Биореактор Ферментер

Биореакторы непрерывного действия с мешалкой
Биореактор с резервуаром непрерывного перемешивания представляет собой классическую компоновку и до сих пор является наиболее широко используемым биореактором. Большинство производственных центров и аккредитованных FDA производственных стратегий биофармацевтических препаратов основаны на биореакторах с мешалкой. Следовательно, процесс масштабирования от лабораторных систем до промышленных систем также основан на этой схеме. В этом цилиндрическом биореакторе используется вращающийся смеситель, установленный на вершине или на задней стороне. Соотношение вещей обычно составляет 3:5.

Биореакторы с барботажной колонной
Биореакторы с барботажной колонной представляют собой биореакторы с высокими колоннами, в которые газ добавляется в нижнюю фазу для целей смешивания и аэрации. Сосуд, используемый в биореакторах с барботажной колонной, обычно имеет цилиндрическую форму с соотношением элементов 4-6.

Эрлифтные биореакторы
Биореакторы с воздушным транспортом во многом похожи на реакторы с барботажной колонной, но отличаются тем, что включают в себя вытяжную трубу. Вытяжная труба всегда представляет собой внутреннюю или внешнюю трубу, что улучшает перемещение и переключение кислорода, а также уравнивает силы сдвига внутри реактора.

Биореакторы с псевдоожиженным слоем
Биореактор с псевдоожиженным слоем похож на биореактор с барботажной колонной, за исключением того, что верхняя функция ускоряется для снижения скорости жидкости. Конструкция биореакторов с псевдоожиженным слоем такова, что твердые вещества удерживаются внутри реактора, в то время как жидкость вытекает наружу. Эти биореакторы подходят для проведения реакций с участием суспендированных в жидкости биокатализаторов, включая иммобилизованные ферменты, иммобилизованные клетки и микробные стада.

Биореакторы с насадочным слоем
Матрас из твердого мусора с биокатализаторами на твердой матрице или в ней, упакованный в колонну, представляет собой биореактор с матрацем. Используемые твердые вещества могут представлять собой пористые или непористые гели, и по своей природе они могут быть сжимаемыми или негибкими. Питательный бульон непрерывно течет над иммобилизованным биокатализатором. Продукты, полученные в биореакторе с насадочным слоем, подаются в жидкость и удаляются. Хотя скольжение жидкости может быть вверх или вниз, предпочтительным является движение вниз под действием силы тяжести.

Расширение клеток и засев
Биореакторы используются для размножения и пролиферации клеток с целью получения достаточной популяции клеток для тканевой инженерии. Это особенно важно при использовании первичных клеток или стволовых клеток. Биореакторы могут обеспечить равномерное распределение клеток на каркасах.

3D-построение тканей
Биореакторы позволяют послойно собирать трехмерные тканевые конструкции. Они позволяют точно размещать клетки, факторы роста и биоматериалы для создания сложных тканевых структур, имитирующих нативные ткани.

васкуляризация
Создание функциональных сетей кровеносных сосудов в инженерных тканях имеет решающее значение для обеспечения надлежащего снабжения питательными веществами и кислородом. Биореакторы могут способствовать развитию сосудистых сетей, обеспечивая контролируемый поток и напряжение сдвига.

Контролируемая подача кислорода и питательных веществ
Биореакторы поддерживают градиенты кислорода и питательных веществ внутри тканевых конструкций, что важно для жизнеспособности клеток и развития тканей. Они также могут эффективно удалять отходы. Биореакторы могут применять механические силы, такие как сжатие, растяжение и сдвиг, для имитации физиологических условий.

Расширение производства
Биореакторы используются для увеличения производства тканей для клинических применений. Они гарантируют, что сконструированные ткани соответствуют необходимым стандартам качества и количества для трансплантации. Биореакторы — это универсальные инструменты тканевой инженерии, позволяющие создавать сложные и функциональные ткани и органы.

● Во-первых, клетки необходимо получить и культивировать в небольших колбах, содержащих среду для культивирования клеток, которая обеспечивает клеткам богатую питательными веществами среду, в которой они могут комфортно размножаться.

● Когда клетки начинают перерастать колбы, их переносят в более крупный дом, которым может быть большая колба или небольшой биореактор. Этот процесс «оценки» известен как «посевной поезд» и гарантирует, что клетки всегда растут в оптимальных условиях.

● Прежде чем клетки попадут в биореактор, сосуд программируется на соответствие определенным параметрам и добавляется среда.

● При подходящих условиях клетки вводятся в биореактор и дают возможность размножаться – либо на каркасах, если они относятся к тому типу клеток, которые любят прилипать к поверхностям, либо в суспензии, как наши клетки, которые счастливо размножаются, плавая в биореакторе. движущиеся носители. Условия постоянно контролируются на протяжении всего «запуска» или цикла биореактора. В зависимости от конструкции биореактора и процесса культивирования клеток могут быть предприняты и другие шаги для поддержания оптимальных условий.

● Когда клетки достигают оптимальной плотности, их «собирают» или удаляют и очищают, или отделяют от среды и отходов, которые могли накопиться во время цикла. Затем ученые смогут использовать клетки для самых разных целей. В нашем случае мы используем биомассу для приготовления куриных стрипсов, шашлыков и других привычных видов мяса.

Характеристики продукта
Стоимость и объем производимой продукции влияют на требования к проектированию. Для изготовления алкогольных напитков низкой стоимости и больших объемов могут потребоваться более простые ферментеры без необходимости создания асептических условий. С другой стороны, продукты с высокой стоимостью и небольшими объемами часто требуют более сложных процессов и асептических условий для поддержания качества продукции.

Субстрат и уровни продукта
Уровни субстратов (исходных веществ) и продуктов в реакционной смеси необходимо тщательно контролировать. Недостаточное количество субстратов или присутствие избыточных продуктов могут затруднить этот процесс. Поддержание оптимальных условий для развития клеток, внутриклеточных ферментов и образования продуктов, таких как обеспечение правильного питания, солей, кислорода и поддержание подходящей температуры, концентрации реагентов и pH в узком диапазоне, имеет решающее значение.

Вещества, ингибиторы и эффекторы
Специфические вещества, ингибиторы, эффекторы и продукты метаболизма могут оказывать влияние на скорость и характер реакций и внутриклеточную регуляцию. Эти факторы необходимо учитывать при проектировании для обеспечения оптимальной производительности процесса.

Нетрадиционные субстраты и загрязнители
Микроорганизмы, используемые в биореакторах, могут метаболизировать нетрадиционные субстраты или даже загрязнители, присутствующие в сырье, такие как целлюлоза, минералы, крахмал, отходы и загрязнение воздуха. Разработка биореакторов, способных работать с такими субстратами, включая высоковязкие среды, важна для эффективной и результативной биопереработки.

Характеристики микроорганизмов
В отличие от изолированных ферментов и химических веществ, микроорганизмы могут корректировать структуру и функцию своих ферментов в зависимости от условий процесса. Эта адаптивность может повлиять на их продуктивность и избирательность. Кроме того, микроорганизмы подвержены мутациям, которые могут возникать при определенных условиях, что требует тщательного проектирования.

Влияние окружающей среды
Микроорганизмы часто уязвимы к высоким напряжениям сдвига, а также к химическим и термическим воздействиям. Разработка биореакторов, которые минимизируют эти стрессы и обеспечивают стабильную и контролируемую среду, имеет решающее значение для поддержания оптимальной микробной активности.

Реакционные системы
Биореакторы обычно представляют собой системы газ-жидкость-твердое тело, причем жидкая фаза преимущественно водная. Разработка соответствующих механизмов смешивания, аэрации и разделения необходима для обеспечения эффективного массообмена и кинетики реакции.

Динамика и рост
В частности, биореакторы непрерывного действия могут демонстрировать сложное динамическое поведение из-за непрерывного потока и изменяющихся условий. Кроме того, во время биохимической конверсии масса микробных клеток может расти, что приводит к таким эффектам, как рост на стенках, флокуляция и аутолиз. Эти явления, связанные с ростом, необходимо учитывать при проектировании биореактора.

Работа с ферментерами требует строгого соблюдения установленных мер безопасности для обеспечения благополучия персонала и поддержания безопасной рабочей среды. Средства индивидуальной защиты (СИЗ) играют жизненно важную роль в минимизации риска воздействия потенциально опасных веществ. Операторам крайне важно носить соответствующие средства индивидуальной защиты, такие как перчатки, очки и лабораторные халаты, чтобы защитить себя от брызг химикатов, частиц в воздухе и любых потенциальных биологических опасностей.

Кроме того, правильное обращение и утилизация химикатов имеют первостепенное значение для предотвращения несчастных случаев и минимизации воздействия на окружающую среду. Крайне важно следовать установленным протоколам безопасного хранения, обращения и утилизации химикатов, используемых в процессе ферментации. Регулярное техническое обслуживание и калибровка оборудования также необходимы для обеспечения оптимальной работы ферментеров и предотвращения любых потенциальных неисправностей, которые могут поставить под угрозу безопасность.

В дополнение к этим мерам следует проводить регулярные проверки безопасности для выявления любых потенциальных опасностей или областей, требующих улучшения. Эти аудиты помогают оценить эффективность существующих протоколов безопасности и выявить возможности для усиления мер безопасности. Постоянно контролируя и оценивая методы обеспечения безопасности, организации могут активно решать любые проблемы безопасности и поддерживать культуру безопасности на рабочем месте.

Техническое обслуживание ферментеров и соблюдение строгих протоколов безопасности имеют решающее значение для эффективной и безопасной работы процессов ферментации. Тщательные процедуры очистки и стерилизации, а также соблюдение комплексных мер безопасности способствуют созданию безопасной рабочей среды и обеспечивают целостность процесса ферментации. Уделяя приоритетное внимание мерам по техническому обслуживанию и безопасности, организации могут минимизировать риски, защитить персонал и добиться стабильных и надежных результатов в своих операциях по ферментации.