Návrh fermentačních zařízení: Komplexní průvodce pro globální průmysl

Fermentace, základní kámen biotechnologie a různých průmyslových odvětví, se do značné míry opírá o dobře navržená a efektivně provozovaná fermentační zařízení. Tento komplexní průvodce zkoumá principy návrhu fermentačních zařízení a zabývá se různými aspekty od typů bioreaktorů a materiálů až po metody sterilizace a aspekty zvětšování měřítka (scale-up). Jeho cílem je poskytnout globální perspektivu pro různá průmyslová odvětví a aplikace po celém světě.

Co je fermentační zařízení?

Fermentační zařízení, často označovaná jako bioreaktory nebo fermentory, jsou specializované nádoby navržené tak, aby umožňovaly řízenou kultivaci mikrobiálních nebo buněčných kultur pro produkci požadovaných produktů. Tyto produkty mohou sahat od léčiv a potravinářských přísad až po biopaliva a průmyslové enzymy. Návrh fermentačního zařízení je klíčový pro dosažení optimálních růstových podmínek, maximalizaci výtěžku produktu a zajištění jeho kvality.

Typy bioreaktorů

Výběr vhodného typu bioreaktoru je klíčovým rozhodnutím při vývoji fermentačního procesu. Různé konstrukce bioreaktorů nabízejí různé úrovně kontroly parametrů, jako je aerace, míchání, teplota a pH, což ovlivňuje účinnost a produktivitu fermentačního procesu. Mezi běžné typy bioreaktorů patří:

1. Míchané tankové bioreaktory (STR)

Míchané tankové bioreaktory jsou nejrozšířenějším typem fermentorů, zejména ve velkokapacitních průmyslových aplikacích. Jsou vybaveny míchadlem nebo agitátorem, který zajišťuje promíchávání a rovnoměrnou distribuci živin, kyslíku a tepla. STR se dodávají v různých konfiguracích, včetně:

• Konvenční míchané tankové bioreaktory: Jedná se o standardní konstrukci vhodnou pro širokou škálu fermentačních procesů.
• Airliftové bioreaktory: Tyto bioreaktory využívají k míchání především probublávání vzduchu (aeraci), takže jsou vhodné pro buňky citlivé na smykové napětí.
• Věžové bioreaktory: Tyto vysoké a úzké bioreaktory se často používají pro buněčné kultury s vysokou hustotou.

Příklad: Farmaceutická společnost ve Švýcarsku může používat velkokapacitní míchaný tankový bioreaktor k výrobě monoklonálních protilátek pro léčbu rakoviny.

2. Probublávané kolonové bioreaktory

Probublávané kolonové bioreaktory se spoléhají na probublávání plynu, které zajišťuje jak aeraci, tak míchání. Mají relativně jednoduchou konstrukci a provoz, což z nich činí nákladově efektivní volbu pro určité aplikace.

Příklad: Společnost na výrobu biopaliv v Brazílii může používat probublávané kolonové bioreaktory pro výrobu etanolu z cukrové třtiny.

3. Bioreaktory s náplňovým ložem

Bioreaktory s náplňovým ložem obsahují pevnou nosnou matrici (např. kuličky nebo porézní materiály), na kterou se buňky mohou přichytit a růst. Tato konstrukce je zvláště vhodná pro kultury imobilizovaných buněk a enzymové reaktory.

Příklad: Potravinářská společnost v Japonsku může používat bioreaktor s náplňovým ložem k výrobě kukuřičného sirupu s vysokým obsahem fruktózy.

4. Membránové bioreaktory (MBR)

Membránové bioreaktory kombinují fermentaci s membránovou filtrací, což umožňuje kontinuální odstraňování produktu a zadržování buněk. To může vést k vyšším koncentracím produktu a zlepšení účinnosti procesu. MBR se používají v různých aplikacích, včetně čištění odpadních vod a biofarmaceutické výroby.

Příklad: Čistírna odpadních vod v Singapuru může používat membránový bioreaktor k odstraňování znečišťujících látek a výrobě čisté vody.

5. Fotobioreaktory (PBR)

Fotobioreaktory jsou speciálně navrženy pro fotosyntetické mikroorganismy, jako jsou řasy a sinice. Tyto bioreaktory poskytují řízené osvětlení, teplotu a přísun živin pro optimalizaci produkce biomasy.

Příklad: Společnost na výrobu biopaliv z řas v Austrálii může používat fotobioreaktory k výrobě bionafty z mikrořas.

Klíčové aspekty návrhu

Navrhování účinného fermentačního zařízení vyžaduje pečlivé zvážení několika faktorů. Zde jsou některé klíčové prvky návrhu:

1. Výběr materiálu

Materiály použité při konstrukci fermentačního zařízení musí být kompatibilní s procesními kapalinami, odolné vůči korozi a schopné odolat podmínkám sterilizace. Mezi běžné materiály patří:

• Nerezová ocel: Nerezová ocel je široce používána díky své vynikající odolnosti proti korozi a snadnému čištění. K dispozici jsou různé třídy nerezové oceli, z nichž každá nabízí specifické vlastnosti pro různé aplikace. Například nerezová ocel 316L je často preferována pro biofarmaceutické aplikace kvůli nízkému obsahu uhlíku a odolnosti proti důlkové korozi.
• Sklo: Skleněné bioreaktory se běžně používají v laboratorních experimentech díky své průhlednosti, která umožňuje vizuální pozorování kultury. Sklo je však méně vhodné pro velkokapacitní aplikace kvůli své křehkosti.
• Plasty: Některé plasty, jako je polypropylen a polykarbonát, lze použít pro jednorázové bioreaktory nebo jejich komponenty. Tyto materiály nabízejí výhody z hlediska nákladů a snadné likvidace.
• Ostatní materiály: Jiné materiály, jako je titan a Hastelloy, mohou být použity ve specializovaných aplikacích, kde je vyžadována vysoká odolnost proti korozi.

2. Sterilizace

Udržování sterility je ve fermentačních procesech prvořadé, aby se zabránilo kontaminaci a zajistila se produkce požadovaných produktů. Fermentační zařízení musí být navrženo tak, aby vydrželo opakované sterilizační cykly. Mezi běžné metody sterilizace patří:

• Autoklávování: Autoklávování zahrnuje zahřívání zařízení na vysokou teplotu (typicky 121 °C) pod tlakem po určitou dobu. Tato metoda je účinná pro sterilizaci malých a středně velkých zařízení.
• Sterilizace v místě (SIP - Steam-In-Place): SIP je metoda používaná pro sterilizaci velkokapacitních zařízení. Pára cirkuluje bioreaktorem a příslušným potrubím, aby zničila veškeré mikroorganismy.
• Filtrace: Filtrace se používá ke sterilizaci kapalin a plynů. K odstranění bakterií a jiných mikroorganismů se obvykle používají filtry s velikostí pórů 0,2 μm nebo menší.

3. Aerace a míchání

Dostatečná aerace a míchání jsou nezbytné pro dodávání kyslíku mikroorganismům a zajištění rovnoměrné distribuce živin. Konstrukce aeračního a míchacího systému závisí na typu bioreaktoru a požadavcích fermentačního procesu.

• Konstrukce míchadla: Konstrukce míchadla významně ovlivňuje účinnost míchání a smykové napětí. Mezi běžné typy míchadel patří Rushtonovy turbíny, turbíny se šikmými lopatkami a lodní šrouby.
• Konstrukce aeračního elementu (sparger): Aerační element se používá k přivádění plynu do bioreaktoru. K řízení velikosti bublin a distribuce plynu lze použít různé konstrukce, jako jsou sintrované kovové aerační elementy a kruhové aerační elementy.
• Průtok plynu: Průtok plynu musí být optimalizován tak, aby poskytoval dostatek kyslíku, aniž by docházelo k nadměrnému pěnění nebo strhávání těkavých sloučenin.

4. Regulace teploty

Udržování konstantní teploty je klíčové pro optimální růst mikrobů a tvorbu produktu. Fermentační zařízení obvykle zahrnuje systém regulace teploty, který se skládá z topného pláště nebo spirály, chladicího pláště nebo spirály a teplotního čidla.

• Topné a chladicí pláště: Topné a chladicí pláště se používají k cirkulaci teplonosné kapaliny kolem nádoby bioreaktoru.
• Teplotní čidla: K monitorování teploty uvnitř bioreaktoru se používají teplotní čidla, jako jsou termočlánky a odporové teploměry (RTD).
• Řídicí systém: K regulaci teploty na základě zpětné vazby z teplotního čidla se používá řídicí systém.

5. Regulace pH

pH je kritický parametr, který ovlivňuje růst mikrobů a aktivitu enzymů. Fermentační zařízení by mělo zahrnovat systém regulace pH pro udržení pH v požadovaném rozmezí.

• pH čidla: pH čidla se používají k měření pH uvnitř bioreaktoru.
• Přidávání kyseliny a zásady: K úpravě pH se do bioreaktoru přidávají roztoky kyselin a zásad.
• Řídicí systém: K regulaci přidávání kyseliny a zásady na základě zpětné vazby z pH čidla se používá řídicí systém.

6. Instrumentace a řízení

Moderní fermentační zařízení jsou vybavena různými senzory a řídicími systémy pro monitorování a regulaci procesních parametrů. Patří mezi ně:

• Senzory rozpuštěného kyslíku (DO): DO senzory měří koncentraci rozpuštěného kyslíku v kultivačním bujónu.
• Senzory redoxního potenciálu (ORP): ORP senzory měří oxidačně-redukční potenciál kultivačního bujónu.
• Senzory turbidity: Senzory turbidity měří hustotu buněk v kultivačním bujónu.
• Analyzátory plynů: Analyzátory plynů měří složení odpadního plynu z bioreaktoru.
• Průtokoměry: Průtokoměry měří průtok kapalin a plynů do a z bioreaktoru.
• Programovatelné logické automaty (PLC): PLC se používají k automatizaci řízení fermentačního procesu.
• Systémy pro dohledové řízení a sběr dat (SCADA): Systémy SCADA se používají k dálkovému monitorování a řízení fermentačního procesu.

7. Čištění a sanitace

Správné čištění a sanitace jsou nezbytné k prevenci kontaminace a udržení kvality produktu. Fermentační zařízení by mělo být navrženo pro snadné čištění a dezinfekci. Metody čištění zahrnují:

• Čištění v místě (CIP - Clean-In-Place): Systémy CIP se používají k automatickému čištění bioreaktoru a příslušného potrubí bez demontáže zařízení.
• Ruční čištění: Ruční čištění zahrnuje demontáž zařízení a ruční čištění jednotlivých komponent.
• Dezinfekční prostředky: K usmrcení zbývajících mikroorganismů po čištění lze použít dezinfekční prostředky, jako je chlornan sodný a kyselina peroctová.

Aspekty zvětšování měřítka (Scale-Up)

Zvětšení fermentačního procesu z laboratorního na průmyslové měřítko je složitý úkol, který vyžaduje pečlivé zvážení několika faktorů. Výzvy při zvětšování měřítka vyplývají z potřeby udržet podobné procesní podmínky, jako je míchání, aerace a teplota, ve větších nádobách.

Výzvy při zvětšování měřítka:

• Udržení účinnosti míchání: Dosažení rovnoměrného míchání ve velkokapacitních bioreaktorech může být náročné kvůli zvýšenému objemu a potenciálu pro vznik mrtvých zón.
• Zajištění dostatečné aerace: Poskytnutí dostatečného množství kyslíku mikroorganismům ve velkokapacitních bioreaktorech může být obtížné kvůli sníženému poměru plochy k objemu.
• Řízení přenosu tepla: Odvádění tepla generovaného fermentačním procesem může být ve velkokapacitních bioreaktorech náročné kvůli sníženému poměru plochy k objemu.
• Udržení sterility: Udržení sterility ve velkokapacitních bioreaktorech vyžaduje robustní sterilizační postupy a pečlivou pozornost k detailům.
• Optimalizace nákladů: Zvětšení fermentačního procesu může být nákladné. Je důležité optimalizovat proces tak, aby se minimalizovaly náklady při zachování kvality produktu.

Strategie zvětšování měřítka:

• Konstantní příkon na jednotku objemu: Tato strategie zahrnuje udržování konstantního příkonu na jednotku objemu při zvětšování měřítka bioreaktoru. To pomáhá udržet podobné podmínky míchání a aerace.
• Konstantní obvodová rychlost míchadla: Tato strategie zahrnuje udržování konstantní obvodové rychlosti míchadla při zvětšování měřítka bioreaktoru. To pomáhá udržet podobné podmínky smykového napětí.
• Počítačová dynamika tekutin (CFD): Modelování CFD lze použít k simulaci proudění kapaliny a vzorců míchání v bioreaktorech různých velikostí. To může pomoci optimalizovat návrh bioreaktoru a proces zvětšování měřítka.

Globální aplikace a příklady

Fermentační technologie se uplatňuje v různých průmyslových odvětvích po celém světě. Příklady zahrnují:

• Farmaceutický průmysl: Výroba antibiotik, vakcín, monoklonálních protilátek a dalších biofarmaceutik. (např. výroba inzulínu v Dánsku)
• Potravinářství a nápojářství: Výroba fermentovaných potravin, jako je jogurt, sýr, pivo, víno a chléb. (např. výroba kimči v Jižní Koreji)
• Biopaliva: Výroba etanolu a bionafty z obnovitelných zdrojů. (např. výroba bionafty z palmového oleje v Malajsii)
• Chemikálie: Výroba průmyslových enzymů, organických kyselin a dalších chemikálií. (např. výroba kyseliny citronové v Číně)
• Čištění odpadních vod: Odstraňování znečišťujících látek z odpadních vod pomocí mikrobiálních konsorcií. (např. proces Anammox v Nizozemsku)

Budoucí trendy v návrhu fermentačních zařízení

Oblast návrhu fermentačních zařízení se neustále vyvíjí, poháněna potřebou zlepšené účinnosti, produktivity a udržitelnosti. Mezi klíčové trendy patří:

• Jednorázové bioreaktory: Jednorázové bioreaktory nabízejí výhody z hlediska nákladů, flexibility a sníženého rizika kontaminace.
• Kontinuální fermentace: Kontinuální fermentační procesy mohou vést k vyšší produktivitě a zkrácení prostojů.
• Procesní analytická technologie (PAT): Nástroje PAT se používají k monitorování a řízení fermentačního procesu v reálném čase, což vede ke zlepšené kontrole procesu a kvalitě produktu.
• Umělá inteligence (AI) a strojové učení (ML): AI a ML se používají k optimalizaci fermentačních procesů a predikci výsledků procesu.
• Mikrofluidní bioreaktory: Mikrofluidní bioreaktory se vyvíjejí pro vysokokapacitní screening a optimalizaci procesů.

Závěr

Návrh fermentačních zařízení je multidisciplinární obor, který vyžaduje důkladné znalosti mikrobiologie, inženýrství a řízení procesů. Výběr vhodného typu bioreaktoru, pečlivé zvážení konstrukčních parametrů a implementace robustních řídicích strategií jsou klíčové pro dosažení optimálního fermentačního výkonu. S dalším růstem biotechnologického průmyslu se bude poptávka po inovativních a účinných fermentačních zařízeních jen zvyšovat. Tento průvodce poskytuje základní pochopení principů a postupů spojených s návrhem fermentačních zařízení a umožňuje odborníkům přispívat k pokroku v této životně důležité oblasti. Porozuměním těmto principům mohou profesionálové po celém světě optimalizovat své procesy a přispět k udržitelnější a efektivnější budoucnosti biovýroby.