Что такое ферментер:
устройство, принцип работы и выбор
Оглавление
- Что такое ферментер
- Для чего нужен ферментер
- Чем ферментер отличается от биореактора
- Какие процессы проводят в ферментере
- Как устроен ферментер
- Принцип работы ферментера
- Основные виды ферментеров
- Какие параметры контролируются в ферментере
- Аэрация, перемешивание и пенообразование
- Стерильность, CIP/SIP и подготовка к партии
- Ферментер в составе производственного участка
- Как выбрать ферментер
- Что указать в техническом задании
- Частые ошибки при выборе
- FAQ
- Вывод
Что такое ферментер
Ферментер используют для получения ферментов, органических кислот, аминокислот, антибиотиков, биомассы, белков, вакцинных антигенов, пробиотических культур, посевного материала, продуктов микробного синтеза и промежуточных биологических компонентов.
В промышленной биотехнологии ферментер рассматривают как центральный аппарат стадии культивирования. До него готовят питательную среду, стерилизуют линии, выращивают посевную культуру. После него продукт обычно поступает на разделение, фильтрацию, концентрирование, очистку, сушку, формуляцию или следующую технологическую стадию.
Тема ферментеров связана с ферментерами, биореакторами, направлением биотехнологии, термостатированием, CIP/SIP-системами, фильтрационным оборудованием и автоматизацией Smartlab-316.
Для чего нужен ферментер
Ферментер применяют, когда нужно:
- вырастить микроорганизмы;
- получить биомассу;
- произвести фермент;
- провести микробную ферментацию;
- подготовить посевной материал;
- получить метаболит;
- провести аэробный или анаэробный процесс;
- управлять кислотностью и кислородом;
- обеспечить стерильное культивирование;
- масштабировать процесс от лаборатории к производству.
Задача | Что делает ферментер |
Рост культуры | Поддерживает температуру, кислотность, питание и газообмен |
Получение продукта | Создает условия для биосинтеза целевого вещества |
Аэробная ферментация | Подает стерильный воздух или кислород |
Анаэробная ферментация | Ограничивает доступ кислорода и поддерживает нужную газовую среду |
Посевная стадия | Готовит культуру для увеличения масштаба |
Производственная партия | Обеспечивает повторяемый режим культивирования |
Процесс по правилам надлежащей производственной практики | Фиксирует параметры, события и отклонения |
Главный смысл ферментера — воспроизводимость. Если условия культивирования меняются от партии к партии, меняются рост культуры, выход продукта, профиль примесей и стабильность последующих стадий выделения и очистки.
Чем ферментер отличается от биореактора
Ферментер чаще применяют для микробной ферментации: бактерий, дрожжей, грибных культур, актиномицетов и других производственных микроорганизмов. В реальной промышленной речи эти термины часто пересекаются, особенно когда речь идет о биотехнологическом производстве.
Критерий | Ферментер | Биореактор |
Типичный объект культивирования | Бактерии, дрожжи, грибные культуры, микроорганизмы | Микроорганизмы, клетки животных, клетки насекомых, ткани |
Основной фокус | Ферментация и микробный синтез | Любой биологический процесс |
Аэрация | Часто интенсивная, особенно для аэробных культур | Зависит от клеточной системы |
Перемешивание | Может быть активным | Может быть мягким для чувствительных клеток |
Теплоотвод | Часто важен из-за высокой активности культуры | Зависит от процесса |
Применение | Ферменты, антибиотики, биомасса, органические кислоты | Вакцины, белки, клетки, вирусные системы, ферментация |
Терминология | Чаще микробиология и биопроизводство | Более широкий биотехнологический контекст |
Для бактерий и дрожжей обычно говорят ферментер.
Для клеток млекопитающих и вакцинных клеточных культур чаще используют биореактор.
В составе одной биотехнологической площадки могут одновременно применяться и ферментеры, и биореакторы.
Какие процессы проводят в ферментере
Процесс | Что происходит | Что важно в ферментере |
Аэробная ферментация | Культура растет с подачей кислорода | Аэрация, перемешивание, растворенный кислород, пена |
Анаэробная ферментация | Процесс идет без кислорода | Герметичность, газовая среда, кислотность |
Периодическое культивирование | Все компоненты загружаются перед стартом | Рецепт, стерильность, контроль стадий |
Периодическое культивирование с подпиткой | Питательные компоненты добавляются по ходу процесса | Контур подпитки, масса, кислотность, кислород |
Непрерывное культивирование | Среда подается и отводится постоянно | Стабильность потока, контроль биомассы |
Посевная ферментация | Наращивается культура для следующего объема | Чистота, жизнеспособность, масштабирование |
Производственная ферментация | Получается целевой продукт | Выход, повторяемость, последующая очистка |
Высокоплотностная ферментация | Культура достигает высокой концентрации | Кислород, теплоотвод, пена, питание |
Периодическое культивирование проще по управлению и часто используется для гибких процессов. Периодическое культивирование с подпиткой позволяет управлять ростом и продуктивностью за счет контролируемой подачи питательных веществ. Непрерывные процессы применяются там, где важны стабильность потока и длительная работа в заданном режиме.
Как устроен ферментер
Рабочий сосуд
Рабочий сосуд удерживает питательную среду и культуру. Он может быть изготовлен из нержавеющей стали, стекла или одноразового мешка в зависимости от масштаба и процесса. Для промышленного оборудования важны внутренняя поверхность, дренирование, отсутствие труднопромываемых зон, стойкость к мойке и стерилизации на месте, удобство обслуживания.
Мешалка
Мешалка распределяет кислород, питательные компоненты, тепло, кислоту, щелочь, пеногаситель и биомассу. Для микробных процессов часто требуется активное перемешивание, поскольку культура потребляет кислород, выделяет тепло и может образовывать пену.
Тип мешалки выбирают по вязкости среды, требуемому газообмену, чувствительности культуры и масштабу. Для таких задач применяются перемешивающие устройства и верхнеприводные мешалки.
Барботер и газовая система
Барботер подает стерильный воздух, кислород, азот или другую газовую смесь в жидкую среду. Газовая система включает фильтры, клапаны, расходомеры, регуляторы, линии подачи и газоотвод. Для аэробной ферментации качество аэрации напрямую влияет на рост культуры.
Рубашка или теплообменный контур
Ферментация часто сопровождается выделением тепла. Температура должна удерживаться в узком диапазоне, поэтому применяются рубашка, внутренний теплообменный контур, циркуляционный термостат или внешняя система охлаждения. Для таких задач используют решения направления термостатирование.
Датчики
Типовой ферментер оснащается датчиками температуры, кислотности, растворенного кислорода, давления, уровня, пены, массы, расхода газов и скорости мешалки. Для сложных процессов могут добавляться датчики углекислого газа, оптической плотности, проводимости и аналитические контуры.
Пробоотбор
Пробоотбор нужен для контроля роста культуры, биомассы, концентрации продукта, кислотности, метаболитов, контаминации и качества серии. Узел пробоотбора должен быть стерильным, удобным и воспроизводимым.
Система управления
Система управления поддерживает параметры, записывает данные, управляет рецептами, авариями, клапанами, мешалкой, газами, подпиткой, пеной, мойкой и стерилизацией на месте. Для таких задач может применяться Smartlab-316.
Принцип работы ферментера
Типовой цикл выглядит так:
- Подготовка аппарата, линий и датчиков.
- Мойка на месте, если применяется многоразовая система.
- Стерилизация на месте или подготовка стерильного одноразового контура.
- Загрузка питательной среды.
- Выход на рабочую температуру.
- Внесение посевной культуры.
- Запуск перемешивания и аэрации.
- Поддержание кислотности, растворенного кислорода, температуры и пены.
- Подача подпитки, кислоты, щелочи или пеногасителя при необходимости.
- Мониторинг роста культуры и целевого продукта.
- Завершение процесса по времени, параметрам или аналитике.
- Сбор культуральной жидкости или биомассы.
- Передача продукта на последующие стадии выделения и очистки.
- Очистка и подготовка к следующей партии.
Успешная ферментация зависит от стабильного управления параметрами. При недостатке кислорода аэробная культура может снизить продуктивность. При слабом теплоотводе меняется метаболизм. При нестабильной кислотности возрастает риск отклонений по росту и продукту.
Основные виды ферментеров
Тип ферментера | Где применяется | Особенности |
С мешалкой | Большинство микробных процессов | Гибкость, хороший контроль перемешивания и аэрации |
Барботажный | Процессы с газовой подачей и меньшей механической нагрузкой | Простая конструкция, зависит от газового потока |
Эрлифтный | Мягкая циркуляция за счет газа | Меньше механического воздействия |
Анаэробный | Процессы без кислорода | Герметичность, контроль газовой среды |
Аэробный | Бактерии, дрожжи, интенсивный рост | Аэрация, растворенный кислород, пена, теплоотвод |
Лабораторный | НИОКР, подбор штамма и среды | Малый объем, гибкие настройки |
Пилотный | Масштабирование процесса | Проверка аэрации, теплоотвода, пены и подпитки |
Промышленный | Серийное производство | Надежность, мойка и стерилизация на месте, автоматика, документация |
Одноразовый | Гибкие и многопродуктовые процессы | Быстрая подготовка, меньше мойки |
Нержавеющий многоразовый | Крупные стабильные процессы | Высокий ресурс, мойка и стерилизация на месте, большая инфраструктура |
Для посевных и производственных линий могут применяться ферментеры, биореакторы, одноразовые технологии и система одноразовых мешков.
Какие параметры контролируются в ферментере
Параметр | Зачем нужен |
Температура | Влияет на рост, метаболизм и продуктивность |
Кислотность | Поддерживает оптимальную среду для культуры |
Растворенный кислород | Критичен для аэробной ферментации |
Скорость мешалки | Влияет на перемешивание и газообмен |
Расход воздуха / кислорода | Управляет доставкой кислорода |
Давление | Влияет на газообмен и стерильность системы |
Пена | Защищает фильтры, газоотвод и культуру |
Масса / объем | Контроль загрузки, подпитки и сбора |
Питание | Управление ростом и продуктивностью |
Углекислый газ в отходящем газе | Оценка активности культуры |
Оптическая плотность / биомасса | Контроль роста |
Проводимость | Контроль среды и отдельных стадий |
Для фармацевтических и биотехнологических производств важна регистрация параметров. Архив помогает анализировать партию, сравнивать серии, расследовать отклонения и подтверждать повторяемость процесса.
Аэрация, перемешивание и пенообразование
Аэрация
Аэрация обеспечивает подачу стерильного воздуха или кислорода. Для аэробных микроорганизмов кислород часто становится ограничивающим фактором. Если его недостаточно, культура меняет метаболизм и продуктивность.
На аэрацию влияют:
- расход воздуха;
- давление;
- тип барботера;
- размер пузырьков;
- скорость мешалки;
- вязкость среды;
- пена;
- плотность культуры;
- состав газа;
- конструкция газоотвода.
Перемешивание
Перемешивание распределяет кислород, тепло, питательные вещества, кислоту, щелочь и пеногаситель. Для микробных процессов часто требуется достаточно интенсивная мешалка. Для чувствительных культур режим подбирают мягче.
Пена
Пена возникает из-за белков, поверхностно-активных веществ, компонентов среды, высокой аэрации и активности культуры. Она может попадать в газоотвод, загрязнять фильтры, искажать датчики и повышать риск технологических отклонений. Поэтому ферментер оснащают датчиком пены, пеногасителем, свободным объемом и корректной системой газоотвода.
Стерильность, CIP/SIP и подготовка к партии
Для стерильной работы важны:
- чистота аппарата;
- стерильная питательная среда;
- стерильная подача воздуха;
- стерильные фильтры;
- стерилизация на месте;
- герметичные линии;
- асептический пробоотбор;
- стерильное внесение посевной культуры;
- контроль давления;
- воспроизводимая мойка.
В многоразовых системах применяются CIP/SIP-системы, CIP/SIP-станции и генератор чистого пара. В одноразовых системах важны стерильные мешки, трубки, коннекторы, фильтры, документы на материалы контакта и контроль целостности сборки.
Для биологических продуктов требования к производству выше, чем к обычным технологическим средам: нужно контролировать исходные материалы, параметры процесса, документацию и риски контаминации. Поэтому подготовка ферментера к партии должна быть не формальной операцией, а частью системы качества.
Ферментер в составе производственного участка
Типовой участок включает:
- емкости питательной среды;
- систему дозирования компонентов;
- посевную линию;
- ферментер;
- стерильные фильтры воздуха;
- систему подачи кислорода или воздуха;
- термостатирование;
- мойку и стерилизацию на месте;
- пробоотбор;
- фильтрацию;
- буферные емкости;
- систему управления.
После ферментации продукт может направляться на фильтрационное оборудование, в буферные емкости, мерники и сборники или в одноразовые емкости и мешки. Для гибких производств могут применяться одноразовые 2D и 3D мешки, мешки для перемешивания и BIN/IBC-контейнеры для 3D-мешков.
Как выбрать ферментер
Сначала нужно указать, какая культура используется: бактерии, дрожжи, грибная культура, актиномицеты, клетки или смешанная культура. Далее описывают целевой продукт: биомасса, фермент, метаболит, белок, антибиотик, антиген, органическая кислота или посевной материал.
2. Определить режим культивирования
Нужно выбрать периодическое культивирование, периодическое культивирование с подпиткой, непрерывный режим, аэробный или анаэробный процесс. От режима зависят аэрация, подпитка, кислотность, датчики, автоматика и объем.
3. Рассчитать рабочий объем
Указывают полный объем, рабочий объем, минимальную и максимальную загрузку, свободный объем под пену, объем посевной культуры и объем подпитки.
4. Подобрать аэрацию
Для аэробного процесса нужно определить потребность в кислороде, расход воздуха, возможность обогащения кислородом, тип барботера, стерильную фильтрацию воздуха и газоотвод.
5. Подобрать мешалку
Мешалка должна обеспечивать газообмен, равномерность среды и теплоотвод. Для высоковязких сред или высокой плотности культуры требуется отдельная проверка крутящего момента.
6. Определить теплообмен
Ферментация может выделять значительное количество тепла. Нужно выбрать рубашку, внешний контур, циркуляционный термостат или систему охлаждения.
7. Согласовать мойку и стерилизацию на месте или одноразовое исполнение
Для многоразового ферментера нужна стратегия мойки и стерилизации. Для одноразового решения — спецификация мешков, линий, фильтров, соединителей и документов на материалы.
8. Заложить автоматизацию
Для промышленного процесса нужны рецепты, архив параметров, каскады кислотности и растворенного кислорода, управление газами, мешалкой, подпиткой, пеной, температурой и авариями.
Что указать в техническом задании
Раздел ТЗ | Что указать |
Назначение | Ферментация, посевная стадия, производство продукта |
Культура | Бактерии, дрожжи, грибная культура, клетки |
Продукт | Биомасса, фермент, метаболит, белок, антиген |
Масштаб | Лабораторный, пилотный, промышленный |
Объем | Полный, рабочий, минимальный, максимальный |
Режим | Периодический, с подпиткой, непрерывный |
Аэрация | Воздух, кислород, расход, барботер, фильтры |
Перемешивание | Тип мешалки, обороты, чувствительность культуры |
Кислотность | Диапазон, кислота, щелочь, буферная система |
Растворенный кислород | Диапазон, каскад управления, газовые смеси |
Температура | Рабочий режим, охлаждение, точность |
Пена | Датчик, пеногаситель, свободный объем |
Пробоотбор | Асептический узел, частота, объем |
Мойка и стерилизация на месте | Мойка, стерилизация, чистый пар, дренирование |
Одноразовые узлы | Мешки, трубки, соединители, фильтры |
Последующие стадии | Сбор, фильтрация, буферное хранение |
Автоматизация | Рецепты, архив, интерфейс оператора, аварии |
Документация | Паспорт, технологическая схема, заводские испытания, инструкции |
Частые ошибки при выборе
Бактерии, дрожжи и грибные культуры отличаются по кислородопотреблению, пенообразованию, вязкости среды и чувствительности к перемешиванию. Аппарат нужно выбирать под конкретную культуру.
2. Недооценка аэрации
Для аэробного процесса кислород может стать главным ограничением. Нужно заранее определить расход воздуха, тип барботера, мешалку и каскад управления растворенным кислородом.
3. Слабый теплоотвод
Активный рост культуры сопровождается выделением тепла. Если система охлаждения подобрана слабо, температура будет уходить из рабочего диапазона.
4. Отсутствие запаса под пену
Пена может нарушить газоотвод, загрязнить фильтры и создать риск потери партии. Свободный объем, датчик пены и пеногаситель нужно предусмотреть заранее.
5. Слабая стратегия стерильности
Контаминация способна сорвать всю партию. Важно продумать стерилизацию на месте, стерильные фильтры, асептический пробоотбор, внесение посевной культуры и подготовку линий.
6. Неполная автоматизация
Ферментация требует постоянного контроля. Ручное управление кислотностью, растворенным кислородом, температурой и пеной часто приводит к разбросу между сериями.
7. Отсутствие связи с последующими стадиями
Если после ферментера не продуманы сбор, фильтрация, буферы и передача продукта, производственный участок получает узкое место уже после культивирования.
FAQ
Ферментер — это аппарат, в котором выращивают микроорганизмы или клетки в контролируемой среде для получения биомассы, ферментов, белков, метаболитов или других биотехнологических продуктов.
Чем ферментер отличается от биореактора?
Биореактор — более широкий термин для биологических процессов. Ферментер чаще связан с микробной ферментацией: бактериями, дрожжами и грибными культурами.
Какие бывают ферментеры?
Ферментеры бывают лабораторные, пилотные, промышленные, аэробные, анаэробные, с мешалкой, барботажные, эрлифтные, одноразовые и нержавеющие многоразовые.
Для чего нужна аэрация?
Аэрация подает кислород аэробной культуре. Без достаточного кислорода культура может расти медленнее и снижать продуктивность.
Зачем нужна мешалка?
Мешалка распределяет кислород, питательные вещества, тепло, кислоту, щелочь и пеногаситель, а также помогает поддерживать однородность среды.
Какие параметры контролируются?
Обычно контролируют температуру, кислотность, растворенный кислород, скорость мешалки, расход воздуха, пену, давление, уровень, массу и питание.
Что такое периодическое культивирование с подпиткой?
Это режим, при котором основная среда загружается перед стартом, а питательные компоненты добавляются во время процесса для управления ростом и продуктивностью.
Когда нужна мойка и стерилизация на месте?
Они нужны для многоразовых ферментеров, где требуется воспроизводимая очистка и стерилизация аппарата перед партией.
Когда подходит одноразовый ферментер?
Одноразовое исполнение подходит для гибких производств, частой смены продукта, опытных партий и процессов, где важно сократить мойку и переналадку.
Что указать в заявке на ферментер?
Нужно указать культуру, продукт, объем, режим культивирования, аэрацию, кислотность, растворенный кислород, температуру, пену, мешалку, мойку и стерилизацию на месте или одноразовое исполнение, последующие стадии, автоматизацию и документы.
Вывод
Выбор ферментера начинается с организма и продукта. Бактерии, дрожжи, грибные культуры и клетки требуют разных режимов аэрации, перемешивания, теплоотвода и стерильности. Для промышленного процесса также важны мойка и стерилизация на месте, автоматизация, последующие стадии выделения и очистки, документация и возможность масштабирования.
LAB316 разрабатывает решения для таких задач: ферментеры, биореакторы, оборудование направления биотехнологии, одноразовые технологии, системы одноразовых мешков, термостатирование, CIP/SIP-системы, фильтрационное оборудование и автоматизацию Smartlab-316.