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 необходимый фундамент для понимания конструкции, которую мы разбираем в этом материале.
Оборудование редко ограничивает процесс «целиком» - узкое место почти всегда создаёт один узел. Газовая система не покрывает кислородный запрос культуры, охлаждающий контур не справляется с тепловыделением на пике роста, а над жидкостью не остаётся объёма, необходимого для пеногашения. Мощная мешалка не заменит достаточный расход газа, а точный датчик DO не компенсирует нехватку охлаждения. Поэтому устройство биореактора имеет смысл разбирать не как перечень комплектующих, а как набор взаимосвязанных подсистем, согласованных под конкретный процесс.

Из статьи Вы узнаете, как устроен ферментёр и биореактор на уровне 11 ключевых узлов: культуральный сосуд и рабочий объём биореактора, мешалка и импеллер, спаргер и газовая система, нагрев и охлаждение, датчики температуры, pH и DO, перистальтические насосы, входной и выхлопной фильтры, система управления, а также CIP, SIP и автоклавирование. В завершение - сводная таблица конфигураций для микробной ферментации и культуры клеток млекопитающих и блок FAQ с ответами на вопросы, которые чаще всего возникают при выборе биореактора.
🚀 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 →]

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.

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.
❄️ Не уверены, что охлаждения хватит на пике роста?

Оценим тепловую нагрузку процесса и сопоставим её с параметрами контура: допустимая температура и давление входящей воды, требуемый расход, производительность теплообменника, температура в помещении и тепловыделение привода.

[Проверить контур охлаждения под Ваш процесс →]

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.

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;
  • 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.

Конфигурация биореактора и ферментёра: микробная ферментация vs культура клеток млекопитающих

Заключение

Подбор оборудования - это не сравнение отдельных характеристик, а согласование узлов между собой под конкретный процесс. Для аэробной микробной ферментации это интенсивное перемешивание, запас по расходу газа и охлаждению, управление pH кислотой и щёлочью. Для культуры клеток млекопитающих - мягкие осевые потоки, умеренные обороты, многогазовая система и коррекция pH через CO2 и щёлочь. Один и тот же сосуд с разной обвязкой даёт установки с разными возможностями.

Практический порядок проверки при выборе биореактора:
  • рабочий объём - с учётом пены, газовой зоны, импеллеров и датчиков;
  • мешалка и импеллер - тип потока, обороты, допустимая сдвиговая нагрузка, требуемый KLa;
  • газовая система - тип спаргера, расходомеры, число газовых линий;
  • датчики - диапазон, точность, способ стерилизации, совместимость с контроллером;
  • нагрев и охлаждение - тепловыделение культуры, параметры охлаждающей воды, температура в помещении;
  • стерилизация - автоклав, CIP или SIP и материал контактирующей с продуктом ёмкости;
  • система управления - запись кривых, каскады, экспорт данных, требования к их целостности.

FAQ: частые вопросы об устройстве и выборе биореактора

Чем полный объём биореактора отличается от рабочего?

Полный объём включает пространство над жидкостью, рабочий объём показывает, сколько среды реально можно использовать. При его расчёте учитывают пену, газовую зону, импеллеры и датчики. Заполнять сосуд до номинального полного объёма обычно нельзя: недостаточное свободное пространство повышает риск попадания жидкости в выхлопной фильтр, блокировки газоотвода и роста давления.

Означает ли диапазон «до +65 °C», что процесс можно вести при этой температуре?

Нет. Эта формулировка описывает возможности системы регулирования температуры, а не биологически допустимый режим. Верхняя граница показывает, до какого значения контур нагрева способен выйти и удерживать уставку. Рабочую температуру процесса определяет культура, и она, как правило, лежит значительно ниже границы диапазона оборудования.

Что важнее - точность отображения или точность поддержания температуры?

Для процесса важнее точность поддержания: именно она показывает, насколько стабильно система удерживает уставку. Точность отображения относится к измерительному тракту. На результат также влияют место установки зонда PT100, скорость перемешивания, инерционность теплообмена, калибровка и температурная однородность среды.

Означает ли наличие нержавеющей стали в обвязке поддержку SIP?

Нет. Стальные компоненты в стойке или обвязке не означают, что культуральный сосуд выполнен из стали и допускает стерилизацию на месте. SIP применяется преимущественно в стационарных стальных системах. Материал контактирующей с продуктом ёмкости и способ её стерилизации нужно уточнять отдельно у поставщика.

Измеряет ли датчик DO величину KLa?

Нет. Датчик DO показывает текущий уровень растворённого кислорода в процентах от насыщения при заданных условиях, но не измеряет KLa напрямую. Два процесса могут иметь одинаковое значение DO при разной скорости потребления и передачи кислорода. Значение 100% отражает уровень насыщения относительно принятой калибровки.

Всегда ли мелкие пузырьки спаргера - это хорошо?

Не всегда. Мелкие пузырьки увеличивают суммарную площадь контакта газа со средой, что повышает эффективность массопереноса. Но они дольше остаются в жидкости и создают нагрузку при разрушении на поверхности. Для чувствительных культур клеток млекопитающих это может быть критично, поэтому тип спаргера подбирают вместе с режимом перемешивания.

Соответствует ли скорость вращения головки перистальтического насоса расходу жидкости?

Нет. Реальная подача зависит от диаметра и материала трубки, её износа и степени пережатия. Поэтому при закупке проверяют возможность калибровки расхода, точность на малых расходах, совместимые размеры трубок, число независимых каналов и интеграцию с программой процесса.

Является ли указанный диапазон электрода 0–12 pH рекомендуемым рабочим диапазоном?

Нет. Диапазон, указанный производителем, описывает измерительную возможность датчика, а не рекомендуемые условия культивирования. Биологически допустимый диапазон задаёт процесс. При выборе электрода дополнительно оценивают точность, способ стерилизации, срок службы, стабильность сигнала, температурную компенсацию и совместимость с контроллером.
🧩 Собираете конфигурацию под конкретную культуру?

Сопоставим требования процесса с узлами установки: рабочий объём, тип мешалки и импеллера, спаргер и газовые линии, датчики pH и DO, охлаждение, насосы и способ стерилизации.

[Получить консультацию по конфигурации →]

Поможем выбрать лучшее решение для вашей лаборатории

Оставьте свои контакты, чтобы 
получить консультацию эксперта