Įvadas
Sparčiai besiplečiančiame biotechnologijų, farmacijos gamybos, pramoninių fermentų gamybos, tvarių chemikalų ir alternatyvių baltymų kūrimo kraštovaizdyje kontroliuojamas gyvų ląstelių ir mikroorganizmų auginimas yra kertinis akmuo. Nesvarbu, ar genetiškai modifikuotų bakterijų kūrimas, siekiant sintetinti gyvybę-gelbstinčius terapinius baltymus, auginant tvirtas mielių padermes atsinaujinančiam biokurui gaminti, ar sudėtingų grybų grybienos auginimas tvariems maisto produktams, visos biologinės įmonės sėkmė priklauso nuo vienos labai specializuotos pramoninės įrangos: fermentacijos reaktoriaus.
Fermentacijos reaktorius, dažnai vadinamas bioreaktoriumi, yra kruopščiai sukonstruotas izoliacinis indas, sukurtas užtikrinti optimalią, griežtai kontroliuojamą fizinę, cheminę ir biologinę aplinką gyvų ląstelių ar organizmų augimui ir metaboliniam aktyvumui. Skirtingai nuo tradicinių cheminių reakcijų indų, kuriuose naudojami negyvi, nuspėjami cheminiai reagentai, bioreaktorius turi palaikyti ir puoselėti gyvus biologinius subjektus, turinčius sudėtingą fiziologinį atsaką, skirtingą deguonies poreikį, jautrumą fizinėms šlyties jėgoms ir skirtingus mitybos poreikius.
Norint įvaldyti fermentacijos reaktoriaus konstrukciją, veikimą, mastelį-diegti ir šalinti triktis, reikia daugiadalykio meistriškumo, apimančio biocheminę inžineriją, mikrobiologiją, termodinamiką, skysčių dinamiką ir automatizuotą proceso valdymą. Pasaulio pramonės šakoms nutolstant nuo naftos chemijos ir pereinant prie bio-pagrįstos žiedinės ekonomikos, inžinieriams, mokslininkams ir pramonės lyderiams tapo labai svarbu suprasti šių sudėtingų biologinių laivų pagrindinę anatomiją ir veikimo principus. Šiame išsamiame vadove nagrinėjami pagrindiniai projektavimo kriterijai, masės perdavimo dinamika, aplinkos kontrolės sistemos ir veikimo režimai, kurie valdo šiuolaikinę pramoninę fermentaciją.
1. Bioreaktoriaus projektavimo ir indo geometrijos pagrindai
Pramonės konstrukcijų projektavimasFermentacijos reaktoriusprasideda tinkamos geometrinės konfigūracijos, mechaninių leistinų nuokrypių ir konstrukcinių medžiagų parinkimu, kad būtų užtikrintas konstrukcijos vientisumas, absoliutus sterilumas ir optimalus skysčio elgesys. Skirtingai nuo paprastų atvirų talpyklų, modernus bioreaktorius yra uždara, slėginė{1}}sistema, sukurta taip, kad atlaikytų griežtus sterilizavimo ciklus, vidinį garų slėgį ir mechanines apkrovas tūkstančius nuolatinio veikimo valandų.
Medžiagos pasirinkimas yra pagrindinis dizaino aspektas. Kadangi biologinės kultūros, maistinės terpės ir metaboliniai šalutiniai produktai gali būti ėsdinantys arba jautrūs metaliniam užteršimui, aukštos -klasės austenitinis nerūdijantis plienas-, ypač 316L-, yra aukso standartas pramoniniams laivams. Vidinė paviršiaus apdaila turi būti kruopščiai nušlifuota, mechaniškai poliruota ir chemiškai pasyvuota, kad būtų pasiekta itin-lygi apdaila, o vidutinis paviršiaus šiurkštumas dažnai būna mažesnis nei 0,4 mikrometro. Šis veidrodinis{9}}paviršius apsaugo nuo mikrobų bioplėvelės prisitvirtinimo, pašalina mikro-įtrūkimus, kuriuose gali pasislėpti teršalai, ir užtikrina veiksmingą valymą bei sterilizavimą tarp gamybos etapų.
Indo geometrija paprastai yra cilindrinė, jai būdingas konkretus aukščio -ir-skersmens kraštinių santykis, kuris paprastai svyruoja nuo 2:1 iki 5:1 aerobinės mikrobinės fermentacijos atveju, nors tai skiriasi priklausomai nuo organizmo šlyties jautrumo. Vidiniai komponentai sukonstruoti su sanitarinėmis tri-spaustuvų jungtimis, įleidžiamomis-diafragminėmis vožtuvais ir suapvalintomis vidinėmis siūlėmis, kad būtų pašalintos negyvos zonos. Be to, daugumoje maišomų{10}}tankų konfigūracijų yra vidinių vertikalių pertvarų, privirintų prie indo sienelių. Šios pertvaros sutrikdo besisukančių sparnuočių sukuriamą sūkurį, sukimosi kinetinę energiją paversdamos turbulentinėmis, vertikaliomis maišymosi srovėmis, kurios pagerina dujų dispersiją ir maistinių medžiagų pasiskirstymą visame skysčio tūryje. Be to, erdvės dizainas yra labai svarbus; virš skysčio darbinio tūrio turi būti išlaikytas pakankamas tūrinis tarpas, kad būtų išvengta putojimo, išmetamųjų dujų atsipalaidavimo ir mechaninių putų laužymo įtaisų įrengimo.
2. Aeracijos, maišymo ir masės perdavimo dinamika
Aerobinių fermentacijos procesų,{0}}kai mikroorganizmams reikalingas nuolatinis deguonies suvartojimas, kad būtų skatinamas ląstelių kvėpavimas ir metabolitų sintezė,-skysčių masės perdavimas yra bene svarbiausias uždavinys. Deguonis labai mažai tirpsta vandeniniuose fermentacijos sultiniuose, o tai reiškia, kad mikrobų ląstelės gali greitai išeikvoti ištirpusį deguonį per kelias minutes, jei sugenda aeravimo ir maišymo sistemos.
Šio masės perdavimo mechanizmo šerdis maišomame{0}}bakeFermentacijos reaktoriusyra dinamiška sąveika tarp dujų purkštuvo ir mechaninės maišymo sistemos. Purškiklis, esantis indo apačioje po žemiausiu sparnuotės ratu, į sultinį smulkių burbuliukų pavidalu įveda sterilų suslėgtą orą arba deguonimi{1}}prisodrintus dujų srautus. Mechaniniame maišytuve, varomame išorinio variklio ir magnetinio arba mechaninio veleno mazgo, naudojami specializuoti sparnuotės,-pvz., Rushton turbinos diskai, užtikrinantys dideles šlyties ir dujų sklaidą, arba nuožulnūs-mentiniai ir jūriniai sparnuotės, skirtos švelniam ašiniam skysčio siurbimui,{5}}supjaustant didelius oro burbuliukus į mažesnius paviršių prieinamas deguonies perdavimui.
Bendras šios sistemos efektyvumas kiekybiškai įvertinamas tūriniu deguonies masės perdavimo koeficientu, paprastai išreiškiamu $ k_La $. Norint padidinti $k_La$, reikia subalansuoti kelis konkuruojančius mechaninius kintamuosius:
Darbaračio antgalio greitis ir galia:Didesnis sukimosi greitis padidina turbulenciją ir burbulų skilimą, tačiau per didelis antgalio greitis gali sukelti didelį šlyties įtempį, kuris fiziškai pažeidžia trapias žinduolių, augalų ar siūlinių grybelių ląsteles.
Paviršinis dujų greitis:Greitis, kuriuo sterilus oras stumiamas aukštyn per skysčio kolonėlę, turi būti optimizuotas, kad būtų išvengta sparnuotės užtvindymo ir išvengta pernelyg didelio putojimo.
Sultinio reologija:Didėjant biomasės koncentracijai arba kultūrai išskiriant klampius ekstraląstelinius polisacharidus, tariamas sultinio klampumas smarkiai padidėja, o tai trukdo kontroliuoti burbuliukų susiliejimą ir reikalauja kruopštaus mechaninio pritaikymo.
3. Aplinkos kontrolė ir tikslumo jutiklių integravimas
Išlaikyti optimalią augimo kinetiką ir maksimaliai padidinti produkto derlių per aFermentacijos reaktoriusreikalingas nuolatinis uždaras{0}}ciklas stebėjimas ir daugybės fizinių ir cheminių aplinkos parametrų{1}}reguliavimas realiuoju laiku. Gyvi organizmai veikia siauruose fiziologiniuose tolerancijos langeliuose, o nedideli aplinkos nukrypimai gali sukelti metabolinį stresą, plazmidės praradimą arba visišką fermentacijos gedimą.
Temperatūros kontrolė yra svarbiausia, nes mikrobų kvėpavimas ir medžiagų apykaitos aktyvumas sukuria didelę biologinę šilumą, kuri turi būti nuolat šalinama. Pramoniniuose reaktoriuose naudojami išoriniai įdubimai, vidiniai aušinimo gyvatukai arba išoriniai šilumokaičiai, per kuriuos cirkuliuoja atšaldytas vanduo, valdomi automatiniais PID temperatūros reguliatoriais, sujungtais su precizinio atsparumo temperatūros detektoriais (RTD).
pH reguliavimas yra ne mažiau svarbus, nes ląstelių metabolizmas nuolat keičia maistinių medžiagų sultinio cheminę sudėtį vartodamas organines rūgštis arba išskirdamas medžiagų apykaitos atliekas. Automatiniai pH zondai nuolat matuoja rūgštingumo lygį, suaktyvindami automatinius peristaltinius siurblius, kad sušvirkštų sterilius rūgšties arba bazės tirpalus, kad kultūra išlaikytų optimalią nustatytą vertę. Panašiai ištirpusio deguonies (DO) zondai stebi deguonies prieinamumą, leisdami automatinėms valdymo kilpoms reguliuoti maišymo greitį, oro srautą arba deguonies prisodrinimo koeficientą realiuoju laiku.
Putų kontrolė yra dar vienas nuolatinis veikimo iššūkis. Energinga aeracija kartu su daug baltymų{1}}turinčiomis maistinėmis medžiagomis dažnai sukuria tankias biologinių putų galvutes, kurios gali užblokuoti išmetamųjų dujų filtrus ir užteršti izoliavimo linijas. Norėdami su tuo kovoti,Fermentacijos reaktoriussistemose yra elektroniniai putų jutikliai, kurie automatiškai suaktyvina sterilių cheminių putplasčio medžiagų įpurškimą arba suaktyvina mechaninius putas{0}}laužančius sparnuočius, sumontuotus ant viršutinio maišytuvo veleno.
4. Veikimo režimai: paketiniai, tiekimo{1}}paketiniai ir nuolatiniai procesai
Maistinių medžiagų tiekimo į kultūrą ir produktų derliaus nuėmimo būdas lemia įmonės veiklos strategijąFermentacijos reaktorius. Tinkamo veikimo režimo pasirinkimas labai priklauso nuo tikslinio produkto, augimo kinetikos ir gamybos įrenginio ekonominio masto.
Partijos fermentacija:Paprasčiausias veikimo režimas, kai proceso pradžioje uždara sistema pasėjama tam tikra mikrobų kultūra fiksuotame maistinės terpės tūryje. Be deguonies, pH kontrolei skirtos rūgšties / bazės ir putplasčio, važiavimo metu nepridedama jokių papildomų maistinių medžiagų. Nors partijos kultūros yra lengvai valdomos ir sterilizuojamos, jos patiria maistinių medžiagų išeikvojimą ir atliekų kaupimąsi, o tai riboja galutinę biomasę ir produktų titrus.
Fed{0}}Paketinis fermentavimas:Plačiai laikomas didelio{0}}tankio pramoninės gamybos pramonės standartu, šis pusiau -atviras režimas prasideda kaip standartinis paketinis procesas, tačiau koncentruotos ribojančios maistinės medžiagos (pvz., gliukozės ar anglies šaltiniai) laikui bėgant sistemingai tiekiamos į indą pagal iš anksto nustatytus maitinimo profilius. Ši strategija apsaugo nuo katabolitų slopinimo, išvengia substrato slopinimo ir leidžia operatoriams pasiekti išskirtinai didelį ląstelių tankį ir tūrinį produktyvumą.
Nuolatinė fermentacija (chemostatas / turbidostatas):Šioje pažangioje atviroje sistemoje sterili maistinė terpė nuolat pumpuojama į fermentacijos reaktorių pastoviu, kontroliuojamu greičiu, tuo pat metu ištraukiamas lygiavertis kultūros sultinio, kuriame yra ląstelių ir produktų, tūris. Tai neribotą laiką palaiko pastovią kultūros augimo būseną, maksimaliai padidindama veikimo laiką ir įrangos panaudojimą, tačiau norint išvengti ilgalaikio -mikrobinio užteršimo ar padermės mutacijos, reikalingas griežtas sterilumo valdymas.
5. Sterilizacijos protokolai, švaros-vietoje- (CIP) ir biologinės saugos laikymas
Veikiantis pramoninisFermentacijos reaktoriussėkmingai reikalauja bekompromisinio įsipareigojimo laikytis absoliutaus sterilumo ir izoliavimo protokolų. Kadangi maistinių medžiagų-turtingi fermentacijos sultiniai yra ideali terpė veistis oportunistinėms laukinėms bakterijoms ir grybeliams, net ir nedidelis užteršimo įvykis gali nukonkuruoti gamybos padermę, sugadinti visą partiją ir kainuoti šimtus tūkstančių dolerių dėl prarastų žaliavų ir prastovų.
Sterilizacijos protokolai skirstomi į dvi pagrindines procedūras:
Sterilizuokite-vietoj-(SIP):Nuolatiniams, kietiems{0}}vamzdžiams nerūdijančio plieno indams SIP įpurškia aukšto-slėgio kulinarinius garus (paprastai 121 laipsnio Celsijaus ar aukštesniu) per kiekvieną vamzdį, vožtuvą, jutiklio prievadą ir indo sienelę, kad būtų palaikomas terminis visas mikrobų sporas ir vegetatyvines ląsteles.
Valymas-Vietoje (CIP): automatiniai valymo ciklai, naudojant nuoseklų pašildyto vandens, kaustinės sodos tirpalų, rūgšties plovimo ir galutinį išvalyto vandens skalavimą, siekiant pašalinti organinių nešvarumų, baltymų ir ląstelių šiukšles nuo vidinių paviršių prieš kitą sterilizavimo ciklą.
Be to, dirbant su genetiškai modifikuotais organizmais (GMO) arba patogeniniais agentais, biologinės saugos izoliavimo inžinerija tampa labai svarbi. Iš Fermentacijos reaktoriaus išeinančios išmetamosios dujos turi praeiti per įkaitintus-dujų kondensatorius ir dviejų-pakopų hidrofobinius membraninius sterilius ventiliacinius filtrus, kad gyvybingi biologiniai aerozoliai nepatektų į supančią aplinką, užtikrinant visišką tarptautinių biologinės saugos taisyklių laikymąsi.
Išvada
TheFermentacijos reaktoriusyra puikus mikrobiologijos, mechaninės inžinerijos, termodinamikos ir automatizuoto procesų valdymo konvergencija. Nuo sudėtingos dujų-skysčių masės perdavimo dinamikos ir subtilių maišymo parametrų derinimo iki absoliutaus sterilumo palaikymo ir sudėtingų tiekimo-paketų strategijų vykdymo – sėkmingam bioreaktoriaus veikimui reikia griežtos mokslinės disciplinos ir veikimo tikslumo.
Pasaulinei biotechnologijai ir toliau tobulėjant link tvaresnių gamybos paradigmų, -gaminant viską nuo naujų vaistų ir fermentų iki ekologiškų cheminių medžiagų ir alternatyvaus maisto,-šių biologinių indų dizainas ir optimizavimas išliks pažangiausiomis pramonės inovacijomis. Įvaldę pagrindinius bioreaktoriaus geometrijos, aplinkos reguliavimo ir veikimo režimų principus, inžinieriai ir mokslininkai gali išnaudoti visą komercinį gyvųjų sistemų potencialą ir sukurti švaresnę, produktyvesnę bio-pagrįstą ateitį.