Máy lên men và lò phản ứng sinh học để bàn là gì? Thiết kế, kiểm soát và mở rộng quy mô ở quy mô phòng thí nghiệm

Các máy lên men và lò phản ứng sinh học là gì?

Máy lên men hoặc lò phản ứng sinh học trên bàn là gì và nó được sử dụng để làm gì?Một máy lên men trên băng ghế hoặc lò phản ứng sinh học là một bình nuôi trồng quy mô phòng thí nghiệm với khối lượng làm việc khoảng 0.5-20 L tái tạo môi trường kiểm soát của máy lên men sản xuất trên băng ghế thí nghiệmNó điều chỉnh bốn biến liên tục: nhiệt độ từ 4 đến 80 ° C trong ± 0,1 ° C, pH từ 2,0 đến 12,0 trong ± 0,01 bằng cách thêm axit và cơ sở tự động,oxy hòa tan trong khoảng từ 0 đến 100% độ bão hòa không khí với độ chính xác ± 1% thông qua hỗn loạn ngã ba, thông khí, và làm giàu oxy, và bọt bằng cách dùng thuốc chống bọt hoặc bộ ngắt cơ khí.

1Các tính năng thiết kế xác định chất lượng dữ liệu

Một đơn vị băng ghế là một dụng cụ đo lường như một lò phản ứng. Ba lựa chọn thiết kế tách ra một hệ thống sản xuất dữ liệu mở rộng quy mô có thể chuyển giao từ một hệ thống chỉ phát triển tế bào:

• Địa hình tàu và tàu đẩy:Công việc tái tạo đòi hỏi sự tương đồng hình học với bình sản xuất: tỷ lệ chiều cao-tháng kính là 2: 1 đến 3:1, một tỷ lệ đường kính động cơ-thùng 0,33-0.50, và bốn phao ở T / 10. Hầu hết các đơn vị trên bếp đều có hai bánh xoay, một tuabin Rushton tâm chiếu dưới để phân tán khí và một thủy cánh trục trên để pha trộn hàng loạt.Kết nối từ từ từ động cơ truyền động đến trục tránh niêm phong cơ học, đây là con đường rò rỉ và ô nhiễm phổ biến nhất ở quy mô này và cho phép toàn bộ bình được tự động hóa ở 121 ° C trong 20-30 phút.
• Bộ sưu tập cảm biến và vòng điều khiển:Thiết bị tiêu chuẩn bao gồm một đầu dò polarographic hoặc quang học DO, một điện cực pH chứa gel có thể khử trùng bằng hơi nước, nhiệt kế kháng Pt100,và một máy phân tích khí thải cho oxy và carbon dioxide. Đo khí thải biến bình thành một máy đo nhiệt: OUR và CTR có nguồn gốc từ cân bằng khí vào và ra cho thấy sự thay đổi trao đổi chất vài giờ trước khi chúng xuất hiện trong nước dùng.Các đơn vị tiên tiến thêm các đầu dò dung lượng cho khối lượng tế bào khả thi, quang phổ Raman hoặc NIR cho glucose, lactate và titer, và kiểm soát dòng chảy khối lượng khí thải để cân bằng khí chính xác.
• Hoạt động song song và tự động hóa:Các hệ thống lò phản ứng sinh học song song tích hợp 4, 8, 16 hoặc 24 thùng 0,25-2 L dưới một máy chủ SCADA duy nhất, với trộn khí riêng lẻ,Nạp thức ăn cho mỗi tàuĐiều này làm cho thiết kế thống kê của các thí nghiệm thực tế: một nhân tố đầy đủ về pH, nhiệt độ,và tỷ lệ thức ăn mà sẽ mất 18 tháng trên một bình 5L duy nhất hoàn thành trong ba tuầnPhần mềm phải hỗ trợ 21 CFR Phần 11 hồ sơ điện tử, với kiểm soát truy cập cấp người dùng và một dấu vết kiểm toán không thể thay đổi.

2Từ Bàn ghế dự bị đến Nhà máy: Các quy tắc mở rộng quy mô

Scale-up thất bại khi cơ chế điều khiển thay đổi giữa các thang đo. Ba tiêu chí được sử dụng để bảo vệ hiệu suất, và tiêu chí chính xác phụ thuộc vào cơ chế nào hạn chế quá trình:

• KLa không đổi hoặc OTR không đổi:Đối với các quá trình vi khuẩn khí quyển bị giới hạn bởi nguồn cung cấp oxy, giữ hệ số chuyển khối lượng thể tích không đổi, thường là 50-200 h-1.5, giữ kLa không đổi trong khi khối lượng tăng 1.000 lần có nghĩa là công suất mỗi khối lượng giảm và vận tốc khí bề mặt tăng, do đó, bình lớn chạy với tốc độ khuấy thấp hơn nhưng thông khí cao hơn.Xác nhận bằng cách đo kLa ở cả hai thang đo bằng phương pháp xả khí động thay vì tin tưởng vào mối tương quan.
• Công suất không đổi theo khối lượng (P/V) hoặc tốc độ quay:Đối với các tế bào động vật có vú và thực vật nhạy cảm với cắt, giữ tốc độ mũi dưới khoảng 1,5 m/s và P/V trong khoảng từ 0,01 đến 0,10 kW/m3,bởi vì tổn thương tế bào tương quan với tốc độ tiêu hao năng lượng địa phương gần động cơ thay vì bình trung bìnhĐối với các quy trình mà micromixing kiểm soát tính chọn lọc, chẳng hạn như phản ứng song song hoặc chuỗi nhanh, giữ thời gian pha trộn hoặc tốc độ phân tán hỗn loạn không đổi,thường có nghĩa là chấp nhận một P/V cao hơn nhiều trong thùng thực vật.
• Thời gian trộn liên tục và sự tương đồng hình học:Thời gian pha trộn trong một bình hỗn loạn xoay dao động gần như với nghịch số của thời gian tốc độ động cơ (D / T) ^ 2, vì vậy một bình trong phòng thí nghiệm pha trộn trong 5 giây có thể cần 30-60 giây ở 20.000 L.Khi một đống thức ăn được cung cấp tạo ra độ pH địa phương hoặc độ dốc chất nền, sự khác biệt đó quan trọng: một đỉnh nồng độ gấp 100 lần tại điểm cho ăn có thể kích hoạt quá mức chuyển hóa ngay cả khi trung bình của bình trông chính xác.Các mô hình giảm quy mô tái tạo độ dốc của tàu lớn trong một hệ thống hai ngăn trên băng ghế là cách tiêu chuẩn để giảm rủi ro này trước khi lô nhà máy đầu tiên.

Bảng so sánh phân loại máy lên men và lò phản ứng sinh học

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Hỏi: Sự khác biệt giữa máy lên men trên bàn và lò phản ứng sinh học trên bàn là gì?

A: Trong danh mục thiết bị phòng thí nghiệm, hai tên mô tả cùng một dụng cụ, và các nhà cung cấp chọn nhãn dựa trên thị trường mục tiêu.Fermenter được sử dụng khi sinh vật dự định là vi khuẩn và sản phẩm là một chất chuyển hóa, sinh khối hoặc rượu. Bioreactor được sử dụng khi hệ thống phải hỗ trợ đảm bảo vô trùng cao hơn, nuôi tế bào động vật có vú hoặc côn trùng, hoặc một loạt các biến thể được kiểm soát rộng hơn như tốc độ truyền,redoxTrong thực tế, một đơn vị 5L được chỉ định rõ ràng với bộ lọc khí thải 0,2 μm, kiểm soát oxy hòa tan theo chuỗi,và hơi nước khử trùng pH và DO thăm dò phục vụ cả hai vai trò mà không có sửa đổi.

Hỏi: Làm thế nào tôi chọn giữa một bình thủy tinh và một bình bếp thép không gỉ?

A: Chọn kính tự động cho công việc sàng lọc nơi bạn cần nhìn thấy nước dùng, thay đổi hình học thường xuyên và giữ chi phí vốn thấp, thường là 0,5-10 L ở áp suất lên đến 0,15 MPa.Chọn thép không gỉ khi bạn cần khử trùng tại chỗ, áp suất cao hơn đến 0,35 MPa, tích hợp CIP, hoặc hình học có kích thước giống hệt với bình sản xuất, điều này rất cần thiết nếu dữ liệu sẽ thúc đẩy mở rộng quy mô.Stainless cũng xử lý dung môi hung hăng, độ mặn cao, và làm sạch liên tục bằng chất gây cháy mà không có nguy cơ khắc kính mà từ từ thay đổi độ ướt và chuyển nhiệt.

Hỏi: Tại sao việc mở rộng quy mô của tôi lại thất bại ngay cả khi kLa phù hợp?

A: Bởi vì kLa là một số lượng bình trung bình và tế bào trải nghiệm một môi trường địa phương.do đó, các sợi cung cấp glucose tập trung hoặc cơ sở tạo ra các vùng thoáng qua của pH cao hoặc osmolality cao kích hoạt chuyển hóa tràn, tích tụ axetat hoặc lactate, và giảm khả năng sống. áp suất phần oxy cũng tăng với đầu thủy tĩnh ở đáy của một bình cao, trong khi loại bỏ carbon dioxide trở nên khó khăn hơn,do đó CO2 hòa tan có thể vượt quá 100-150 mmHg và ức chế tăng trưởng. tái tạo các gradient trong một mô hình mở rộng, sau đó thay đổi vị trí điểm cho ăn, nồng độ cho ăn, hoặc cấu hình động cơ, giải quyết hầu hết các lỗi này.

Hỏi: Một hệ thống băng ghế dự bị đòi hỏi những tiện ích nào?

A: Một đơn vị thủy tinh hoặc không gỉ 5L điển hình cần nguồn cung cấp một pha 220 V 1-2 kW, không khí nén ở 0,3-0,6 MPa và 5-20 L/min,oxy và nitơ để trộn khí nếu sử dụng làm giàu hoặc DO cascade, carbon dioxide hoặc amoniac không có cơ sở và axit để kiểm soát pH, nước lạnh ở 5-15 ° C và 2-5 l / phút để làm mát bộ ngưng tụ và áo khoác, và một nguồn hơi hoặc tự động để khử trùng.Các đơn vị không gỉ với SIP tại chỗ bổ sung yêu cầu hơi nước sạch ở 0Khả năng thoát nước và tủ khói hoặc an toàn sinh học thường bị bỏ qua và nên được xác nhận trước khi lắp đặt.

Tags:Các lò phản ứng thép không gỉ,Hệ thống lò phản ứng hóa học,Các lò phản ứng hóa học công nghiệp