2 ở khối lượng 1 ¢ 100 m 3.

Các loại lò phản ứng sinh học công nghiệp Ma trận so sánh

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Sự khác biệt giữa lò phản ứng sinh học và lò phản ứng hóa học là gì?

Các lò phản ứng sinh học hỗ trợ các phản ứng sinh học bằng cách sử dụng tế bào sống làm chất xúc tác, hoạt động ở điều kiện ôn hòa (20-40 ° C, áp suất gần khí quyển) với các yêu cầu vô sinh nghiêm ngặt.Các lò phản ứng hóa học hỗ trợ các phản ứng hóa học sử dụng chất xúc tác hóa học (hoặc không có chất xúc tác), hoạt động ở phạm vi nhiệt độ rộng hơn (-50 đến 800 °C) và áp suất (1 ¥3.500 bar) mà không yêu cầu vô trùng.và quản lý cắtCác lò phản ứng hóa học tập trung vào chuyển nhiệt / khối lượng, kiềm chế áp suất và động học phản ứng.

KLa là gì và tại sao nó lại rất quan trọng trong thiết kế lò phản ứng sinh học?

kLa (tỷ lệ chuyển oxy theo khối lượng) là tham số chính đo lường hiệu quả chuyển oxy từ bong bóng khí sang pha lỏng của lò phản ứng sinh học.Nó xác định mật độ tế bào tối đa đạt được: nếu OTR (kLa × lực thúc đẩy) nhỏ hơn OUR (nhu cầu oxy của tế bào), nền văn hóa trở nên hạn chế oxy và ngừng phát triển.,đường ngang bằng không (2080 h−1).

Các lò phản ứng sinh học công nghiệp được khử trùng như thế nào?

Phương pháp tiêu chuẩn là sử dụng hơi nước sạch ở 121 °C trong 30 phút, đạt được Mức bảo đảm vô sinh 10−3 (khả năng sống sót của một chất gây ô nhiễm trên 1.000 đơn vị).Đối với các phương tiện nhạy cảm với nhiệt, lọc khử trùng (0,2 μm lọc tuyệt đối) được sử dụng.Các lò phản ứng sinh học lớn (> 5 m3) có thể yêu cầu thời gian khử trùng kéo dài hoặc khử trùng phân đoạn (tindal hóa) để đảm bảo nhiệt xâm nhập vào tất cả các bề mặtSau khi SIP, thùng được duy trì dưới áp suất dương với không khí lọc khử trùng để ngăn ngừa nhiễm trùng.

Mật độ tế bào tối đa có thể đạt được trong một lò phản ứng sinh học công nghiệp là bao nhiêu?

Trong quá trình lên men vi khuẩn theo lô thức ăn (E. coli, nấm men), mật độ tế bào 50-150 g / l trọng lượng khô có thể đạt được bằng không khí giàu oxy và cho ăn tối ưu.Trong truyền dịch nuôi tế bào động vật có vú với sự giữ lại tế bàoTrong lò phản ứng sợi rỗng, các tế bào có thể đạt đến 1 5 108 tế bào / ml. Giới hạn thực tế được thiết lập bằng cách chuyển oxy, loại bỏ nhiệt và sản phẩm phụ (CO2,lactate, amoniac) tích lũy.