El sistema clave del fermentador biorreactor
Biorreactor es uno de los equipos más importantes en bioingeniería, ampliamente utilizado en los campos farmacéutico, alimentario, químico, bioenergético y otros. Su función principal es proporcionar un entorno adecuado para que los microorganismos, células o enzimas promuevan el proceso de transformación biológica de los productos objetivo. Para garantizar un proceso de fermentación eficiente, el diseño y la operación de fermentadores de reacción biológica Dependen de varios sistemas críticos que trabajan conjuntamente para garantizar la estabilidad y la precisión del control del entorno del reactor.
A continuación se presenta una introducción detallada a varios sistemas clave en los fermentadores de reacción biológica.
1. Sistema de mezcla
1.1 Funciones y características
El sistema de agitación es una parte vital del tanque de reacción biológicaSus funciones principales son:
- Favorecer la transferencia de materia: mediante la agitación, asegurar una buena transferencia de masa entre el gas (como el oxígeno) y el líquido (como el medio) en el reactor, garantizar la solubilidad del oxígeno y una distribución uniforme de los nutrientes.
- Mantener una temperatura uniforme: la agitación en el reactor permite dispersar eficazmente el calor de la reacción, evitar el sobrecalentamiento localizado y mantener una temperatura de reacción adecuada.
- Mejora el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos o células: una agitación adecuada no solo facilita la distribución de las sustancias, sino que también favorece el crecimiento en suspensión de los microorganismos o células para evitar la sedimentación.
1.2 Diseño y desafíos
- Diseño de las palas mezcladoras: Las palas mezcladoras más comunes incluyen palas transpirables, palas de anclaje y palas de malla. Elegir la forma y el tamaño adecuados de las palas es fundamental para optimizar el efecto de mezcla y mejorar la eficiencia de la transferencia de gas.
- Control de la fuerza de cizallamiento: Las fuerzas de cizallamiento excesivas pueden ser destructivas para las células sensibles (como las células animales), por lo que el sistema de mezcla debe diseñarse teniendo en cuenta la velocidad y la forma de las palas adecuadas.
Sistema de control PLC MIKEBIO
2. Sistema de suministro de gas
2.1 Funciones y funciones
La tarea principal del sistema de suministro de gas es proporcionar suficiente oxígeno a los microorganismos o células en el reactor para sustentar sus actividades metabólicas. Especialmente en el proceso de fermentación aeróbicaEl suministro suficiente de oxígeno afecta directamente al rendimiento del producto y a la eficiencia de la reacción.
2.2 Transmisión de oxígeno
- Disolución de gases: La solubilidad del oxígeno se ve afectada por la agitación del líquido en el reactor, la temperatura y el flujo de gas. Aumentar la velocidad de disolución del oxígeno es fundamental en el diseño del sistema de suministro de gas.
- Distribución de gas: El suministro de gas generalmente transporta oxígeno al reactor mediante una bomba de aire o un tanque de oxígeno y lo introduce en el reactor a través de conductos de ventilación. Para mejorar la eficiencia de disolución del gas, el reactor suele estar equipado con un difusor de gas o un cabezal aireador microporoso que garantiza una distribución uniforme del gas.
2,3 CO₂ eliminado
Durante la fermentación, el dióxido de carbono (CO₂) producido por los microorganismos aumenta la acidez del líquido, lo que afecta al crecimiento celular. La eliminación de CO₂ se suele lograr mediante un sistema con un dispositivo de extracción, lo que garantiza un control adecuado del ambiente gaseoso en el reactor.
3. Sistema de control de temperatura
3.1 Funciones y funciones
La función principal del sistema de control de temperatura es mantener la temperatura del líquido en el reactor dentro del rango adecuado preestablecido. La temperatura influye significativamente en la actividad enzimática, la tasa metabólica microbiana y el crecimiento celular durante las reacciones biológicas.
3.2 Diseño e implementación
- Calefacción y refrigeración: Los sistemas de control de temperatura suelen regularla mediante una camisa en la pared exterior del reactor o mediante serpentines de refrigeración internos. La temperatura del reactor se puede ajustar haciendo circular agua caliente o refrigerante por el interior de la camisa.
- Sensor de temperatura: Un sensor de temperatura de alta precisión se utiliza habitualmente para monitorizar en tiempo real los cambios de temperatura en el reactor y garantizar así la estabilidad de la temperatura.
3.3 Monitoreo continuo
El sistema de control de temperatura del reactor debe contar con una función de ajuste automático, de modo que el dispositivo de calentamiento o enfriamiento pueda ajustarse automáticamente según la variación de la generación de calor durante el proceso de reacción, evitando el sobrecalentamiento o el enfriamiento insuficiente y garantizando así las mejores condiciones de crecimiento para las células.
4. Sistema de control de pH
4.1 Funciones y funciones
El pH es un factor clave que afecta el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos o células en los biorreactores. Un pH demasiado alto o demasiado bajo puede afectar las vías metabólicas de las células e incluso provocar su muerte. Mediante el sistema de control de pH, se puede mantener el valor de pH del medio de cultivo en el biorreactor dentro del rango ideal.
4.2 Diseño y control
- Sensor de pH: Se utiliza para detectar el pH del líquido en el reactor en tiempo real.
- Titulación ácido-base: Generalmente se utiliza un goteo automático de un ácido (por ejemplo, ácido sulfúrico) o una base (por ejemplo, hidróxido de sodio) para mantener el pH en un punto determinado.
- Control automático: algoritmo de control PID (proporcional-integral-derivativo), combinado con un sistema de adición de ácido-base para ajustar automáticamente el valor del pH y garantizar el equilibrio ácido-base del medio.
5. Sistema de entrada y salida de materiales
5.1 Funciones y funciones
El sistema de entrada de materiales se utiliza principalmente para proporcionar nutrientes esenciales como sustratos, fuentes de nitrógeno y fuentes de carbono, mientras que el sistema de descarga se utiliza para eliminar desechos, metabolitos (como CO₂), sustratos no reaccionados, etc.
5.2 Sistema de entrada
- Bombeo de la solución nutritiva: Según el progreso de la reacción, el medio y otros nutrientes se inyectan periódicamente en el reactor. Se suelen utilizar bombas peristálticas, bombas centrífugas, etc.
- Estrategia de control: La entrada de material se basa generalmente en la monitorización en línea de los datos de concentración y se controla con precisión mediante un sistema automatizado para garantizar que la composición del medio sea siempre la adecuada.
5.3 Sistema de descarga
- Emisión de gases residuales: el dióxido de carbono y otros gases residuales producidos en el proceso de reacción se descargan a través del dispositivo de emisión de gases.
- Descarga de líquidos: Eliminar periódicamente el exceso de metabolitos y desechos en la solución de reacción para garantizar la estabilidad del entorno de reacción.
6. Sistema de monitoreo y control
6.1 Funciones y funciones
Con el desarrollo de la tecnología de biorreactores, el nivel de inteligencia del sistema de monitorización y control es cada vez mayor, pudiendo monitorizar en tiempo real múltiples parámetros como la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto y la concentración celular, y ajustar el estado de funcionamiento del reactor mediante control por retroalimentación.
6.2 Sensores y adquisición de datos
El biorreactor suele estar equipado con diversos sensores, como sensores de temperatura, sensores de pH, sensores de oxígeno disuelto, sensores de presión, etc., que transmiten datos al sistema de control central en tiempo real a través del sistema de adquisición de datos.
6.3 Control automático
Mediante el sistema de control automatizado, el operador puede ajustar de forma remota los parámetros clave para garantizar unas condiciones de reacción óptimas y minimizar el impacto del error humano. Asimismo, el sistema proporciona una función de alarma para detectar y solucionar situaciones anómalas a tiempo.
7. Sistema de limpieza y esterilización
7.1 Funciones y funciones
La limpieza y esterilización del biorreactor es un eslabón importante para garantizar la bioseguridad y la ausencia de contaminación en el proceso de fermentación. Los métodos comunes de limpieza y esterilización incluyen:
- CIP (limpieza en línea): El reactor se limpia a fondo con vapor, agua caliente o disolventes químicos.
- Esterilización en línea (SIP): El reactor se esteriliza con vapor a alta temperatura para garantizar que el ambiente interno del reactor esté libre de contaminación.
7.2 Limpieza automática
Los biorreactores modernos están equipados con sistemas de limpieza automáticos que permiten realizar operaciones regulares de limpieza y esterilización según procedimientos preestablecidos, lo que reduce la intervención del operario y mejora la eficiencia y la esterilidad del trabajo.
Sistema de limpieza CIP automático MIKEBIO
Conclusión
El fermentador de reacción biológica es un sistema altamente integrado que incluye agitación, suministro de gas, control de temperatura, control de pH, entrada y salida de materiales, monitorización y control, entre otros componentes clave. Cada sistema colabora para garantizar el funcionamiento eficiente del reactor y la estabilidad del proceso de producción. Con el avance de la tecnología, la automatización e inteligencia de los fermentadores de reacción biológica mejorarán aún más en el futuro, lo que contribuirá al desarrollo de la industria biofarmacéutica, la producción de alimentos y otros sectores relacionados.
Por otro lado, al elegir fermentador biorreactorDebemos encontrar un fabricante confiable, con buena reputación y solidez, para garantizar la calidad del producto. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd., fundada en 2008, es una empresa de alta tecnología dedicada a la investigación, desarrollo, producción y venta de equipos de fermentación biológica. Nuestra empresa cuenta con una plataforma piloto de fermentación, que integra inteligencia y automatización, y ha desarrollado un sistema de fermentación avanzado que permite optimizar el proceso de fermentación piloto, gestionar el desarrollo de todos los procesos, desde la producción hasta la separación y purificación del producto final. Además, contamos con una estación de trabajo para médicos y un laboratorio moderno.
Además, la empresa dispone de una planta de producción estandarizada, con conjuntos completos de equipos y herramientas necesarios para la instalación, que incluyen principalmente una variedad de máquinas herramienta, máquina de soldadura automática por arco de argón, máquina de pulido automática, máquina de corte automática y máquina de detección de defectos, así como más de 60 conjuntos de equipos de producción y prueba. Todo el proceso de producción cumple con los estándares operativos modernos, para brindar a los clientes una calidad más profesional y un mejor soporte técnico.