Биореактор что это такое

Ферментер

Рис. 1. Ферментер и биореактор

Также эти аппараты различаются устройством импеллера. Импеллер – это, другими словами, перемешивающее устройство. Если в ферментёре обычно ставится турбина Раштона (см. рис. 2), которая обеспечивает высокую скорость перемешивания, то в биореакторе – «морской винт» или импеллер с наклонными лопастями (см. рис. 3). Этот импеллер более бережно перемешивает хрупкие клетки.

Различия также касаются барботёра, который находится внутри аппарата. Барботёр – это устройство для пропускания через слой жидкости пузырьков газа. Он нужен для насыщения жидкости кислородом или другими газами при интенсивном перемешивании. В ферментёре целесообразнее использовать кольцевой барботёр с достаточно крупными отверстиями ввиду его простой конструкции (см. рис. 2). А в биореакторе используются микропористые барботеры из спечённого металла, т.к. на выходе при относительно невысокой степени аэрации они дают очень маленькие пузырьки, что обеспечивает хорошую растворимость газа в культуральной жидкости.

Рис. 2. Кольцевой барботер и импеллер Раштона

Рис. 3. Микробарботер и импеллер с наклонными лопастями

А теперь немного расскажу про компанию, которая создает биореакторы и ферментёры. Это российская компания «БИОТЕХНО», работающая на этом рынке с 1998 года. У создателей компании был опыт работы на реальных биотехнологических производствах, поэтому они хорошо знакомы с этой темой.

После создания фирмы они поставляли для продажи иностранное оборудование различных производителей. Имея необходимый опыт и знания, основатели компании поняли, что могут сами создавать любые по сложности аппараты и по цене ниже европейских аналогов. Между прочим, зарубежное оборудование для фармацевтических производств стоит сотни тысяч евро.

В БИОТЕХНО собрали команду квалифицированных специалистов, и они стали производить биореакторы для российского рынка, который испытывал дефицит в подобном оборудовании. Если кто-то в России ранее производил такие аппараты, то они были в основном полукустарного производства, или собирались как побочный продукт на больших заводах, которые делают различное оборудование (см. рис 4).

Рис. 4. Специалисты ГК «БИОТЕХНО» устанавливают спин-фильтр на биореактор

Компания БИОТЕХНО в свою очередь сосредоточила свои усилия на создании именно биореакторов и ферментёров. Собственное производство открылось в 2011 году. На данный момент компания производит аппараты из нержавеющей стали, в том числе стали марки 316L, которая отличается инертностью в химическом плане и даёт очень прочные сварные швы.

В зависимости от заказа, здесь собираются различные биореакторы – от достаточно простых, бюджетных вариантов, и до сложных конструкций. Каждый аппарат проектируется под конкретного заказчика. В состав аппарата входит сам сосуд с системой перемешивания, блок управления (электрический шкаф, контроллеры, а также компьютер) и трубная обвязка – она может быть, как минимальной, так и весьма сложной, включающей в себя систему термостатирования, систему подачи газов, систему выхода газов, систему ввода подпиток, систему отбора проб, систему мойки и стерилизации аппарата на месте.

Срок поставки биореактора составляет обычно 6-7 месяцев.

После сборки аппарата на заводе, по заранее подготовленному плану, согласованному с заказчиком, проводятся приемочные испытания, в которые входит проверка всех параметров оборудования. Если в ходе тестирования биореактора обнаруживается несоответствие техническим характеристикам, принимается решение об исправлении этих недочетов.

Подобные испытания оборудование проходит и после доставки к своему заказчику. Аппарат тестируется после монтажа и пусконаладочных работ. Для того, чтобы заказчик удостоверился в качестве оборудования, проверяются абсолютно все системы.

Чтобы биореактор или ферментёр работал долго и качественно, необходимо регулярное обслуживание – своевременная замена быстроизнашиваемых частей, смазка – то есть примерно, как уход за автомобилем. Если в течении срока эксплуатации аппарата с ним что-то случится, понадобятся расходники или сервис, то БИОТЕХНО решит любые проблемы своих заказчиков благодаря наличию собственной сервисной службы.

Наличие в России такой компании как БИОТЕХНО даёт возможность решать подобные задачи, а также оснащать вакцинные производства оборудованием, отвечающим всем современным требованиям. Благодаря этому Россия уже способна производить противоковидидные препараты.

Источник

Биореактор

Биореактор — прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в процессе микробиологического синтеза.

Применяется в биотехнологической промышленности при производстве лекарственных и ветеринарных препаратов, вакцин, метана, продуктов пищевой промышленности (ферменты, пищевые добавки, глюкозные сиропы), а также при биоконверсии крахмала и производстве полисахаридов и нефтедеструкторов.

Различают механические, аэрлифтные и газо-вихревые биореакторы, а также аэробные (с подачей воздуха или газовых смесей с кислородом), анаэробные (без подачи кислорода) и комбинированные — аэробно-анаэробные. В последнем случае в комбинированном биореакторе проводят культивирование как аэробных, так и анаэробных культур одновременно. Обычно это применяется для получения биогаза, когда тепловыделения в аэробном процессе используют для подогрева анаэробной культуры.

Принцип действия биореактора

Назначением всякого биореактора является создание оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нём клеток и микроорганизмов, а именно обеспечивать дыхание, подвод питания и отвод метаболитов путём равномерного перемешивания газовой и жидкой составляющих содержимого биореактора. При этом нежелательно подвергать клетки тепловому или механическому воздействию.

В механическом биореакторе перемешивание осуществляется механической мешалкой, что приводит к недостаточно равномерному перемешиванию с одной стороны, и к гибели микроорганизмов с другой.

В аэрлифтном биореакторе перемешивание осуществляется за счёт продувки газовой фазы через жидкость (барботажное перемешивание), что не всегда обеспечивает достаточно интенсивное перемешивание и приводит к нежелательному пенообразованию.

В биореакторе газо-вихревого типа перемешивание осуществляется квазистационарным потоком с осевым противотоком, который создаётся аэрирующим газовым вихрем за счёт перепада давления над поверхностью и силы трения воздушного потока о поверхность суспензии.

Источник

Как мы запускали собственную систему управления биореакторами BioGain

Хабр, привет! Мы — биотехнологическая компания BIOCAD, разрабатываем, исследуем и производим лекарственные препараты. Сегодня Александр Колесов, руководитель отдела разработки ПО, расскажет, как мы строили собственную систему управления биореакторами на базе openSCADA и отечественных контроллеров.

Зачем все это нужно

Сперва поговорим о том, что такое биореактор и зачем он нужен. Это — аппарат, предназначенный для суспензионного культивирования клеток млекопитающих или микроорганизмов в питательной среде при контролируемых условиях.

Мы в BIOCAD применяем их в разработке лекарств— например, для борьбы с онкологическими и аутоиммунными заболеваниями.

Как выглядит биореактор

Структура биореактора меняется в зависимости от типа производства или разрабатываемого препарата — какие-то компоненты добавляют, какие-то, наоборот, убирают. Однако одним из ключевых элементов каждого устройства является так называемый культуральный сосуд (биореактор). Чаще всего это — крупная колба с крышкой, в которой происходит микробиологический синтез. В колбе имеется миксер, перемешивающий питательную среду, чтобы полезные вещества равномерно распределялись между всеми клетками. К сосуду также подключены трубки разного диаметра — они нужны для подачи кислорода, азота и углекислого газа, а также отвода метаболитов. За «прокачку» воздушных смесей отвечают контроллеры расхода газов (MFC), а за движение жидкостей — специальная насосная станция.

Микробиологический синтез — тонкий процесс, поэтому в биореакторе нужно поддерживать постоянную температуру питательной среды. Требуется строгое соблюдение условий культивирования, а также соблюдение дозировок дополнительно вносимых питательных веществ. Даже при небольших отклонениях от нормы возникает риск гибели клеток и потери процесса. По этой причине в паре с биореактором работают сложные системы автоматизации и управления с высокоточными датчиками и контроллерами. Они регулируют вес культуральной жидкости, уровень pH, потребление кислорода и другие параметры.

Биореакторы могут быть различных объемов: существуют как промышленные установки на сотни литров для массового производства вакцин (если говорить о сфере фармакологии), так и более компактные варианты. Последние нужны для разработки рецептуры и проведения тестов в лабораториях. Например, вот так выглядит «настольный» биореактор BioGain II в BIOCAD:

Почему отказались от готовых решений

Мы решили постепенно отказаться от устройств автоматизации, поставляемых коллегами — работа с готовыми продуктами имела свои недостатки:

Закрытость систем. Установки, поставляемые нашими партнерами, были проприетарными и, соответственно, закрытыми для модификаций. В большинстве случаев мы были вынуждены работать в рамках той функциональности, которую поставщик предлагает «из коробки». Мы могли вносить какие-либо изменения или добавлять интеграции с новыми информационными системами, но этот вопрос решался долго и с привлечением сервисных служб поставщика.

Аналогичная ситуация сложилась с ПО SCADA. Это — программный пакет, способный обрабатывать существенные объемы данных на лету и предоставлять статистику. Мы ежегодно платили за техническую поддержку и обновления, однако ничего не могли поделать, если заложенные в систему функции не отвечали нашим требованиям. На запросы по функциональности технические специалисты поставщика чаще всего отвечали: «Это работает так, как работает».

Устаревшее оборудование. Российский рынок не был основным для наших партнеров, что отражалось на цепочке поставок. Когда за рубежом уже использовали новые установки, мы получали их предыдущее поколение, а это были громоздкие аналоговые платформы. С ними было сложно выделиться, поскольку их инструментарий был идентичен тому, что уже использовали конкуренты.

Мало данных. Аналоговая природа системы управления накладывала ограничения на объемы данных о процессах внутри биореактора, которые мы могли собирать. Например, сигнал на выходе аналогового датчика уровня pH можно преобразовать только в одну инженерную единицу — кислотность среды. Единственное, что мы можем дополнительно проконтролировать, это обрыв кабеля (неисправность сенсора) — тогда сигнал просто пропадает. Обработка собранных данных также вызывала сложности, так как все протоколы были проприетарными, и исправить что-то самостоятельно мы не могли.

Встал вопрос импортозамещения. В какой-то момент ряд элементов зарубежных биореакторов стало невозможно приобрести, что вызвало проблемы с масштабированием, обслуживанием и эксплуатацией парка биореакторов.

Поэтому мы открыли новое направление по автоматизации техпроцессов и начали разработку собственной системы управления биореакторами. Сперва мы пошли простым путем и попробовали собрать аналог зарубежной установки — проанализировали её датчики, преобразователи, контроллеры и SCADA-системы.

Для компонентов, которые были нам недоступны, подобрали аналоги. Далее, опираясь на уже известную элементную базу, стали писать собственное программное обеспечение. Но «первый блин вышел комом» — мы потратили на разработку год, а итоговый продукт получился слишком громоздким.

Наша установка по размерам напоминала шкаф, весила около 300 кг, а её стоимость не сильно отличалась от решений зарубежных коллег. На этом этапе пришла идея модернизировать всю систему управления — сделать её цифровой и отказаться от коммерческих SCADA-систем, то есть перейти на open source.

Как перешли к своей системе управления

Система управления биореактором — это программно-аппаратный комплекс, где все процессы взаимосвязаны. Если установлен неподходящий датчик или насос, то недостаток приходится компенсировать на программном уровне, но если «железо» изначально выбрано корректно, то результат выходит хорошим. Поэтому мы вели разработку сразу в двух направлениях — аппаратном и программном.

Что с программным решением

Раньше для сбора, отображения и архивирования информации о техпроцессах внутри биореактора мы использовали коммерческое SCADA-решение Wonderware. Чтобы получить больше гибкости в вопросах мониторинга, веб-визуализации и обмена данными с другими информационными системами, мы переключились на открытое ПО. Выбор остановили на продукте openSCADA.

Разработка первого прототипа заняла у нас примерно три-четыре месяца. Полностью работоспособную систему, которую мы могли стабильно поддерживать и масштабировать, запустили спустя год. Теперь мы можем расширять возможности openSCADA с помощью «самописных» микросервисов на языке Golang.

На базе openSCADA мы реализовали веб-интерфейс для управления биореакторами. Он содержит важную информацию о состоянии аппаратных модулей, и из него можно управлять всеми функциями: датчиками, термостатами, миксерами и насосами. Например, настраивать скорость вращения «мешалки» или задавать для неё пороговое значение.

Что с аппаратным направлением

Работу начали с того, что заменили элементную базу на российские компоненты. Мы могли продолжить использовать зарубежные контроллеры, но это сказалось бы на скорости поставки и технической поддержке. Плюс нам было бы сложнее договориться с производителями о доработке под наши задачи.

Программируемый логический контроллер (ПЛК), а также модули ввода-вывода мы построили на решениях FASTWEL. Все устройства компания поставляет «пустыми» (без «зашитых» алгоритмов) — это удобно, потому что так мы можем самостоятельно запрограммировать любую логику работы. Например, контроллер FASTWEL отвечает за технологический процесс — поддержание температуры, уровня растворенного кислорода и pH в культуральном сосуде биореактора. Алгоритмы открывают клапаны, запускают насосы, и реализуют защитные механизмы при возникновении нештатных ситуаций (могут автоматически остановить насос). Также мы использовали устройство Trim5 фирмы Segnetics. Оно выступает в роли сенсорной панели для отображения ключевых параметров процесса.

То, что теперь мы плотнее сотрудничаем с российскими партнерами, не означает, что мы полностью разорвали отношения с иностранными коллегами. Например, совместно с компанией Hamilton был разработан уникальный датчик биомассы для контроля жизнеспособности клеток — ранее на рынке таких продуктов не было.

По большей части переход на новую элементную базу прошел гладко. Пожалуй, единственной серьезной проблемой, с которой мы столкнулись, стал кадровый вопрос. Было сложно найти специалистов, способных свободно ориентироваться в проекте, находящемся на стыке двух областей — проектирования автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) и веб-разработки. Нам были нужны инженеры, владеющие навыками программирования алгоритмов для ПЛК, и одновременно разбирающиеся в тонкостях frontend- и backend-разработки. Оба направления имеют свою специфику и необходимы при создании систем, управляющих физическими устройствами — будь то биореактор или роботизированная рука на конвейере. К таким системам иные, более строгие, требования по надежности и безопасности. Помимо навыков программирования, нужные нам специалисты должны иметь представление о биотехнологиях. Найти таких людей на рынке труда практически невозможно, поэтому для нас единственно верным выходом стало обучение собственных кадров.

Что в итоге

Начиная разработку собственного инструмента для управления биореакторами, мы поставили перед собой задачу сделать его цифровым с помощью отечественного аппаратного обеспечения и open source. Эту задачу мы выполнили — вместо массивного шкафа, получили компактную систему весом не более 5 кг.

Важный момент состоит в том, что благодаря цифровизации мы получили возможность получать больше данных о технологических процессах. Теперь с датчика мы снимаем не один сигнал, а сотни — включая множество диагностических параметров о состоянии сенсора. Аналогичная картина сложилась с исполнительными механизмами — контроллерами расхода газов, блоком смешения, насосной станцией. Информация о состоянии этих модулей позволяет нам точнее вести техпроцесс и не гадать, что сейчас происходит внутри биореактора. Можно изучить любой параметр или их связку в динамике — например, понять, как менялся расход кислорода за весь процесс культивирования клеток.

Поскольку мы построили наше решение на базе открытого программного обеспечения, то смогли самостоятельно реализовать несколько нестандартных функций. Например, мы добавили в SCADA возможность работы с telegram-ботом. Он оповещает персонал о нештатных ситуациях. Сотрудник подписывается на важное для него оборудование и получает уведомления о ходе технологического процесса и авариях. Также у бота можно запросить график с любым ключевым параметром биореактора — без необходимости заходить в веб-терминал. Такую функциональность ни один коммерческий пакет нам предложить не может.

Но пожалуй, самым полезным нововведением стала возможность перестраивать одну и ту же инфраструктуру под любые задачи. Мы контролируем все — от конструкторской разработки и проектирования до программного обеспечения, позволяющего интегрироваться с другими системами. В итоге мы можем решать задачи, которые стоят именно перед нашим производством, а не перед каким-то усреднённым, под которые заточены коробочные продукты.

Один биореактор можно настроить на подготовку среды для самых разных микроорганизмов благодаря рецептурному управлению. В этом случае мастер-технолог вручную настраивает все шаги алгоритма — запустить насос на час, потом повысить температуру до значения N и так далее. Такой подход позволяет производить широкий спектр препаратов, не изменяя конструкцию биореактора на уровне «железа». Новое решение уже помогло ускорить разработку препаратов и снизить их стоимость — в некоторых случаях почти в три раза.

Мы не планируем останавливаться на достигнутом и продолжим развивать систему управления биореакторами. В перспективе мы планируем отказаться от сторонних решений и полностью перейти на собственные разработки.

Плюс мы накопили обширный свод данных о процессах и хотим реализовать профильные аналитические решения. Мы уже разработали прототип цифрового двойника датчика растворенного кислорода и уровня кислотности среды для выявления аномалий технологического процесса. Будем внедрять предиктивную аналитику для прогнозирования чрезвычайных ситуаций и работать над адаптивными регуляторами, способными повысить точность управления ключевыми параметрами. Также в планах реализовать цифровую модель биореактора. Она позволит сократить количество экспериментов и эффективнее масштабировать процессы.

Источник

Биореактор: что это за система?

Биореактор это

Биореактор — прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в процессе микробиологического синтеза.

Применяется в биотехнологической промышленности при производстве лекарственных и ветеринарных препаратов, вакцин, продуктов пищевой промышленности (ферменты, пищевые добавки, глюкозные сиропы), а также при биоконверсии крахмала и производстве полисахаридов и нефтедеструкторов.

Различают механические, аэрлифтные и газо-вихревые биореакторы, а также аэробные (с подачей воздуха или газовых смесей с кислородом), анаэробные (без подачи кислорода) и комбинированные — аэробно-анаэробные.

В последнем случае в комбинированном биореакторе проводят культивирование как аэробных, так и анаэробных культур одновременно. Обычно это применяется для получения биогаза, когда тепловыделения в аэробном процессе используют для подогрева анаэробной культуры.

Автоклавируемые Лабораторный ферментер, биореакторБиореактор для исследования целлюлозного этанола

Назначением всякого биореактора является создание оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нём клеток и микроорганизмов, а именно обеспечивать дыхание, подвод питания и отвод метаболитов путём равномерного перемешивания газовой и жидкой составляющих содержимого биореактора. При этом нежелательно подвергать клетки тепловому или механическому воздействию.

В механическом биореакторе перемешивание осуществляется механической мешалкой, что приводит к недостаточно равномерному перемешиванию с одной стороны, и к гибели микроорганизмов с другой.

В аэрлифтном биореакторе перемешивание осуществляется за счёт продувки газовой фазы через жидкость (барботажное перемешивание), что не всегда обеспечивает достаточно интенсивное перемешивание и приводит к нежелательному пенообразованию.

В биореакторе газо-вихревого типа перемешивание осуществляется квазистационарным потоком с осевым противотоком, который создаётся аэрирующим газовым вихрем за счёт перепада давления над поверхностью и силы трения воздушного потока о поверхность суспензии[1].

Пионером методологии непрерывного культивирования микроорганизмов в СССР был М. Д. Утёнков.

Промышленные биотеакторы (виды, схемы, принцип работы, достоинства, недостатки)

Промышленное производство биопрепаратов представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных физических, химических, биофизических, биохимических, физико-химических процессов и предполагает использование большого количества разнотипного оборудования, которое связано между собой материальными, энергетическими потоками, образующими технологические линии.

Биореакторы (ферментеры) составляют основу биотехнологического производства.

Масса аппаратов, используемых, например, в микробной биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большей частью экономическими соображениями.

Применительно к ферментерам различают следующие типы их: лабораторные емкостью 0,5-100 л, пилотные емкостью 100л-10 м3, промышленные емкостью 10-100 м3 и более.

При масштабировании добиваются соответствия важнейших характеристик процесса, а не сохранения принципа конструкции.

Применяемое в биотехнологии оборудование должно вносить определенную долю эстетичности в интерьер цеха или отделения. В ходе его эксплуатации и вне ее оборудование должно быть легко доступным, содержащимся и функционирующим в определенных рамках требований гигиены и санитарии.

В случае замены каких-либо частей или деталей в аппарате, смазки и чистки узлов при текущем ремонте, и т. д., загрязнения не должны попадать внутрь биореакторов, в материальные поточные коммуникационные линии, в конечные продукты.

Общая характеристика биореакторов

Основным аппаратурным элементом биотехнологического процесса является биореактор — ферментер.

Биореакторы предназначены для культивирования микроорганизмов, накопления биомассы, синтеза целевого продукта.

Биореакторы изготавливают из высоколигированных марок стали, иногда из титана. Внутренняя поверхность биореактора должна быть отполирована.

Типовые ферментеры представляют собой вертикальные ёмкости различной вместимости (малые — от 1 до 10 л, многотоннажные — более 1000 л) с минимальным числом штуцеров и передающих устройств.

В биореакторах должны быть обеспечены оптимальные гидродинамические и массообменные условия (рис. 1).

Ферментеры снабжены паровой рубашкой, мешалками, барботерами, стерилизующими воздушными фильтрами, отбойниками, обеспечивающими необходимые температурный, газовый режим, гидродинамическую обстановку в биореакторе (т.е. процессы массо- и теплообмена).

В биореакторах имеются пробоотборники для отбора проб культуральной жидкости в процессе биосинтеза.

Тип биореактора, чистота обработки внутренних стенок аппарата и отдельных его узлов, ёмкость, коэффициент заполнения, поверхность теплоотдачи, способ отвода тепла, тип перемешивающих, аэрирующих устройств, арматура и запорные приспособления, способ пеногашения, — далеко не полный перечень отдельных элементов, которые, в отдельности и во взаимосвязи, влияют на процесс культивирования микроорганизмов и клеток.

Типы биореакторов

Биореакторы подразделяют на три основные группы (рис. 2):

1) реакторы с механическим перемешиванием;

2) барботажные колонны, через которые для перемешивания содержимого пропускают воздух;

3) эрлифтныереакторы с внутренней или внешней циркуляцией;

Перемешивание и циркуляция культуральной среды в них обеспечивается потоком воздуха, за счет которого между верхним и нижним слоями культуральной среды возникает градиент плотности.

Биореакторы первого типа используют чаще всего, так как они позволяют легко изменять технологические условия и эффективно доставлять к растущим клеткам воздух, определяющий характер развития микроорганизмов и их биосинтетическую активность.

В таких реакторах воздух подают в культуральную среду под давлением через разбрызгиватель — кольцо с множеством маленьких отверстий.

При этом образуются мелкие пузырьки воздуха и за счет механического перемешивания обеспечивается их равномерное распределение. Для этой же цели используют мешалки — одну или несколько.

Мешалки, разбивая крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору и увеличивают время пребывания в культуральной среде.

Эффективность распределения воздуха зависит от типа мешалки, числа оборотов, физико-химических свойств среды.

При интенсивном перемешивании культуральной среды происходит ее вспенивание, поэтому рабочий объем биореактора не превышает 70% общего объема. Свободное пространство над поверхностью раствора используется как буферное, где накапливается пена, и таким образом предотвращается потеря культуральной жидкости. В пенящейся жидкости условия аэрации лучше, чем в плотных растворах (при условии непрерывного перемешивания и циркуляции слоя пены, т.е.

при исключении нахождения микроорганизмов вне культуральной жидкости). Вместе с тем вспенивание может привести к переувлажнению фильтров в отверстиях, через которые воздух выходит из биореактора, уменьшению потока воздуха и к попаданию в ферментер посторонних микроорганизмов.

Конструктивные особенности барботажных колонн и эрлифтных биореакторов дают этим типам ферментеров некоторые преимущества перед реакторами с механическим перемешиванием.

Барботажные колонны более экономичны, так как перемешивание в них происходит восходящими потоками воздуха равномерно по всему объему. Отсутствие механической мешалки исключает один из путей проникновения в биореактор посторонних микроорганизмов.

В барботажных биореакторах не возникает сильных гидродинамических возмущений (сдвигов слоев жидкости культуральной среды относительно друг друга).

Уменьшение сдвиговых факторов важно по следующим причинам:

1. клетки рекомбинантных микроорганизмов менее прочны, чем нетрансформированные;

клетка отвечает на внешние воздействие уменьшением количества синтезируемых белков, в том числе рекомбинантных; под влиянием сдвиговых эффектов могут изменяться физические и химические свойства клеток, что затрудняет дальнейшую работу с ними (ухудшаются условия выделения, очистка рекомбинантных белков).

В барботажных колоннах воздух подают под высоким давлением в нижнюю часть биореактора; по мере подъема мелкие пузырьки воздуха объединяются, что влечет неравномерное его распределение.

Кроме того, подача воздуха под высоким давлением приводит к сильному пенообразованию.

В эрлифтных биореакторах воздух подают в нижнюю часть вертикального канала. Поднимаясь, воздух увлекает за собой жидкость к верхней части канала, где расположен газожидкостный сепаратор (здесь частично выходит воздух). Более плотная деаэрированная жидкость опускается по другому вертикальному каналу ко дну реактора и процесс повторяется. Таким образом, в эрлифтном биореакторе культуральная среда вместе с клетками непрерывно циркулирует в биореакторе.

Эрлифтные биореакторы выпускаются в двух конструктивных вариантах.

В первом — реактор представляет емкость с центральной трубой, которая обеспечивает циркуляцию жидкости (реакторы с внутренней циркуляцией).

У эрлифтного биореактора второго типа культуральная среда проходит через отдельные независимые каналы (реактор с внешней системой циркуляции).

Эрлифтные биореакторы более эффективны, чем барботажные колонны, особенно в суспензиях микроорганизмов с большей плотностью или вязкостью.

Перемешивание в эрлифтных ферментерах более интенсивно и вероятность слипания пузырьков минимальна.

Стерилизация и очистка воздуха от микроорганизмов

Для стерилизации биореактора применяют пар под давлением. Внутри биореактора не должно быть «мертвых зон», недоступных для пара во время стерилизации.

Стерилизации подлежат все клапаны, датчики, входные и выходные отверстия.

Стерильность обеспечивается и герметизацией биотехнологического оборудования, работающего в асептических условиях.

Стерильная передача жидкости осуществляется через штуцеры парового затвора. Технологическая обвязка биореактора исключает контаминацию культуральной жидкости посторонней микрофлорой и возможности попадания продуктов биосинтеза в окружающую среду.

Источники контаминации — воздух, пыль, питательные среды, рабочие растворы, оборудование, рабочий персонал.

Очистка воздуха от микроорганизмов и аэрозольных частиц осуществляется через фильтры предварительной очистки (комбинированные глубинные фильтры — бумага, картон, тканевые материалы), которые устанавливают на всасывающей линии перед компрессором (воздух очищается от частиц размером более 5 мкм) и фильтры тонкой очистки (ткань ФП, удаляющая частицы размером до 0,3 мкм, металлокерамические и мембранные фильтры).

Требования к биореакторам

Биореактор — это емкость, в которой создаются условия, обеспечивающие жизнедеятельность биологических объектов.Условия культивирования должны обеспечивать клетки: 1 — необходимыми питательными веществами; 2 — кислородом, а точнее необходимым газовым составом; 3 — стабильным значением рН среды; 4 — поддержанием осмотичности среды; 5 — однородностью состава среды, так как в процессе роста клеток образуются градиенты веществ и продукты жизнедеятельности; 6 — контроль температуры, так как в процессе роста микроорганизмы выделяют 10-14 кДж теплоты на 1 кг сухой массы; 7 — в идеале удалять продукты жизнедеятельности клеток, т. е. обеспечивать постоянство параметров среды.

Биореактор должен быть изготовлен из инертных материалов, например хромоникелевая нержавеющая сталь. Наряду с этим, биореакторы должны удовлетворять следующим требованиям: полная герметизация, исключающая попадания посторонней микрофлоры; сохранение постоянного объема культуральной жидкости, удобство при чистке всех частей аппарата и внутренней поверхности, а также удобство стерилизации.

Принцип работы биореактора достаточно прост, а его устройство и методики сочетания необходимых условий, наоборот, сложны.

До помещения в ферментер исходный рабочий продукт – необходимую биологическую культуру – хранят в специальных условиях, так сказать, в неактивном состоянии – например, замораживают. Для культивации небольшую пробу микроорганизмов наращивают в лабораторных условиях до состояния «рабочей порции»- достаточного для динамичной культивации количества. После данного асептического этапа культуру помещают в биореактор, предварительно его поверхность, воздух в камере и все соединительные отверстия стерилизуют, используя для этого водяной пар и вентиляцию.

После очистки начинается этап инокуляции – когда помещенные внутрь ферментера культуры начинают активно размножаться и расти, благодаря тому что для них создают оптимальные условия и питательную среду. Конечным продуктом подобных процессов является необходимое количество биомассы или полезные метаболиты микроорганизмов.

В зависимости от конструктивных решений, объемов и других характеристик биореакторы делят на группы.: так на основе рабочего объема биореакторы делятся на лабораторные (их емкость 0,5-100 л), пилотные (100 л-10м3) и промышленные (10-100 м3).

Все биореакторы могут быть разделены по используемому принципу культивирования на закрытые и открытые. В закрытых биореакторах осуществляют периодическое культивирование, иногда его называют накопительным культивированием. Систему называют закрытой в том случае, если после начала культивирования ни один из компонентов, участвующих в процессе, не вводится и не выводится из биореактора.

Естественно, что в процессе роста все параметры непрерывно изменяются и после накопления конечного (целевого) продукта, реактор разгружается и осуществляется сбор урожая, и культивирование повторяется. Так как в таких условиях истощение среды может происходить достаточно быстро, то возникла модификация этого типа культивирования, получившая название объемно-доливочной системы.

В открытые системы постоянно и равномерно вводят компоненты питательной среды, которые уже использованы культурой, так что бы их концентрация оставалась постоянной, при этом постоянным сохраняется и объем питательной среды.

Регулируя концентрацию субстрата, можно поддерживать концентрацию биомассы на постоянном уровне. Такой тип реактора называют турбодистатом. Обоснование выбора реактора может быть основано на знании механизмов регуляции обмена веществ культивируемых клеток.

По способу подвода энергии биореакторы делят на три группы:

1) барботажные с механическим перемешиванием;

2) эжекционные, с самовсасывающей турбинной мешалкой, с внешним циркуляционным потоком;

3) барботажные, форсуночные, колонные, барботажно-эрлифтные.

По способу подачи воздуха в биореактор их можно разбить на 2 типа: без подводки стерильного воздуха, в таких биореакторах культивируют анаэробные микроорганизмы; с подводкой стерильного воздуха (их используют для культивирования аэробов).Аэрация жидкости в биореакторах может обеспечиваться механическими мешалками или потоком воздуха.

Биореакторы

Промышленное производство биопрепаратов представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных физических, химических, биофизических, биохимических, физико-химических процессов и предполагает использование большого количества разнотипного оборудования, которое связано между собой материальными, энергетическими потоками, образующими технологические линии.

Биореакторы (ферментеры) составляют основу биотехнологического производства.

Масса аппаратов, используемых, например, в микробной биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большей частью экономическими соображениями.

Применительно к ферментерам различают следующие типы их: лабораторные емкостью 0,5-100 л, пилотные емкостью 100л-10 м3, промышленные емкостью 10-100 м3 и более. При масштабировании добиваются соответствия важнейших характеристик процесса, а не сохранения принципа конструкции.

Применяемое в биотехнологии оборудование должно вносить определенную долю эстетичности в интерьер цеха или отделения. В ходе его эксплуатации и вне ее оборудование должно быть легко доступным, содержащимся и функционирующим в определенных рамках требований гигиены и санитарии.

В случае замены каких-либо частей или деталей в аппарате, смазки и чистки узлов при текущем ремонте, и т. д., загрязнения не должны попадать внутрь биореакторов, в материальные поточные коммуникационные линии, в конечные продукты.

Общая характеристика биореакторов

Основным аппаратурным элементом биотехнологического процесса является биореактор — ферментер. Биореакторы предназначены для культивирования микроорганизмов, накопления биомассы, синтеза целевого продукта.

Биореакторы изготавливают из высоколигированных марок стали, иногда из титана.

Внутренняя поверхность биореактора должна быть отполирована.

Ферментеры снабжены паровой рубашкой, мешалками, барботерами, стерилизующими воздушными фильтрами, отбойниками, обеспечивающими необходимые температурный, газовый режим, гидродинамическую обстановку в биореакторе (т.е. процессы массо- и теплообмена).

В биореакторах имеются пробоотборники для отбора проб культуральной жидкости в процессе биосинтеза. Могут быть и другие конструктивные особенности, учитывающие специфику биотехнологичеекого процесса.

Работа отдельных узлов контролируется измерительными приборами, фиксирующими как параметры технологического процесса, так и отдельные физико-химические показатели культивирования (температуру стерилизации и культивирования, скорость вращения мешалки, давление, расход воздуха или газов на аэрацию, ценообразование, рН, еН, рО2, рСО2 среды).

Тип биореактора, чистота обработки внутренних стенок аппарата и отдельных его узлов, ёмкость, коэффициент заполнения, поверхность теплоотдачи, способ отвода тепла, тип перемешивающих, аэрирующих устройств, арматура и запорные приспособления, способ пеногашения, — далеко не полный перечень отдельных элементов, которые, в отдельности и во взаимосвязи, влияют на процесс культивирования микроорганизмов и клеток.

Виды биореакторов

Биореакторы подразделяют на три основные группы :

1) реакторы с механическим перемешиванием;
2) барботажные колонны, через которые для перемешивания содержимого пропускают воздух;
3) эрлифтныереакторы с внутренней или внешней циркуляцией;

Перемешивание и циркуляция культуральной среды в них обеспечивается потоком воздуха, за счет которого между верхним и нижним слоями культуральной среды возникает градиент плотности.

Биореакторы первого типа используют чаще всего, так как они позволяют легко изменять технологические условия и эффективно доставлять к растущим клеткам воздух, определяющий характер развития микроорганизмов и их биосинтетическую активность.

В таких реакторах воздух подают в культуральную среду под давлением через разбрызгиватель — кольцо с множеством маленьких отверстий. При этом образуются мелкие пузырьки воздуха и за счет механического перемешивания обеспечивается их равномерное распределение. Для этой же цели используют мешалки — одну или несколько.

Мешалки, разбивая крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору и увеличивают время пребывания в культуральной среде.

Эффективность распределения воздуха зависит от типа мешалки, числа оборотов, физико-химических свойств среды.

При интенсивном перемешивании культуральной среды происходит ее вспенивание, поэтому рабочий объем биореактора не превышает 70% общего объема. Свободное пространство над поверхностью раствора используется как буферное, где накапливается пена, и таким образом предотвращается потеря культуральной жидкости.

В пенящейся жидкости условия аэрации лучше, чем в плотных растворах (при условии непрерывного перемешивания и циркуляции слоя пены, т.е. при исключении нахождения микроорганизмов вне культуральной жидкости). Вместе с тем вспенивание может привести к переувлажнению фильтров в отверстиях, через которые воздух выходит из биореактора, уменьшению потока воздуха и к попаданию в ферментер посторонних микроорганизмов.

Конструктивные особенности барботажных колонн и эрлифтных биореакторов дают этим типам ферментеров некоторые преимущества перед реакторами с механическим перемешиванием.

Барботажные колонны более экономичны, так как перемешивание в них происходит восходящими потоками воздуха равномерно по всему объему. Отсутствие механической мешалки исключает один из путей проникновения в биореактор посторонних микроорганизмов.

В барботажных биореакторах не возникает сильных гидродинамических возмущений (сдвигов слоев жидкости культуральной среды относительно друг друга).

Уменьшение сдвиговых факторов важно по следующим причинам:

1. клетки рекомбинантных микроорганизмов менее прочны, чем нетрансформированные;

2. клетка отвечает на внешние воздействие уменьшением количества синтезируемых белков, в том числе рекомбинантных; под влиянием сдвиговых эффектов могут изменяться физические и химические свойства клеток, что затрудняет дальнейшую работу с ними (ухудшаются условия выделения, очистка рекомбинантных белков). В барботажных колоннах воздух подают под высоким давлением в нижнюю часть биореактора; по мере подъема мелкие пузырьки воздуха объединяются, что влечет неравномерное его распределение.

Кроме того, подача воздуха под высоким давлением приводит к сильному пенообразованию.

В эрлифтных биореакторах воздух подают в нижнюю часть вертикального канала. Поднимаясь, воздух увлекает за собой жидкость к верхней части канала, где расположен газожидкостный сепаратор (здесь частично выходит воздух). Более плотная деаэрированная жидкость опускается по другому вертикальному каналу ко дну реактора и процесс повторяется. Таким образом, в эрлифтном биореакторе культуральная среда вместе с клетками непрерывно циркулирует в биореакторе.

Эрлифтные биореакторы выпускаются в двух конструктивных вариантах.

В первом — реактор представляет емкость с центральной трубой, которая обеспечивает циркуляцию жидкости (реакторы с внутренней циркуляцией). У эрлифтного биореактора второго типа культуральная среда проходит через отдельные независимые каналы (реактор с внешней системой циркуляции).

Эрлифтные биореакторы более эффективны, чем барботажные колонны, особенно в суспензиях микроорганизмов с большей плотностью или вязкостью.

Перемешивание в эрлифтных ферментерах более интенсивно и вероятность слипания пузырьков минимальна.

Стерилизация и очистка воздуха от микроорганизмов

Для стерилизации биореактора применяют пар под давлением. Внутри биореактора не должно быть «мертвых зон», недоступных для пара во время стерилизации. Стерилизации подлежат все клапаны, датчики, входные и выходные отверстия.
Стерильность обеспечивается и герметизацией биотехнологического оборудования, работающего в асептических условиях.

Стерильная передача жидкости осуществляется через штуцеры парового затвора. Технологическая обвязка биореактора исключает контаминацию культуральной жидкости посторонней микрофлорой и возможности попадания продуктов биосинтеза в окружающую среду.

Очистка воздуха от микроорганизмов и аэрозольных частиц осуществляется через фильтры предварительной очистки (комбинированные глубинные фильтры — бумага, картон, тканевые материалы), которые устанавливают на всасывающей линии перед компрессором (воздух очищается от частиц размером более 5 мкм) и фильтры тонкой очистки (ткань ФП, удаляющая частицы размером до 0,3 мкм, металлокерамические и мембранные фильтры).

Металлокерамические фильтры изготовлены из калиброванных металлических порошков (бронзы, никеля, нержавеющей стали, титана) способами спекания, прессования, прокатки; размер пор варьирует от 2 до 100 мкм.

В отличие от волокнистых, нетканных и фторопластовых фильтров, зернистые металлокерамические материалы имеют неизменную структуру, химически инертны, поддаются любым методам стерилизации, отличаются высокой механической прочностью, просты в изготовлении.

Мембранные фильтры патронного и кассетного типа несмотря на менее значительный срок службы (1 год) обладают высокой эффективностью, быстрой съёмностью, надёжны в работе.

Отмечена способность рядом фильтрующих материалов, заряженных отрицательно, задерживать живые клетки, бактерии, вирусы, эритроциты, лимфоциты и тромбоциты. Частицы, размер которых меньше величины пор фильтрующего материала, остаются на фильтре, если дзета-потенциал (электрический потенциал) частиц и стенок пор фильтра имеет противоположные заряды. Это явление наблюдается при использовании в качестве фильтрующих элементов мембран с соответствующими электростатическими свойствами.

Выбор фильтрующего материала зависит от объекта фильтрации и дзета-потенциала суспендированных частиц.
Отработанный воздух, отводимый из лабораторных и производственных помещений, контролируется на чистоту (отсутствие микроорганизмов).

Для обслуживания установок глубинного культивирования применяют автоматизированную модульную систему, включающую:

1) очистку и стерилизацию воздуха и пара с использованием металлокерамических и титановых фильтрующих элементов; модули технологической обвязки, содержащие автономную систему термостатирования, запорную и регулирующую арматуру, индивидуальные входные и выходные фильтры, электропневмообразователи и другие регулирующие устройства;
2) блок автоматического контроля и управления, содержащий программное устройство, преобразователи сигналов от измерительных электродов, газоанализаторы для измерения О2, СО2, еН, температуры, рСО2, рО2;
3) системы цифровой и диаграммной индикации текущих параметров культивирования.

Установки глубинного культивирования снабжены блоками дистанционного измерения давления в биореакторе и его рубашке, блоками дистанционного контроля интенсивности аэрации воздухом или газовой смесью (кислорода и азота, кислорода и углекислого газа, воздуха и углекислого газа, азота и углекислого газа).

Блок автоматического управления позволяет контролировать и поддерживать на заданном уровне программную стерилизацию биореактора и арматуры, скорость вращения мешалки и дистанционный контроль открытия или закрытия вентилей и регулирующих клапанов.

Ряд стран специализируется на выпуске широкого ассортимента оборудования для культивирования различного назначения (фирма NBS — США; Полиферм, Биотек — Швеция; Марубиши — Япония; LH — Ферментейшн — Великобритания; Браун — Германия; БИОР-0,1, БИОР-0,2 — Россия, институт биологического приборостроения с опытным заводом АН РФ).

Источник

• как узнать номер карты совкомбанк через приложение →