Das Schlüsselsystem des Bioreaktorfermenters

Bioreaktor ist eines der wichtigsten Geräte in der Biotechnologie und findet breite Anwendung in der Pharma-, Lebensmittel-, Chemie-, Bioenergie- und anderen Bereichen. Seine Hauptfunktion besteht darin, Mikroorganismen, Zellen oder Enzymen ein geeignetes Umfeld zu bieten, um die biologische Transformation von Zielprodukten zu fördern. Um einen effizienten Fermentationsprozess zu gewährleisten, sind die Konstruktion und der Betrieb von entscheidender Bedeutung. biologische Reaktionsfermenter Sie basieren auf mehreren kritischen Systemen, die zusammenarbeiten, um die Stabilität und die Regelgenauigkeit der Reaktorumgebung zu gewährleisten.

Nachfolgend eine detaillierte Einführung in einige Schlüsselsysteme in biologischen Reaktionsfermentern.

1. Mischsystem

1.1 Funktionen und Funktionen

Das Rührsystem ist ein wesentlicher Bestandteil des biologischer ReaktionstankSeine Hauptfunktionen sind:

• Förderung des Stoffaustauschs: Durch Rühren wird ein guter Stoffaustausch zwischen Gas (wie Sauerstoff) und Flüssigkeit (wie Medium) im Reaktor sichergestellt, die Sauerstofflöslichkeit und die gleichmäßige Verteilung der Nährstoffe werden gewährleistet.
• Eine gleichmäßige Temperatur gewährleisten: Durch Rühren im Reaktor kann die Reaktionswärme effektiv verteilt, eine lokale Überhitzung verhindert und eine geeignete Reaktionstemperatur aufrechterhalten werden.
• Das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen oder Zellen werden gefördert: Durch ausreichendes Rühren werden nicht nur die Stoffe besser verteilt, sondern auch das Suspensionswachstum von Mikroorganismen oder Zellen unterstützt, um eine Sedimentation zu vermeiden.

1.2 Design und Herausforderungen

• Mischflügeldesign: Gängige Mischflügel sind atmungsaktive Flügel, Ankerflügel und Siebflügel. Die Wahl der richtigen Flügelform und -größe ist entscheidend für die Optimierung der Mischwirkung und die Verbesserung der Gasaustauscheffizienz.
• Kontrolle der Scherkräfte: Übermäßige Scherkräfte können empfindliche Zellen (wie z. B. tierische Zellen) schädigen. Daher muss das Mischsystem so konstruiert sein, dass die richtige Drehzahl und die richtige Schaufelform berücksichtigt werden.

MIKEBIO SPS-Steuerungssystem

2. Gasversorgungssystem

2.1 Funktionen und Funktionsfunktionen

Die Hauptaufgabe des Gasversorgungssystems besteht darin, den Mikroorganismen oder Zellen im Reaktor ausreichend Sauerstoff zuzuführen, um deren Stoffwechselaktivitäten aufrechtzuerhalten. Insbesondere im Prozess der aerobe FermentationDie ausreichende Sauerstoffzufuhr beeinflusst direkt die Produktausbeute und die Reaktionseffizienz.

2.2 Sauerstoffübertragung

• Gasauflösung: Die Sauerstofflöslichkeit wird durch das Rühren der Flüssigkeit im Reaktor, die Temperatur und den Gasfluss beeinflusst. Die Erhöhung der Sauerstoffauflösungsrate ist der entscheidende Aspekt bei der Auslegung des Gasversorgungssystems.
• Gasverteilung: Die Gaszufuhr erfolgt üblicherweise über eine Luftpumpe oder einen Sauerstofftank, der Sauerstoff zum Reaktor transportiert und über Belüftungskanäle in den Reaktor geleitet wird. Um die Lösungseffizienz des Gases zu verbessern, ist der Reaktor in der Regel mit einem Gasdiffusor oder einem mikroporösen Belüfterkopf ausgestattet, der eine gleichmäßige Gasverteilung gewährleistet.

2,3 CO₂ entfernt

Bei der Fermentation erhöht das von Mikroorganismen produzierte Kohlendioxid (CO₂) den Säuregehalt der Flüssigkeit, was das Zellwachstum beeinträchtigt. Die CO₂-Entfernung erfolgt üblicherweise durch ein System mit Abgasanlage, das eine ordnungsgemäße Kontrolle der Gasatmosphäre im Reaktor gewährleistet.

3. Temperaturregelungssystem

3.1 Funktionen und Funktionsbeschreibungen

Die Hauptaufgabe des Temperaturregelungssystems besteht darin, die Temperatur der Flüssigkeit im Reaktor innerhalb des eingestellten geeigneten Bereichs zu halten. Die Temperatur hat einen wichtigen Einfluss auf die Enzymaktivität, die Stoffwechselrate der Mikroorganismen und das Zellwachstum während biologischer Reaktionen.

3.2 Entwurf und Implementierung

• Heizung und Kühlung: Temperaturregelungssysteme steuern die Temperatur üblicherweise über einen Mantel an der Außenwand des Reaktors oder über Kühlspiralen im Inneren. Die Reaktortemperatur kann durch Einleiten von Heißwasser oder Kühlmittel in den Mantel reguliert werden.
• Temperatursensor: Zur Überwachung der Temperaturänderung im Reaktor in Echtzeit wird üblicherweise ein hochpräziser Temperatursensor eingesetzt, um die Stabilität der Temperatur zu gewährleisten.

3.3 Kontinuierliche Überwachung

Das Temperaturregelungssystem des Reaktors muss über eine automatische Anpassungsfunktion verfügen, damit die Heiz- oder Kühlvorrichtung entsprechend der sich ändernden Wärmeerzeugung während des Reaktionsprozesses automatisch angepasst werden kann, um Überhitzung oder Unterkühlung zu vermeiden und optimale Wachstumsbedingungen für die Zellen zu gewährleisten.

4. pH-Regelsystem

4.1 Funktionen und Funktionen

Der pH-Wert ist ein Schlüsselfaktor für Wachstum und Stoffwechsel von Mikroorganismen bzw. Zellen in Bioreaktoren. Ein zu hoher oder zu niedriger pH-Wert kann die Stoffwechselwege der Zellen beeinträchtigen und sogar zum Zelltod führen. Mithilfe des pH-Regelsystems lässt sich der pH-Wert des Kulturmediums im Reaktor im optimalen Bereich halten.

4.2 Konstruktion und Steuerung

• pH-Sensor: Wird verwendet, um den pH-Wert der Flüssigkeit im Reaktor in Echtzeit zu messen.
• Säure-Base-Titration: Zur Aufrechterhaltung eines pH-Werts auf einem festgelegten Wert wird üblicherweise eine automatische Tropfenzufuhr einer Säure (z. B. Schwefelsäure) oder einer Base (z. B. Natriumhydroxid) verwendet.
• Automatische Steuerung: PID-Regelalgorithmus (Proportional-Integral-Differential), kombiniert mit einem Säure-Base-Zugabesystem zur automatischen pH-Wert-Anpassung, um das Säure-Base-Gleichgewicht des Mediums zu gewährleisten.

5. Materialzufuhr- und -abfuhrsystem

5.1 Funktionen und Funktionsbeschreibungen

Das Materialzufuhrsystem dient hauptsächlich der Bereitstellung essentieller Nährstoffe wie Medien, Stickstoffquellen und Kohlenstoffquellen, während das Abfuhrsystem zur Entfernung von Abfallstoffen, Stoffwechselprodukten (wie CO₂), nicht umgesetzten Substraten usw. dient.

5.2 Eingabesystem

• Nährlösungszufuhr: Entsprechend dem Reaktionsfortschritt werden Medium und weitere Nährstoffe periodisch in den Reaktor eingespeist. Üblicherweise werden hierfür Schlauchpumpen, Kreiselpumpen usw. eingesetzt.
• Kontrollstrategie: Die Materialzufuhr basiert üblicherweise auf der Online-Überwachung von Konzentrationsdaten und wird präzise über ein automatisiertes System gesteuert, um sicherzustellen, dass die Zusammensetzung des Mediums stets angemessen ist.

5.3 Entladungssystem

• Abgasemission: Kohlendioxid und andere im Reaktionsprozess entstehende Abgase werden über die Abgasemissionsvorrichtung abgeleitet.
• Flüssigkeitsentzug: Überschüssige Metabolite und Abfallstoffe in der Reaktionslösung sollten regelmäßig entfernt werden, um die Stabilität der Reaktionsumgebung zu gewährleisten.

6. Überwachungs- und Steuerungssystem

6.1 Funktionen und Funktionsbeschreibungen

Mit der Weiterentwicklung der Bioreaktortechnologie steigt auch der Grad der Intelligenz der Überwachungs- und Steuerungssysteme stetig an. Diese Systeme können mehrere Parameter wie Temperatur, pH-Wert, gelösten Sauerstoff und Zellkonzentration in Echtzeit überwachen und den Betriebszustand des Reaktors durch Rückkopplungssteuerung anpassen.

6.2 Sensoren und Datenerfassung

Der Bioreaktor ist üblicherweise mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, wie z. B. Temperatursensoren, pH-Sensoren, Sensoren für gelösten Sauerstoff, Drucksensoren usw., die Daten in Echtzeit über das Datenerfassungssystem an das zentrale Steuerungssystem übermitteln.

6.3 Automatische Steuerung

Mithilfe des automatisierten Steuerungssystems kann der Bediener die wichtigsten Parameter fernsteuern, um optimale Reaktionsbedingungen zu gewährleisten und menschliche Fehler zu minimieren. Gleichzeitig bietet das System eine Alarmfunktion, um Störungen frühzeitig zu erkennen und zu beheben.

7. Reinigungs- und Sterilisationssystem

7.1 Funktionen und Funktionsbeschreibungen

Die Reinigung und Sterilisation von Bioreaktoren ist ein wichtiger Schritt, um einen schadstofffreien und biologisch sicheren Fermentationsprozess zu gewährleisten. Gängige Reinigungs- und Sterilisationsmethoden sind:

• CIP (Online-Reinigung): Der Reaktor wird gründlich mit Dampf, Heißwasser oder chemischen Lösungsmitteln gereinigt.
• SIP (Online-Sterilisation): Der Reaktor wird mit Hochtemperaturdampf sterilisiert, um sicherzustellen, dass das Innere des Reaktors frei von Verunreinigungen ist.

7.2 Automatische Reinigung

Moderne Bioreaktoren sind mit automatischen Reinigungssystemen ausgestattet, die regelmäßige Reinigungs- und Sterilisationsvorgänge nach voreingestellten Verfahren ermöglichen. Dadurch wird der Eingriff des Bedienpersonals reduziert und die Arbeitseffizienz sowie die Sterilität verbessert.

MIKEBIO automatisches CIP-Reinigungssystem

Abschluss

Ein biologischer Reaktionsfermenter ist ein hochintegriertes System, das Rührwerk, Gaszufuhr, Temperatur- und pH-Wert-Regelung, Materialzufuhr und -abfuhr, Überwachung und Steuerung sowie weitere wichtige Komponenten umfasst. Jedes System arbeitet zusammen, um den effizienten Betrieb des Reaktors und die Stabilität des Produktionsprozesses zu gewährleisten. Mit dem technologischen Fortschritt werden Automatisierung und Intelligenz biologischer Reaktionsfermenter zukünftig weiter verbessert, was die Entwicklung von Biopharmazeutika, der Lebensmittelproduktion und anderen verwandten Branchen fördert.

Andererseits, bei der Auswahl Bioreaktor-FermenterUm die Produktqualität zu gewährleisten, müssen wir einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und entsprechender Leistungsfähigkeit finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiert hat. Unser Unternehmen verfügt über eine Pilotfermentationsplattform mit integrierter Intelligenz und Automatisierung sowie ein ausgereiftes Fermentationssystem. Dieses ermöglicht die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme aller Prozessschritte von der Pilotfermentation bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte und die Einrichtung einer Doktorarbeitsstation und eines modernen Labors.

Darüber hinaus verfügt das Unternehmen über eine standardisierte Produktionsanlage mit kompletten Ausrüstungssätzen und Werkzeugen, die für die Installation erforderlich sind. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Werkzeugmaschinen, eine automatische Argon-Lichtbogenschweißanlage, eine automatische Poliermaschine, eine automatische Schneidemaschine und eine Fehlererkennungsmaschine sowie mehr als 60 weitere Produktions- und Prüfgeräte. Der gesamte Produktionsprozess entspricht modernen Standards, um den Kunden eine professionellere Qualität und technischen Support zu bieten.