Ievads
Strauji augošajā biotehnoloģijas, farmaceitiskās ražošanas, rūpniecisko enzīmu ražošanas, ilgtspējīgu ķimikāliju un alternatīvu olbaltumvielu attīstības ainavā kontrolēta dzīvo šūnu un mikroorganismu kultivēšana kalpo par stūrakmeni. Neatkarīgi no tā, vai tiek izstrādātas ģenētiski modificētas baktērijas, lai sintezētu dzīvību{1}}glābjošas ārstnieciskās olbaltumvielas, kultivēti izturīgi rauga celmi, lai ražotu atjaunojamo biodegvielu, vai audzējot sarežģītu sēnīšu micēliju ilgtspējīgiem pārtikas produktiem, visa bioloģiskā uzņēmuma panākumi ir atkarīgi no viena, ļoti specializēta rūpnieciskā aprīkojuma: fermentācijas reaktora.
Fermentācijas reaktors, ko bieži dēvē par bioreaktoru, ir rūpīgi izstrādāts ierobežošanas trauks, kas paredzēts, lai nodrošinātu optimālu, stingri kontrolētu fizisko, ķīmisko un bioloģisko vidi dzīvo šūnu vai organismu augšanai un vielmaiņas aktivitātei. Atšķirībā no tradicionālajiem ķīmisko reakciju traukiem, kas strādā ar nedzīviem, paredzamiem ķīmiskiem reaģentiem, bioreaktoram ir jāatbalsta un jāuztur dzīvas bioloģiskas būtnes, kurām ir sarežģītas fizioloģiskas reakcijas, dažādas skābekļa prasības, jutība pret fiziskajiem bīdes spēkiem un atšķirīgas uztura prasības.
Fermentācijas reaktora dizaina, darbības, mērogošanas-uzlabošanas un problēmu novēršanas apguvei nepieciešama daudznozaru meistarība, kas aptver bioķīmisko inženieriju, mikrobioloģiju, termodinamiku, šķidruma dinamiku un automatizētu procesa vadību. Tā kā globālās rūpniecības nozares virzās no atkarības no naftas ķīmijas uz bio-aprites ekonomiku, šo sarežģīto bioloģisko kuģu anatomiju un darbības principu izpratne ir kļuvusi ļoti svarīga gan inženieriem, gan zinātniekiem, gan nozares vadītājiem. Šajā visaptverošajā rokasgrāmatā ir apskatīti galvenie dizaina kritēriji, masas pārneses dinamika, vides kontroles sistēmas un darbības režīmi, kas regulē mūsdienu rūpniecisko fermentāciju.
1. Bioreaktora konstrukcijas un tvertnes ģeometrijas pamati
Rūpnieciskās konstrukcijas projektēšanaFermentācijas reaktorssākas ar atbilstošas ģeometriskās konfigurācijas, mehāniskās pielaides un celtniecības materiālu izvēli, lai nodrošinātu konstrukcijas integritāti, absolūtu sterilitāti un optimālu šķidruma uzvedību. Atšķirībā no vienkāršām atvērtām uzglabāšanas tvertnēm moderns bioreaktors ir slēgta, spiediena -novērtēta sistēma, kas veidota tā, lai izturētu stingrus sterilizācijas ciklus, iekšējo tvaika spiedienu un mehāniskās slodzes tūkstošiem nepārtrauktas darbības stundu.
Materiālu izvēle ir galvenais dizaina apsvērums. Tā kā bioloģiskās kultūras, uzturvielu barotnes un vielmaiņas blakusprodukti var būt kodīgi vai jutīgi pret metālisku piesārņojumu, augstas -pakāpes austenīta nerūsējošais tērauds-, jo īpaši 316L-, kalpo kā zelta standarts rūpnieciskajiem kuģiem. Iekšējās virsmas apdarei jābūt rūpīgi noslīpētai, mehāniski pulētai un ķīmiski pasivētai, lai iegūtu īpaši gludu apdari, bieži vien sasniedzot vidējo virsmas raupjumu, kas mazāks par 0,4 mikrometriem. Šī spoguļ{9}}līdzīgā virsma novērš mikrobu bioplēves piestiprināšanos, novērš mikro-plaisas, kurās var paslēpties piesārņotāji, un nodrošina efektīvu tīrīšanu un sterilizāciju starp ražošanas reizēm.
Tvertnes ģeometrija parasti ir cilindriska, un to raksturo noteikta augstuma -līdz-diametra malu attiecība, kas parasti svārstās no 2:1 līdz 5:1 aerobās mikrobu fermentācijas gadījumā, lai gan tas mainās atkarībā no organisma bīdes jutības. Iekšējie komponenti ir konstruēti ar sanitārajiem tri-skavas piederumiem, vienā līmenī-montētiem diafragmas vārstiem un noapaļotām iekšējām šuvēm, lai novērstu mirušās zonas. Turklāt lielākajā daļā maisāmo{10}}tvertņu konfigurāciju ir iebūvētas vertikālas deflektori, kas piemetināti pie tvertnes sienām. Šie deflektori izjauc virpuļojošo virpuļu, ko rada rotējošie lāpstiņriteņi, pārveidojot rotācijas kinētisko enerģiju turbulentās, vertikālās sajaukšanās strāvās, kas uzlabo gāzes izkliedi un barības vielu sadalījumu visā šķidruma tilpumā. Turklāt galvas telpas dizains ir ļoti svarīgs; ir jāuztur pietiekams tilpuma attālums virs šķidruma darba tilpuma, lai nodrošinātu putošanos, izplūdes gāzu atdalīšanu un mehānisku putu sadalīšanas ierīču uzstādīšanu.
2. Aerācijas, maisīšanas un masas pārneses dinamika
Aerobās fermentācijas procesos,{0}}kur mikroorganismiem ir nepieciešams nepārtraukts skābekļa patēriņš, lai veicinātu šūnu elpošanu un metabolītu sintēzi,-gāzes-pārvade ir neapšaubāmi vissvarīgākais darbības uzdevums. Skābeklim ir ļoti zema šķīdība ūdens fermentācijas buljonos, kas nozīmē, ka mikrobu šūnas var ātri iztērēt izšķīdušo skābekli dažu minūšu laikā, ja aerācijas un maisīšanas sistēmas neizdodas.
Šī masas pārneses mehānisma sirds maisītā{0}}tvertnēFermentācijas reaktorsir dinamiska mijiedarbība starp gāzes smidzinātāju un mehānisko maisīšanas sistēmu. Smidzinātājs, kas atrodas trauka pamatnē zem zemākā lāpstiņriteņa, ievada buljonā sterilu saspiestu gaisu vai skābekli{1}}bagātinātas gāzes plūsmas smalku burbuļu veidā. Mehāniskajā maisītājā, ko darbina ārējs motors un magnētiskā vai mehāniskā vārpstas komplekts, tiek izmantoti specializēti lāpstiņriteņi-, piemēram, Rushton turbīnas diski lielai bīdes un gāzes izkliedēšanai, vai slīpi-lāpstiņas un jūras lāpstiņriteņi maigai aksiālai šķidruma sūknēšanai-lai nogrieztu lielus gaisa burbuļus, tādējādi maksimāli palielinot virsmas mikrobubulīšus. pieejams skābekļa pārnešanai.
Šīs sistēmas kopējo efektivitāti kvantitatīvi nosaka tilpuma skābekļa masas pārneses koeficients, ko parasti izsaka kā $ k_La $. Lai maksimāli palielinātu $k_La$, ir jāsabalansē vairāki konkurējoši mehāniskie mainīgie:
Darbrata uzgaļa ātrums un jaudas ievade:Lielāki rotācijas ātrumi palielina turbulenci un burbuļu sadalīšanos, bet pārmērīgs uzgaļa ātrums var radīt lielu bīdes spriegumu, kas fiziski bojā trauslās zīdītāju, augu vai pavedienu sēnīšu šūnas.
Virspusējais gāzes ātrums:Ātrumam, ar kādu sterils gaiss tiek spiests augšup caur šķidruma kolonnu, jābūt optimizētam, lai novērstu lāpstiņriteņu applūšanu, vienlaikus izvairoties no pārmērīgas putošanas.
Buljona reoloģija:Palielinoties biomasas koncentrācijai vai kultūrai izdaloties viskoziem ekstracelulāriem polisaharīdiem, buljona šķietamā viskozitāte dramatiski palielinās, kavējot burbuļu saplūšanas kontroli un prasa rūpīgu mehānisku pielāgošanu.
3. Vides kontroles un precizitātes sensoru integrācija
Optimālas augšanas kinētikas saglabāšana un produkta ražas maksimāla palielināšana aFermentācijas reaktorsnepieciešama nepārtraukta, slēgta{0}}cikla uzraudzība un reāllaika-regulēšana dažādiem fizikāliem un ķīmiskiem vides parametriem. Dzīvi organismi darbojas šauros fizioloģiskās tolerances lodziņos, un nelielas vides novirzes var izraisīt vielmaiņas stresu, plazmīdu zudumu vai pilnīgu fermentācijas neveiksmi.
Temperatūras kontrole ir ļoti svarīga, jo mikrobu elpošana un vielmaiņas aktivitāte rada ievērojamu bioloģisko siltumu, kas ir nepārtraukti jānoņem. Rūpnieciskajos reaktoros tiek izmantotas ārējās iedobes apvalki, iekšējās dzesēšanas spoles vai ārējie siltummaiņi, caur kuriem tiek cirkulēts atdzesēts ūdens, ko regulē automatizēti PID temperatūras regulatori, kas saistīti ar precīzas pretestības temperatūras detektoriem (RTD).
PH regulēšana ir vienlīdz svarīga, jo šūnu vielmaiņa pastāvīgi maina barības vielu buljona ķīmisko sastāvu, patērējot organiskās skābes vai izdalot vielmaiņas atkritumus. Automatizētās pH zondes nepārtraukti mēra skābuma līmeni, iedarbinot automatizētus peristaltiskos sūkņus, lai ievadītu sterilus skābes vai bāzes šķīdumus, lai saglabātu kultūru tās optimālajā iestatītajā vērtībā. Līdzīgi izšķīdušā skābekļa (DO) zondes uzrauga skābekļa pieejamību, ļaujot automatizētām vadības cilpām pielāgot maisīšanas ātrumu, gaisa plūsmas ātrumu vai skābekļa bagātināšanas koeficientus reāllaikā.
Putu kontrole ir vēl viens pastāvīgs darbības izaicinājums. Spēcīga aerācija apvienojumā ar olbaltumvielām-bagātu uzturvielu barotni bieži rada blīvas bioloģisko putu galviņas, kas var bloķēt izplūdes filtrus un piesārņot ierobežošanas līnijas. Lai cīnītos pret to,Fermentācijas reaktorssistēmās ir iekļauti elektroniskie putu sensori, kas automātiski aktivizē sterilu ķīmisku pretputu līdzekļu iesmidzināšanu vai aktivizē mehāniskus putu{0}}laušanas lāpstiņriteņus, kas uzstādīti uz maisītāja augšējās vārpstas.
4. Darbības režīmi: pakešu, padeves{1}}pakešu un nepārtraukti procesi
Veids, kādā barības vielas tiek piegādātas kultūrai un produkti tiek novākti, nosaka uzņēmuma darbības stratēģijuFermentācijas reaktors. Pareiza darbības režīma izvēle lielā mērā ir atkarīga no mērķa produkta, izaugsmes kinētikas un ražošanas iekārtas ekonomiskā mēroga.
Partijas fermentācija:Vienkāršākais darbības režīms, kad slēgtā sistēmā procesa sākumā tiek inokulēta noteikta mikrobu kultūra noteikta tilpuma uzturvielu barotnē. Izņemot skābekli, skābi/bāzi pH kontrolei un pretputu, skrējiena laikā netiek pievienotas nekādas papildu barības vielas. Lai gan sērijveida kultūrām ir viegli darboties un sterilizēt, tās piedzīvo barības vielu izsīkšanu un atkritumu uzkrāšanos, tādējādi ierobežojot galīgo biomasu un produktu titrus.
Padeves-partijfermentācija:Šis daļēji -atvērtais režīms tiek plaši uzskatīts par rūpnieciskās ražošanas standartu augsta{0} blīvuma rūpnieciskai ražošanai, un tas sākas kā standarta sērijveida process, bet koncentrētas ierobežojošas barības vielas (piemēram, glikozes vai oglekļa avoti) laika gaitā tiek sistemātiski ievadītas traukā saskaņā ar iepriekš noteiktiem barošanas profiliem. Šī stratēģija novērš katabolītu apspiešanu, izvairās no substrāta inhibīcijas un ļauj operatoriem sasniegt ārkārtīgi augstu šūnu blīvumu un tilpuma produktivitāti.
Nepārtraukta fermentācija (hemostats/turbidostats):Šajā uzlabotajā atvērtajā sistēmā sterila barotne tiek nepārtraukti iesūknēta fermentācijas reaktorā ar nemainīgu, kontrolētu ātrumu, vienlaikus izvelkot līdzvērtīgu daudzumu kultūras buljona, kas satur šūnas un produktus. Tādējādi kultūra tiek uzturēta vienmērīgā eksponenciālas izaugsmes stāvoklī uz nenoteiktu laiku, maksimāli palielinot darbības laiku un aprīkojuma izmantošanu, lai gan ir nepieciešama stingra sterilitātes pārvaldība, lai novērstu ilgstošu-mikrobu piesārņojumu vai celmu mutāciju.
5. Sterilizācijas protokoli, tīra-vietā-(CIP) un bioloģiskās drošības ierobežojums
Darbojas industriālāFermentācijas reaktorsveiksmīgi pieprasa bezkompromisa apņemšanos ievērot absolūtas sterilitātes un ierobežošanas protokolus. Tā kā uzturvielām-bagāti fermentācijas buljoni nodrošina ideālu augsni oportūnistiskām savvaļas baktērijām un sēnītēm, pat neliels piesārņojums var izkonkurēt ražošanas celmu, sabojāt visu partiju un izmaksāt simtiem tūkstošu dolāru zaudētu izejvielu un dīkstāves dēļ.
Sterilizācijas protokoli ir sadalīti divās galvenajās procedūrās:
Sterilizēt-vietā-(SIP):Pastāvīgiem, cietiem{0}}nerūsējošā tērauda traukiem SIP ietver augsta-piediena kulinārijas tvaika (parasti 121 grādu pēc Celsija vai augstāku) injicēšanu caur katru cauruli, vārstu, sensora pieslēgvietu un tvertnes sieniņu, lai nodrošinātu ilgstošu aizturēšanas laiku, lai termiski iznīcinātu visas mikrobu sporas un veģetatīvās šūnas.
Clean-In-Place (CIP): automatizēti tīrīšanas cikli, kuros tiek izmantota secīga karsēta ūdens skalošana, kaustiskās sodas šķīdumi, mazgāšana ar skābi un galīgā attīrīta ūdens skalošana, lai pirms nākamā sterilizācijas cikla no iekšējām virsmām attīrītu atlikušās organiskās netīrības, olbaltumvielas un šūnu gružus.
Turklāt, strādājot ar ģenētiski modificētiem organismiem (ĢMO) vai patogēniem aģentiem, bioloģiskās drošības ierobežošanas inženierija kļūst kritiska. Izplūdes gāzēm, kas iziet no fermentācijas reaktora, ir jāiziet cauri apsildāmiem-gāzes kondensatoriem un divpakāpju-hidrofobiem membrānas steriliem ventilācijas filtriem, lai novērstu dzīvotspējīgu bioloģisko aerosolu nokļūšanu apkārtējā vidē, nodrošinot pilnīgu atbilstību starptautiskajiem bioloģiskās drošības noteikumiem.
Secinājums
TheFermentācijas reaktorsir ievērojama mikrobioloģijas, mašīnbūves, termodinamikas un automatizētas procesa kontroles konverģence. Sākot ar sarežģītu gāzes-šķidruma masas pārneses dinamiku un smalku maisīšanas parametru{2}}regulēšanu līdz absolūtai sterilai norobežošanai un izsmalcinātu padeves-padeves stratēģiju īstenošanai, veiksmīgai bioreaktora darbībai ir nepieciešama stingra zinātniskā disciplīna un darbības precizitāte.
Tā kā globālā biotehnoloģija turpina attīstīties uz ilgtspējīgākām ražošanas paradigmām,{0}}kas ražo visu, sākot no jaunām zālēm un fermentiem līdz zaļām ķīmiskām vielām un alternatīviem pārtikas produktiem,-šo bioloģisko trauku dizains un optimizācija joprojām būs rūpniecisko inovāciju līderi. Apgūstot bioreaktora ģeometrijas, vides regulēšanas un darbības režīmu pamatprincipus, inženieri un zinātnieki var pilnībā atraisīt dzīvo sistēmu komerciālo potenciālu, virzot tīrāku, produktīvāku bio-bīstamu nākotni.