Типы ферментеров: полное руководство для начинающих

Выбор подходящего ферментера — это крупная инвестиция, которая повлияет на скорость вашего процесса, объем производимой продукции и вашу прибыль. Если вы не уверены, какой ферментер подходит для ваших производственных целей, это руководство рассмотрит различные типы ферментеров и их промышленное применение.

Что такое ферментеры?

Биореакторы, также называемые ферментерами, представляют собой тщательно контролируемые емкости, в которых выращиваются микроорганизмы, такие как бактерии, дрожжи или грибы, для получения биомассы или побочных продуктов. В промышленных масштабах их используют для поддержания температуры, pH, циркуляции воздуха и перемешивания на постоянном уровне, чтобы микробы могли расти и производиться продукция.

Классификация ферментеров по режиму работы

Ферментеры периодического действия

Когда периодическое брожение При использовании этого метода все питательные вещества и закваска добавляются в начале. Затем процесс продолжается до его завершения, после чего весь урожай собирается. Однако объем получаемого продукта при этом ниже, поскольку между циклами требуется много времени на очистку, стерилизацию и подготовку. Кроме того, после начала процесса вы имеете лишь ограниченный контроль над ним.

К распространенным областям применения относятся производство антибиотиков, таких как пенициллин, некоторых вакцин, уникальных алкогольных напитков и химических веществ, которые не производятся в больших количествах. Производство пекарских дрожжей или многих классических процессов брожения пива — отличный пример этого в деловом мире.

Ферментеры непрерывного действия

Ферментеры непрерывного действия — это открытые устройства, позволяющие одновременно добавлять новую среду и удалять продукт и использованную культуральную среду. Основные проблемы заключаются в высокой вероятности загрязнения или изменения штамма бактерий при длительной работе, а также в более сложной конструкции системы и управлении процессом, что требует значительных инженерных усилий на начальном этапе.

Этот режим лучше всего подходит для производства больших объемов продукции низкой стоимости, где установка работает стабильно и без сбоев. К важным областям применения относятся производство этанола или биотоплива для промышленности. боксы с регулируемым климатом, производство одноклеточных белков (например, микопротеина Quorn), очистка сточных вод и производство некоторых органических кислот. В качестве примера из индустрии напитков можно привести “башенный ферментер”, используемый для поддержания непрерывного брожения пива.

Ферментеры периодического действия с подпиткой

В периодического с кормлением, Начинать нужно с базового количества питательных веществ и постепенно добавлять их (подкармливать), не удаляя культуральную среду до сбора урожая. Это позволяет обойти блокировку субстрата или катаболитное подавление, управлять метаболическими путями и получать очень большое количество клеток и продуктов. Недостаток заключается в том, что получение результатов все равно занимает слишком много времени.

Сегодня этот режим наиболее часто используется в биофармацевтике и высокотехнологичных биотехнологических процессах. К распространенным областям применения относятся производство рекомбинантных белков (например, инсулина и моноклональных антител), большинства современных антибиотиков и высокоэффективных ферментов. По данным Biopharma International, технология периодического культивирования используется более чем в 701 тыс. тонн промышленных ферментационных процессов, поскольку она обеспечивает оптимальное сочетание контроля и выхода продукта.

Классификация ферментеров по конструкции

Ферментеры с перемешиванием (STR)

Наиболее распространенным типом реакторов в отрасли является реактор с мешалкой (STR). В нем используются механические мешалки для перемешивания культуры. Это обеспечивает высокую скорость перемещения массы (кислорода, питательных веществ) и равномерные условия, что делает его очень полезным для широкого диапазона вязкости и типов клеток. Однако наличие движущихся частей (уплотнений, вала) затрудняет его использование и обслуживание, а также повышает риск повреждения чувствительных клеток из-за загрязнения или стресса.

Благодаря своей гибкости, STR-реакторы обычно используются для производства антибиотиков, получения рекомбинантных белков в клетках млекопитающих и ферментации ферментов. Как отмечает Американский институт инженеров-химиков, большинство биореакторов и фармацевтические резервуары из нержавеющей стали В фармацевтической и биотехнологической промышленности используются STR-маркеры.

Аэропортовые ферментеры

В ферментерах с аэрационной мешалкой культура перемешивается за счет впрыскивания газа (обычно воздуха) в нижнюю часть. Разница в плотности между “верхней” частью, которая насыщена газом, и “нижней” частью, которая дегазирована, создает плавный и равномерный циркуляционный поток. Такая конструкция исключает использование механических мешалок, что снижает сдвиговые напряжения, вероятность загрязнения и требуемое количество энергии.

Одна из проблем заключается в том, что они хуже перемещают кислород, чем STR-системы, когда много клеток, и хуже перемешивают очень густые бульоны. Они также часто используются для обработки больших объемов отходов и производства одноклеточных белков. Системы аэрационной подачи часто используются в промышленном производстве дрожжей, поскольку они эффективны и могут быть масштабированы.

Ферментеры с барботажной колонной

Пузырьковая колонна — это простой цилиндрический контейнер, заполненный газом снизу. Это создает поднимающиеся пузырьки, которые перемешивают культуру и пропускают в нее воздух. Ее даже проще построить, чем аэролифт, потому что ей не нужна внутренняя вытяжная труба. Недостаток заключается в том, что сложно контролировать перемешивание, оно может происходить в обратном направлении, и она не подходит для высоковязких или плотных культур.

К распространенным областям применения относятся выращивание водорослей, некоторые виды дрожжевого брожения и производство основных химических веществ (например, уксусной кислоты) путем ферментации. При добавлении источников света их также можно использовать в качестве фотобиореакторов. На многих промышленных заводах по производству этанола для первой стадии ферментации используются большие барботажные колонны.

Ферментаторы с насадкой

В ферментере с неподвижным слоем клетки прикреплены к твердой опорной матрице, которая упакована в колонку. Эта опорная матрица может быть изготовлена из гелевых шариков или полых волокон. Питательные вещества медленно прокачиваются через этот плоский слой. К основным проблемам этого метода относятся возможность образования каналов (неравномерного потока) и необходимость контроля уровня pH и кислорода в толстом слое.

Это специальные реакторы, идеально подходящие для многократного воспроизведения различных веществ с использованием фиксированных ферментных или клеточных систем. К распространенным применениям относятся производство кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы с помощью фиксированной глюкозоизомеразы и удаление азота из сточных вод.

Ферментеры с псевдоожиженным слоем

В этом случае клетки прикрепляются к мелким, толстым частицам, которые удерживаются в воздухе потоком газа и/или жидкости, направленным вверх. Это сочетает в себе лучшие характеристики как плотного слоя, так и подвешенного устройства. К недостаткам этого метода относятся значительные затраты энергии на псевдоожижение, возможность потери частиц и сложная гидродинамика, что затрудняет масштабирование.

Когда требуется высокая интенсивность воздействия и быстрая скорость реакции с уже имеющимися катализаторами, эти реакторы — именно то, что вам нужно. Они используются для улучшения очистки сточных вод с целью удаления БПК, для некоторых биокаталитических реакций и некоторых видов дрожжевого брожения.

Мембранные ферментеры

Мембранные ферментеры оснащены фильтрующим блоком, который отделяет продукты или побочные продукты от клеточной культуры, удерживая клетки в реакторе. Это можно сделать с помощью ультрафильтрации или микрофильтрации. Это позволяет достигать очень высокой концентрации клеток, постоянно удалять продукт (что может способствовать ингибированию обратной связи) и повторно использовать старые клетки. На мембранах накапливается слизь; это дороже и сложнее, и требует очень совершенных систем управления.

Эта высокотехнологичная конструкция используется для выполнения непрерывных и важных задач. К числу наиболее важных применений относятся производство молочной кислоты, непрерывное производство этанола с рециркуляцией клеток, а также выращивание перфузионных культур клеток млекопитающих для получения нестабильных белков.

Фотобиореакторы

Фотобиореакторы (ФБР) предназначены для выращивания организмов, использующих свет для производства пищи, таких как водоросли и цианобактерии. Они контролируют количество поступающего света (за счет внутреннего освещения или прозрачных поверхностей), перемещают CO2 и перемешивают его. Закрытые ФБР обеспечивают чистоту и позволяют контролировать процесс, но требуют больших затрат и могут иметь проблемы с накоплением кислорода и ограничениями по градиенту освещенности.

Основное применение — выращивание большого количества микроводорослей для получения ценных продуктов, таких как биотопливо, астаксантин, бета-каротин и омега-3 жирные кислоты. В них также производят биопластики (полигидроксиалканоаты) или красители, изготавливаемые цианобактериями. Один из примеров из мира бизнеса — использование трубчатых или плоских фотобиореакторов для производства спирулины для нутрицевтиков.

Специализированные и новые типы ферментеров

Биореакторы одноразового использования

В одноразовых биореакторах (ОБ) в качестве емкости для культивирования используется одноразовый, предварительно стерильный пакет, помещенный в поддерживающую и контрольную оболочку, которую можно использовать многократно. Отсутствие проверки очистки и стерилизации значительно сокращает время реакции и снижает риск перекрестного загрязнения. Основные проблемы заключаются в более высоких текущих затратах на расходные материалы, ограниченном масштабе производства (хотя ситуация улучшается) и экологических проблемах, связанных с пластиковыми отходами.

Благодаря своей гибкости, они идеально подходят для организаций, занимающихся контрактным производством (CMO), работающих с широким спектром товаров. Pall (Cytiva) и Sartorius — два крупнейших поставщика, и их системы теперь могут обрабатывать до 2000 литров.

Уменьшение масштаба биореакторов

Это очень маленькие биореакторы с рабочим объемом от 1 мл до 1 л. Они оснащены множеством приборов и предназначены для имитации условий больших производственных емкостей. Они позволяют создавать, оптимизировать и проводить высокопроизводительные процессы, а также скрининг клонов, используя при этом очень мало материала.

Они очень важны для разработки биопроцессов и проведения исследований по масштабированию. К распространенным применениям относятся оптимизация питательных сред, разработка новых стратегий подкормки и устранение проблем в крупномасштабных производственных процессах, используемых в фармацевтической и промышленной биотехнологии. Системы, разработанные компаниями Applikon Biotechnology и M2P-Labs, являются стандартом в этой области. Они учитывают сдвиговое напряжение, перенос кислорода и перемешивание. ферментер из нержавеющей стали должен соответствовать метаболическому пути вашего организма и продукта (например, аэробный/анаэробный).

Сравнительная таблица: одноразовые и уменьшенные биореакторы

Особенность	Биореактор одноразового использования (SUB)	Биореактор уменьшенного масштаба (SDR)
Основная цель	Производство клинических/коммерческих партий	Разработка и оптимизация процессов
Ключевое преимущество	Исключает необходимость в CIP/SIP (очистке и дезинфекции на месте); снижает риск перекрестного загрязнения.	Высокопроизводительный скрининг с минимальным использованием ресурсов.
Типичная шкала	50 л – 2000 л	1 мл – 10 л
Модель затрат	Высокая стоимость расходных материалов (пакетов), низкие капитальные затраты.	Высокие капитальные затраты на систему, низкая себестоимость одного запуска.
Идеальный пользователь	Многопрофильное производственное предприятие, соответствующее стандартам GMP.	Лаборатории исследований и разработок в области биопроцессов

Как выбрать подходящий ферментер

Учитывайте особенности вашего продукта и микроорганизмов.

Масштабы производства

Это лабораторный стенд для исследований и разработок. Данные о масштабируемости необходимы для проведения опытно-конструкторских работ. Будьте уверены в надежности, эффективности и комфорте, используя навыки ковки KDM Steel для производства.

Потребности в управлении и автоматизации

Для процессов, требующих высокой точности, таких как производство биопрепаратов, необходимы высокотехнологичные датчики и робототехника. Для более простых процессов, например, производства некоторых видов биотоплива, могут использоваться простые контуры управления.

Бюджет и операционные расходы

Рассмотрите общую стоимость владения, которая включает в себя первоначальные инвестиции, установку, услуги (например, охлаждение и перемешивание), техническое обслуживание и расходные материалы (например, одноразовые пакеты или чистящие средства).

Соответствие стандартам и очистка на месте (CIP)/стерилизация на месте (SIP)

Отраслям, подлежащим регулированию, таким как пищевая и фармацевтическая промышленность, необходимы ферментеры, предназначенные для проверенных циклов CIP/SIP, имеющие гладкие поверхности, санитарную арматуру и полный комплект документации.

Часто задаваемые вопросы

Какой самый простой тип ферментера?

Простейший ферментер периодического действия с перемешиванием содержимого — это самый базовый тип. Он популярен в небольших масштабах или для начинающих, например, в пивоварении и учебных лабораториях, и не требует значительной автоматизации.

Пакетный или непрерывный режим: что лучше?

Ферментаторы непрерывного действия лучше используют объем для поддержания стабильного объема производства. Системы периодического действия, с другой стороны, часто делают производство дорогостоящих товаров более экономически эффективным за счет увеличения выхода продукции и снижения рисков.

Какой тип ёмкости лучше всего подходит для крупномасштабной ферментации?

Реактор с мешалкой (STR) является наиболее распространенным и эффективным. Выбор емкости будет зависеть от микроорганизмов, продукта и масштаба производства.

Какой объём ферментера мне нужен?

Необходимый вам размер зависит от того, сколько вы хотите производить каждый год, насколько концентрированным является продукт и как часто вы производите партии. Проведите углубленное исследование масштабирования и проконсультируйтесь со специалистом по производству, чтобы определить оптимальное количество.

Ферментеры и биореакторы — это одно и то же?

“Биореактор” — это более общий термин для обозначения ряда различных биологических процессов. “Ферментер” обычно относится только к емкостям, используемым для выращивания микроорганизмов, таких как дрожжи и бактерии.

Сколько стоит ферментер?

Цена варьируется от примерно 10 000 до миллионов долларов за лабораторные установки и миллионы долларов за полностью автоматизированные промышленные системы. Она зависит от таких факторов, как размер машины, используемые материалы, приборы и необходимый уровень автоматизации.

Можно ли автоматизировать ферментеры?

Да, большинство современных промышленных ферментеров оснащены высокотехнологичной автоматизацией для контроля таких важных параметров, как pH и растворенный кислород. Эта автоматизация обеспечивает стабильность, сокращает ручной труд и соответствует нормативным требованиям.

Получите индивидуальное решение для ферментации от KDM Steel.

КДМ Сталь Мы сотрудничаем с вами для создания и производства прочных, изготовленных на заказ ферментеров и биотехнологических емкостей, идеально подходящих для вашего способа работы, выбранного вами дизайна и требований соответствия. Все, что мы производим, проектируется таким образом, чтобы хорошо работать и служить долго, от перемешиваемых резервуаров из нержавеющей стали до специализированных систем. Связаться с нами и получите индивидуальное предложение.