Как устроены биореактор и ферментёр: ключевые узлы

Это вторая статья в нашем цикле о биореакторах и ферментерах. Здесь мы разберём, как устроены ключевые узлы оборудования.

Если Вы ещё не читали нашу первую статью про основные понятия и различия, рекомендуем начать оттуда (Чем биореактор отличается от ферментёра: термины, устройство и области применения) - она даст вам необходимый фундамент для понимания конструкции, которую мы разбираем в этом материале.

Биореактор и лабораторный ферментёр состоят из нескольких взаимосвязанных подсистем. Ошибка в одном узле может ограничить работу всей установки. Например, мощная мешалка не компенсирует слишком низкий расход газа, а точный DO-датчик не решит проблему недостаточного охлаждения.

1. Корпус и культуральный сосуд

Сосуд содержит среду и культуру. На лабораторном уровне его обычно изготавливают из боросиликатного стекла, на пилотном и промышленном - из нержавеющей стали. В одноразовых системах продукт контактирует с полимерным контейнером.

В конструкции предусматривают порты для:

датчиков pH, DO (растворённый кислород) и температуры;
внесения инокулюма;
подачи среды;
подачи кислоты и щёлочи;
дозирования пеногасителя;
отбора проб;
газового входа и выхода;
датчиков уровня или пены;
слива продукта.

При выборе важно различать полный и рабочий объём. Полный объём включает пространство над жидкостью. Рабочий объём показывает, сколько среды можно использовать с учётом пены, газовой зоны, импеллеров и датчиков.

Заполнять сосуд до номинального полного объёма обычно нельзя. Недостаточное свободное пространство увеличивает риск:

попадания жидкости в выхлопной фильтр;
блокировки газоотвода;
роста давления;
потери культуры;
загрязнения выхлопной линии;
некорректной работы пеногашения.

🚀 Подбираете биореактор или ферментёр под конкретный процесс?

Поможем оценить рабочий объём, мешалку, газовую систему, датчики, охлаждение, насосы и требования к стерилизации.

[Получить консультацию по конфигурации →]

2. Мешалка и импеллер

Импеллер - рабочий элемент мешалки, закреплённый на вращающемся валу. Он создаёт циркуляцию жидкости и диспергирует газовые пузырьки.

Распространённые варианты:

пропеллерные импеллеры с преимущественно осевым потоком;
наклонно-лопастные мешалки;
турбинные мешалки с интенсивным радиальным потоком;
многоярусные конфигурации;
мешалки для работы с носителями или неподвижным слоем.

При подборе учитывают:

тип культуры;
вязкость среды;
наличие твёрдых частиц и микроносителей;
расход газа;
допустимую сдвиговую нагрузку;
требуемый KLa;
минимальный и максимальный рабочий объём.

Для клеток млекопитающих обычно выбирают мягкие осевые потоки и умеренную скорость. Для аэробных бактерий и дрожжей часто требуются более интенсивные потоки и высокие обороты.

3. Спаргер и газовая система

Спаргер подаёт газ в жидкость в виде пузырьков. Чем меньше пузырьки, тем больше суммарная площадь контакта газа со средой. Однако мелкие пузырьки не всегда безопасны для клеток: они могут дольше находиться в жидкости и создавать нагрузку при разрушении на поверхности.

Используют:

трубчатые спаргеры;
кольцевые спаргеры;
пористые элементы;
микроспаргеры;
подачу газа в наджидкостное пространство.

Газовая система может включать:

воздух;
чистый кислород;
азот;
углекислый газ;
массовые или роторные расходомеры;
электромагнитные клапаны;
стерилизующие фильтры;
газовый смеситель;
анализатор выхлопных газов.

Для микробной аэробной ферментации часто достаточно воздушного контура, если его расход и возможности мешалки покрывают кислородный запрос. Для клеток животных предпочтительна многогазовая система, позволяющая регулировать DO и pH без чрезмерного увеличения оборотов.

4. Нагрев и охлаждение

Температуру поддерживают с помощью:

нагревательной плёнки или мембраны;
внешней рубашки;
внутренней охлаждающей трубки;
циркуляционного термостата;
подачи охлаждающей воды.

Нагрев особенно важен на этапе запуска. Охлаждение становится критичным, когда культура активно растёт и выделяет тепло. В высокоплотной бактериальной ферментации тепловыделение может быть значительным даже в лабораторном объёме.

При выборе необходимо проверить:

допустимую температуру входящей воды;
давление в охлаждающем контуре;
требуемый расход воды;
производительность теплообменника;
температуру в помещении;
тепловыделение привода и культуры;
возможность работы летом при повышенной температуре воздуха.

Фраза «диапазон до +65 °C» описывает возможности системы регулирования, но не означает, что любой биологический процесс можно вести при этой температуре.

5. Датчик температуры

Для измерения температуры часто используется платиновый термопреобразователь PT100. Его сигнал поступает на ПИД-регулятор, управляющий нагревом или охлаждением.

Точность отображения и точность поддержания - разные параметры. Также следует учитывать:

место установки зонда;
скорость перемешивания;
инерционность теплообмена;
калибровку;
температурную однородность среды.

6. Датчик pH

pH влияет на транспорт веществ через клеточную мембрану, активность ферментов, растворимость компонентов и стабильность продукта.

Система может корректировать pH:

кислотой;
щёлочью;
CO2;
изменением состава газовой смеси.

Для микробного ферментёра типично управление кислотой и щёлочью. В клеточной культуре с бикарбонатным буфером часто используют CO2 для снижения pH и щёлочь для его повышения.

При оценке датчика важны:

рабочий диапазон;
точность;
способ стерилизации;
срок службы;
стабильность сигнала;
температурная компенсация;
возможность калибровки;
совместимость с контроллером.

Указанный производителем диапазон электрода, например 0-12 pH, не является рекомендуемым биологическим диапазоном. Это измерительная возможность датчика.

7. Датчик DO

DO - растворённый кислород, обычно выражаемый в процентах от насыщения при заданных условиях. Значение 100% не означает, что жидкость состоит из кислорода: это уровень насыщения относительно принятой калибровки.

DO регулируют изменением:

скорости перемешивания;
расхода воздуха;
доли O2;
давления;
типа и режима спаргера;
подачи N2 для снижения кислорода.

Каскад необходимо настраивать так, чтобы исполнительные механизмы включались в безопасной последовательности. Для чувствительных клеток увеличение доли O2 может быть предпочтительнее резкого роста оборотов. Для устойчивой микробной культуры первым шагом часто становится повышение скорости мешалки.

Важный нюанс: DO показывает текущую концентрацию кислорода, но не измеряет KLa напрямую. Два процесса могут иметь одинаковый DO при разной скорости потребления и передачи кислорода.

8. Перистальтические насосы

Перистальтический насос перемещает жидкость за счёт сжатия гибкой трубки роликами. Жидкость контактирует только с внутренней поверхностью трубки, что удобно для стерильной подачи.

Насосы применяют для:

подпитки;
кислоты;
щёлочи;
пеногасителя;
инокуляции;
отбора продукта;
поддержания объёма.

Перед закупкой нужно проверить:

количество независимых каналов;
диапазон подачи;
возможность калибровки расхода;
совместимые размеры трубок;
химическую стойкость материала;
точность на малых расходах;
интеграцию с программой процесса.

Скорость вращения головки не равна расходу жидкости. Реальная подача зависит от диаметра, материала, износа и степени пережатия трубки.

9. Входной и выхлопной фильтры

Стерилизующие газовые фильтры защищают процесс от загрязнения. В лабораторных системах часто применяются гидрофобные мембранные фильтры, в том числе ПТФЭ с номинальным размером пор около 0,2 мкм.

Выхлопной фильтр работает в сложных условиях: через него проходят влажный газ, аэрозоли и пена. При намокании сопротивление фильтра растёт, из-за чего в сосуде может повыситься давление.

Для защиты применяют:

конденсатор выхлопного газа;
увеличенный фильтр;
датчик пены;
контролируемое пеногашение;
подогрев выхлопной линии в отдельных системах.

10. Система управления

ПЛК - программируемый логический контроллер - получает данные от датчиков и управляет исполнительными устройствами.

Полезные функции:

отображение параметров в реальном времени;
запись кривых;
настройка каскадов;
программирование профиля подпитки;
аварийные предупреждения;
экспорт данных;
разграничение доступа;
электронная подпись;
удалённый мониторинг;
журнал действий оператора.

Для R&D достаточно не просто видеть текущие показания. Важно выгружать данные, сопоставлять циклы и документировать изменения уставок. Если процесс планируется переносить в регулируемое производство, требования к целостности данных нужно определить до закупки.

11. CIP, SIP и автоклавирование

CIP - очистка оборудования без разборки. Моющие растворы циркулируют или распыляются внутри системы, после чего поверхности промывают.

SIP - стерилизация оборудования на месте, обычно насыщенным паром. Она применяется преимущественно в стационарных стальных системах.

Небольшой стеклянный сосуд часто разбирают и стерилизуют в автоклаве. Это проще и дешевле, но требует:

подходящего по объёму автоклава;
проверки габаритов сосуда;
правильной сборки;
защиты фильтров и датчиков;
соблюдения допустимого температурного режима;
безопасного перемещения тяжёлой стеклянной ёмкости.

Наличие компонентов из нержавеющей стали в стойке или обвязке не означает, что культуральный сосуд выполнен из стали или поддерживает SIP. Материал контактирующей с продуктом ёмкости и способ её стерилизации нужно уточнять отдельно.

---

Основные биологические объекты;Клетки млекопитающих, насекомых и растений, адгезионные и суспензионные культуры, иногда микроорганизмы и биокатализаторы;Бактерии, дрожжи, микроскопические и мицелиальные грибы Типичные продукты;Моноклональные антитела, рекомбинантные белки, вирусный материал, вакцины, клеточная биомасса;Антибиотики, ферменты, органические кислоты, аминокислоты, витамины, спирты, микробная биомасса Типичный pH процесса;Для многих клеток млекопитающих примерно 7,0-7,4. Фактическая уставка зависит от линии и среды;Диапазон значительно шире: для дрожжевых процессов часто около 3-6, для молочнокислых культур - около 4-6, для бактерий возможны другие значения Типичная температура;Для многих клеток млекопитающих около 37 °C. Для клеток насекомых и растений применяются другие режимы;Часто 20-37 °C, но конкретный штамм может требовать как более низкой, так и более высокой температуры Типичный DO;Для многих культур клеток млекопитающих используют уставки порядка 20-50% насыщения воздухом;Зависит от метаболизма: от практически анаэробных условий до интенсивно аэрируемого процесса. Уставка определяется штаммом и стратегией Газовая система;Часто требуется управление воздухом, O2, N2 и CO2;Для аэробных процессов обычно необходим воздух. O2 может потребоваться при высоком кислородном запросе. Для анаэробных процессов применяют инертный газ или исключают аэрацию Перемешивание;Обычно мягкое, с ограничением сдвиговой нагрузки. Важны низкосдвиговые импеллеры;Часто более интенсивное, особенно для быстрорастущих аэробных культур Скорость роста;Обычно сравнительно низкая;Часто высокая, особенно у бактерий и дрожжей Требования к стерильности;Строгая асептика критична: контаминация может полностью сорвать длительный и дорогой процесс;Для фармацевтической и чистой промышленной ферментации стерильность также критична. В отдельных пищевых процессах действуют иные санитарные стратегии Работа с пеной;Важна минимизация повреждения клеток пузырьками и контроль газоотделения;Пенообразование часто интенсивное. Может потребоваться датчик пены и автоматическое дозирование пеногасителя Типичные режимы;Batch, fed-batch, perfusion, иногда continuous;Batch, fed-batch, continuous, perfusion применяется реже Характерная автоматика;Многогазовый контроль, каскад DO, управление pH через CO2/щёлочь, запись трендов, мониторинг жизнеспособности и метаболитов;Каскад DO со скоростью и расходом воздуха, дозирование кислоты/щёлочи, подпитка, пеногашение, мониторинг биомассы и выхлопного газа Основной риск неверного выбора;Повреждение клеток, нестабильный pH и DO, низкая жизнеспособность, потеря продукта;Недостаток кислорода, перегрев, пенообразование, неоднородность среды, снижение выхода Предпочтительное коммерческое название;Биореактор;Ферментёр или система ферментации

🔬 Нужно выбрать оборудование без лишних узлов и ограничений?

Поможем сопоставить требования процесса с возможностями биореактора или ферментёра: от рабочего объёма и типа мешалки до газовой системы, датчиков, охлаждения и стерилизации.

[Запросить консультацию по оборудованию →]

Поможем выбрать лучшее решение для вашей лаборатории

Оставьте свои контакты, чтобы
получить консультацию эксперта