CC BY
280
УДК 663.18; 573.6.086.835
ПІЛОТНІ ФЕРМЕНТЕРИ ЄМНІСНОГО ТИПУ
Ю. І. СИДОРОВ
Національний університет «Львівська політехніка»
E-mail: sydorowy@rambler.ru
Отримано 27.09.2011
Подано доступну інформацію про сучасну пілотну ферментаційну апаратуру в стерильному варіанті виконання від провідних світових фірм (Bioengineering AG, B. Braun Biotech, Sartorius BBI Systems, Biotron, Solaris biotechnology, Luxun International Group), а також російської фірми «Биотехника», що її використовують для масштабування процесів культивування мікроорганізмів, рослинних і тваринних клітин. Особливу увагу приділено інноваційним газовихровим біореакторам, які мають низку переваг порівняно з традиційними ферментерами з механічними перемішувальни-ми прист ро я ми.
Ключові слова: пілотний ферментер, біореактор.
Пілотні ферментери (біореактори) використовують на стадії дослідно-технологічної роботи (ДТР) для відпрацювання біотехно-логій для переходу на стадію серійного про-мис ло во го ви пус ку ко мерційної про дукції (англ. рїШ — дослідний, експериментальний). Робочі об’єми пілотних ферментерів — від 5 до 1 000 л. Іноді таких об’ємів достатньо для випуску серійної продукції, зокрема для одержання фармацевтичних субстанцій, тому ці ферментери можна віднести і до біореак-торів промислового (індустріального) класу.
Російсько- і україномовна література, що прис вя че на про мис ловій фер мен тацій ній апаратурі або містить відповідні розділи, є достатньо численною [1-15], однак випуск її датований, в основному, другою половиною ХХ ст. Відомості щодо сучасного обладнання, зок ре ма пілот них фер мен терів, прак тич -но відсутні. Тому подання інформації в цьому аспекті є актуальним завданням.
Пілотні ферментери випускають багато фірм, провідними з яких вважають Bioengineering AG (Швейцарія), B. Braun Biotech (США), Sartorius BBI Systems (Німеччина), Schwarte Logistic GmbH (Німеччина), Biotron (Південна Корея), ДІ ЗАТ «Биотехника» (Росія), Solaris Biotechnology (Італія), Luxun International Group (Китай, Гонконг). Пілотні ферментери виробляють також ВО «Зерномаш», Гіпромедпром та ВНДІПрБ (Росія), однак вони не відповідають сучасним вимогам якості за GMP, проте в разі пот ре би їх мож на ви ко рис то ву ва ти для одер жання пре па ратів не ме дич но го приз на -чен ня [14].
Пілотні ферментери Bioengineering AG
Laboratory Pilot Fermenter LP351 Пілотний ферментер Laboratory Pilot Fermenter LP351 (об’єм 42, 50 або 75 л) застосовують як для масштабування, так й у виробничих процесах (рис. 1).
Модульна конструкція установки у поєднанні з широким набором аксесуарів уможлив лює про ве ден ня різно манітних біотех но -логічних процесів із прокаріотами, ев каріота ми, мікрог ри ба ми, во до рос тя ми, рослинними і тваринними клітинами.
Устаткування повністю відповідає як національним, так і cGMP/FDA-нормам (у тому числі IQ- і OQ-документації).
Загальні технічні характеристики: максимальна робоча температура +150 °С, потужність двигунів 2,2 і 3 кВт, максимальна швидкість обер тан ня пе ремішу валь но го пристрою — 750 хв1. Максимальні габарити 800x800x1430. Детальніші технічні відомості можна знайти на сайті www.lavallab. com/ fer-menter-bioreactor/?pilot-fermenter.htm
Мішалки обертаються за допомогою пасового приводу, що дозволяє зменшити висоту ферментера і легко відділити мотор від ємності. Вал виймається зверху, а підшипник з подвійними торцевими ущільнювачами легко відділяється від корпусу. Передачу зусилля від мотора на вал пе ремішу валь но го прист рою мож на здійснювати і магнітним способом (рис. 2).
Ферментер аерують через фільтр Autosterile (Bioengineering). Без складних периферійних конструкцій цей фільтр стерилізується in situ разом із ферментером.
Рис. Í. Пілотний ферментер Laboratory Pilot Fermenter LP351
Пілотний ферментер Pilot Fermenter P Об’єм — від 100 до 1 000 л. Галузі застосування та конструкція ферментера Pilot Fermenter P такі самі, як і для ферментера Laboratory Pilot Fermenter LP351.
На рис. 3 показано зовнішній вигляд Pilot Fermenter P.
Загальні технічні характеристики: максимальна робоча температура +150 °С, потужність двигунів — від 3 до 15 кВт, максимальна швидкість обертання перемішу-вального пристрою — 1 000 хв-1. Максимальні габарити 1500x1380x2180. Детальніші технічні відомості — на сайті www.fermenter.ru/content/page_54_0.html
З подвійним торцевим ущільненням
З магнітним приводом мішалки
Рис. 2. Способи ущільнення вала перемішувального пристрою пілотного ферментера Laboratory Pilot Fermenter LP351
На рис. 4, 5 показано обидва пілотні ферментери у складі ферментаційних установок.
Спільно із сервісною компанією Rent-schler Biotechnologie GmbH, що також має світове визнання, фірма Bioengineering AG зі своїм обладнанням брала участь у створенні восьми незалежних заводів, що відповідають нормам GMP, розташованих на площі 4 500 м2. Вони надають підтримку не ве ликим про ек там, а та кож ви пус ка ють продукцію у промисловому масштабі, що відповідає вимогам GMP. У 2008 р. вироб -ничі потужності були значно збільшено, зок ре ма ство ре но нові лінії з куль ти ву ван ня клітин.
Рис. 4. Багатоцільова пілотна установка фірми Bioengineering AG для GMP-ферментації в чистій кімнаті (варіант 1)
Рис. 5. Багатоцільова пілотна установка фірми
Bioengineering AG для GMP-ферментації в чистій кімнаті (варіант 2)
У цьому контексті слід згадати й менш відому фірму Chemap Alfa-Laval AG, яка також випускає лабораторні й пілотні ферментери традиційного типу, що відзначаються високою якістю, характерною для швейцарської продукції (рис. 6).
Пілотні установки фірм Sartorius Stedim Biotech — B. Braun Biotech
Зазначені фірми випускають ферментаційні сис те ми для ви роб ни цт ва пілот них партій продукту Biostat ® D 50/D 100 (з реакторами об’ємом 50 та 100 л) (рис. 7), Biostat® D 300/D 500 (з реакторами об’ємом 300 та 500 л) (рис. 8).
Ус та нов ки спро ек то ва но за мо дуль ною тех но логією у складі мон таж но го бло ку, ре -акторів і блоку керування.
Рис. 7. Пілотна установка Biostat ® D 50/D 100
Реактори з кожухом виготовлено з нержавіючої сталі, вони мають спіральний нагрівальний елемент, призначений для ефективного і рівномірного нагрівання. Відношення висоти ємності до її діаметра становить 3:1. Потужні двигуни в комбінації з трьома турбінами забезпечують ефективне змішу ван ня і дис персію га зо вих пу хир ців з високим ступенем аерації. Стандартне спо-ряд жен ня містить сис те му сте рилізації ре -актора, до складу якої входять впускні й випускні повітряні фільтри.
Апаратуру постачають із цифровою системою вимірювання та управління параметрами процесу, датчиками температури, pH, pO2, піни і чотирма вбудованими перисталь-тич ни ми на со са ми. Апа ратні за со би ке ру -вання ґрунтуються на системі DFC (цифрове керування ферментером). До складу системи DFC входять підсилювачі сигналів з вимірю-валь них дат чиків і пе рет во рю вачі вихідних сигналів. Використання цієї системи дає змо гу до сяг ти більш ви со кої надійності ро -боти системи. Мультифазовий ступінчастий контролер розчиненого кисню, контролер субстрату за декількома опірними точками і тем пе ра тур не бло ку ван ня з вик лю чен ням
Рис. 6. Пілотний ферментер об’ємом 95 л компанії Chemap Alfa-Laval AG
нагрівача є додатковими можливостями програмного забезпечення ферментера. Програмне забезпечення було розроблено відповідно до основ GMP.
За допомогою установок можна проводити як безперервні, так і періодичні процеси з подаванням живильного середовища.
На рис. 9 наведено приклади застосування ферментаційної апаратури B. Braun Biotech і Sartorius BBI Systems у складі промислових установок.
Ферментер BIOSTAT® C-DCU і Biostat D-DCU Пілотні компактні ферментери BIOSTAT® C-DCU, які стерилізують на місці (SIP), мають об’єм від 10 до 30 л і призначені для куль ти ву ван ня як мікроб них, так і клітин -
Рис. 9. А — автоматизована лінія, що складається з біореакторів об’ємом 120—1 200 л, системи підготовки середовища, системи проточної стерилізації середовища, інактивації культуральної рідини для одержання Human Growth Hormone (гормону росту людини); Б — промислова лінія, що складається з 300-літрового основного ферментера і 20-літрового посівного апарата; В — система для роботи з культурами клітин, що має у складі 900-літровий біореактор; повністю відповідає вимогам GMP і має пакет валідаційних документів
них культур. Цей ферментер (об’єм 30 л) став основою установки BIOSTAT C XFLOU, в якій реалізовано промислову технологію одер жан ня про теїну, що має ви ко рис тан ня у фармацевтичному виробництві (рис. 10).
Рис. 10. Інтегрована установка BIOSTAT® C X-FLOW у складі ферментаційної системи для одержання рекомбінантного протеїну під час культивування Pichiapastoris
BIOSTAT D-DCU — пілотні установки з ємностями від 50 до 500 л. Установки споряджені готовою до експлуатації системою виробничого масштабування та автоматичною системою стерилізації «на місці».
Пілотні ферментери фірми Schwarte Logistic GmbH
Фірма Schwarte Logistic GmbH спеціалізує ть ся на ви пус ку ємнісно го й апа рат но го обладнання для молочної, фармакологічної, хімічної та харчової промисловості. Випуск малих інокуляторів і малогабаритних ферментерів — один з видів виробництва в асортименті продуктів цієї фірми (рис. 11, 12).
Ємності не споряджено системами контролю, автоматики тощо. Це можна розглядати як позитив, оскільки такі інокулятори порівняно з продукцією «під ключ» є набагато дешевшими (у 2-3 рази), однак це можливо лише за умови наявності у споживача певного інфраструктурного обладнання.
Рис. 12. Пілотні ферментери фірми Schwarte Logistic GmbH у складі виробничої лінії
Пілотні ферментери НДІЗАТ «Биотехника»
Зазначена організація розробляє обладнання для хіміко-фармацевтичної промисловості, для технологічних ліній з виробництва біологічно активних сполук, для реалізації тех но логій з ви роб ни цт ва про дуктів з різно -манітної рослинної сировини, ферментаційне обладнання (біореактори лабораторні та пілотні) тощо.
На рис. 13, 14 подано зовнішній вигляд 10-літрових і 100-літрових пілотних ферментерів, а на рис. 15 — зовнішній вигляд тех но логічних ліній, в яких ви ко рис та но ферментери НДІ ЗАТ «Биотехника».
Російські біореактори, на відміну від західноєвропейських і американських, за формою подібні до звичайних хімічних реакторів, а аме ри ка но-євро пейські фер мен те ри мають більш витягнуту, подовжену форму.
Важливою перевагою пілотних ферментерів «Биотехника» для українських дослідників і виробників є достатньо просте вирі-шен ня ва лют ної проб ле ми для прид бан ня обладнання, оскільки Україна є асоційованим членом СНД.
Рис. 14. Пілотний ферментер об’ємом 100 л НДІ ЗАТ «Биотехника»
Рис. 13. Пілотний ферментер об’ємом 10 л НДІ ЗАТ «Биотехника»
Рис. 15. Пілотні ферментери НДІ ЗАТ «Биотехника» у складі технологічних ліній
Пілотні ферментери фірми Biotron
Корейська фірма Biotron є біотехнологіч-ною компанією, що розвивається у світі най-динамічніше. Фірма випускає лабораторні ферментери Value Bio Rea-ctor, BioG-Micom, BioG-M, BioG-M Plus, а також ферментери пілотні Bio Lite і Bio S (рис. 16) та серію про-мис ло вих фер мен терів Bio P.
Повна ємність ферментерів Bio Lite становить від 5 до 40 л, ферментерів Bio S — від 30 до 500 л, промислових ферментерів Bio P — від 2 до 30 м3.
Ферментери прості в обслуговуванні. Стерилізацію можна проводити в автома-тич но му і руч но му ре жимах, ви ко рис то ву ю -чи внутрішній нагрівач. Можна застосовувати спеціальні опції для культивування рослинних і тваринних клітин (рис. 17).
Пілотні фер мен те ри фірми Solaris biotechnology
Фірма ви пус кає пілотні біоре ак то ри серій SB, SBS для вирішення проблем, пов’язаних
ГС
Bio Lite
Рис. 16. Пілотні ферментери фірми Biotron
Рис. 17. Ферментер Bio S об’ємом 70 л для культивування тваринних клітин у дослідницькому центрі Bangladesh Science House
із масш та бу ван ням про це су від ла бо ра тор -них стадій до промислових. Контроль здійснюєть ся за всіма па ра мет ра ми, які потрібні для про ве ден ня фер мен та цій них процесів: рН, концентрації кисню, СО2 тощо. В апаратах можна проводити як аеробні, так і ана е робні про це си, у періодич но му або без -перервному режимах. Перемішування мож-ли ве за до помо гою тра ди цій них ме ханічних мішалок або магнітним способом (рис. 18).
Рис. 18. Пілотні ферментери фірми Solaris biotechnology
Пілотні ферментери фірми Luxun International Group (Китай, Гонконг)
На сьогодні компанія LUXUN є провідним постачальником устаткування для фармацевтичної і косметичної промисловості з Китаю в країни СНД (Росію, Білорусь, Україну, Узбекистан, Казахстан та ін.). В асортимент продукції вхо дить фер мен таційна апа ра ту ра ємністю від 5 л до 200 м3. Як пілотні ферментери фірма випускає апаратуру традиційного типу з механічними мішалками RTY-MS з повним об’ємом від 5 до 70 л; з магнітним приводом RTY-С (30-200 л); батарею ферментерів RTY-Z (5, 10, 15 л), в якій можна одночасно проводити ферментацію; батарею ферментерів для вирощування рослинних і тваринних клітин RTY-Х (10-70 л); комбіновані ферментери серії RTY-MZ з двома різними за ємністю апаратами, що можуть працювати паралельно (10/100, 20/200, 30/300, 50/500, 80/800, 100/1000 л) (рис. 19).
На особливу увагу заслуговує серія ферментерів RTY-Q об’ємом від 100 л до 200 м3, в яких пе ремішу ван ня відбу ваєть ся за ра ху нок ім -пульсної подачі повітря. Ці енергозберігальні біореактори особливо придатні для вирощування рослинних клітин, оскільки цикли ферментації тривають до 2 місяців відповідно за низької швид кості спо жи ван ня кис ню (рис. 20).
Подібний спосіб перемішування застосо-ву ва ли у фер мен таційній мо дульній ус та -новці «Пневмолюкс» (Інститут біологічного приладобудування РАН).
Детальніші технічні відомості про ферментери фірми Luxun I. G. можна знайти на сайті http://lxn.ru/index.php?id=307.
Газовихрові біореактори
Інноваційні газовихрові біореактори відрізняються принципово новою системою перемішування (ЗАТ «Саяны», Новосибірськ, Росія)
Рис. 19. Пілотні ферментери фірми Ьихип I. О.
Рис. 20. Ферментер з інокулятором серії ИТУ^
[16-18]. Концепція газовихрового біореактора — створення структурованого особливим чином повітряного потоку для організації інтенсивного м’якого перемішування різних рідин, у тому числі й особливо в’язких. Він працює за принципом «керованого торнадо». Оскільки апарат не має механічної мішалки, то травмування клітин виключається. Нарис. 21 показано схему газовихрового біореактора.
У біореакторі перемішування суспензії бактерійних клітин здійсню ють, ство рю ючи в ній квазістаціонарний обертовий рух, що генерується аерувальним газом, який подають в ємність над поверхнею суспензії клітин з од но час ним йо го зак ру чу ван ням у потік з полем швидкості потенційного вихору на периферії ємності (зона I) і осьовою протитечією в приосьовій зоні (зона II). При цьому перепад тиску в потоці аерувального газу між периферією і центром вихору підтримують у межах 10-2 000 Па.
Завдяки такому закручуванню аерувального газу за рахунок тертя на межі розділу фаз і різниці тисків між периферією та центром га зо во го ви хо ру за без пе чуєть ся рух сус -пензії клітин у вигляді вихрового кільця, що обертається відносно осі ємності з одночасним низхідним рухом рідини на периферії ємності (зона III) і висхідним — у приосьовій зоні (зона IV). Аерувальний газ
Рис. 21. Схема газовихрового біореактора
взаємодіє з клітинами тільки через вільну поверхню останніх, не змішуючись із суспензією. Унаслідок ць о го за без пе чуєть ся інтен сифікація міжфаз но го ма со обміну зав -дяки збільшенню швидкості руху аеруваль-но го га зу й рівномірно му пе ремішу ван ню суспензії без застійних зон і піноутворення через руйнівну дію газового вихору на піну.
Газовихровий біореактор дає змогу роз-по чи на ти куль ти ву ван ня за мінімаль но го за пов нен ня (10 -15%) і шляхом безперервного додавання середовища в процесі культи ву ван ня за вер ши ти йо го за мак си маль но го заповнення (90%). Ця властивість апарата дає змогу скоротити, а в деяких випадках виключити лінію біореакторів меншого об’єму для запуску апарата більшого об'єму.
Першим кроком на шляху створення газо-вихрових біореакторів стало розроблення лабораторного ферментера «Біок» [16]. Уже на цьому етапі було виявлено, що питома потужність на перемішування у 12-16 разів нижча, ніж у біореакторах з мішалкою фірми «Хемап». На сьогодні проведено дослідно-промислові випробування пілотного газовихрового біореактора об’ємом 100 л. Випущено і передано на НВО «Віріон» промисловий газовихровий біореактор ємністю 300 л для виробництва вакцин та інтерферону (рис. 22).
Про те відомі й не га тивні ре зуль та ти вип -ро бу вань, зок ре ма на то му са мо му НВО «Віріон» та в інших організаціях встановлено, що великі апарати не мають таких значних коефіцієнтів масообміну за киснем, що їх гарантували розробники біореактора.
Рис. 22. Газовихровий біореактор об’ємом 300 л
ЛІТЕРАТУРА
1. Аткинсон Б. Биохимические реакторы. — М.: Пищ. пром. 1979. — 280 с.
2. Андреев А. А., Брызгалов Л. Н. Производство кормовых дрожжей. — М.: Лесная пром-сть, 1973. — 296 с.
5. Виестур У. Е, Кузнецов А. М., Савенков В. В. Системы ферментации. — Рига: Зинатне, 1986. — 174 с.
6. Виестур У. Э., Шмите И. А., Жилевич А. В. Биотехнология. Биотехнологические агенты, технология, аппаратура. — Рига: Зинатне, 1987. — 263 с.
7. Винаров А. Ю., Кафаров В. В., Гордеев Л. С. и др. Ферментеры колонного типа для микробиологических процессов. — М., 1976. — 49 с.
8. Гапонов К. П. Процессы и аппараты микро-би о ло ги чес ких про из водств. — М.: Лег кая пищ. пром., 1981. — 240 с.
9. Голгер Л. И., Калунянц К. А. Модернизированная и новая аппаратура для производства ферментных препаратов. — М., 1970. — 72 с.
10. Кестельман В. Н., Веселов А. И. Оборудование для глубинного культивирования микроорганизмов в бродильной и микробиологической промышленности. Обзор. — М., 1970.
11. Колосков С. П. Оборудование предприятий фер мент ной про мыш лен нос ти. — М.: Пищ. пром, 1969. — 383 с.
ПИЛОТНЫЕ ФЕРМЕНТЕРЫ ЕМКОСТНОГО ТИПА
Ю. И. Сидоров
Национальный университет «Львовская политехника»
E-mail: sydorowy@rambler.ru
Приведена доступная информация о современной пилотной ферментационной аппаратуре в стерильном варианте исполнения от ведущих мировых фирм (Bioengineering AG, B. Braun Biotech, Sartorius BBI Systems, Biotron, Solaris biotechnology, Luxun International Group), а также рoссийской фирмы «Биотехника», которую используют для масштабирования процессов культивирования микроорганизмов, растительных и животных клеток. Особое внимание уделено инновационным газовихревым биореакторам, име ющим ряд пре и му ществ по срав не нию с тра -диционными ферментерами с механическими перемешивающими устройствами.
Ключевые слова: пилотный ферментер, био-реак тор.
12. Колосков В. П., Яровенко В. Л., Стабников В. Н., Устинников Б. А. Оборудование спиртовых заводов. — М.: Пищ. пром., 1975. — 295 с.
13. Луканин А. В. Модернизация промышленного ферментера АДР-900-76 для производства белковой кормовой добавки из растительного сырья / / Биотехнология. — 2003. — № 6. — С. 84-88.
14. Сидоров Ю. І., Влязло Р. Й., Новіков В. П. Процеси і апарати мікробіологічної та фармацевтичної промисловості. — Львів: Інте-лект-Захід, 2008. — 736 с.
15. Смирнов Н. Н. Биохимические реакторы. — Л.: Химия, 1987. — 72 с.
16. Мертвецов Н. П., Рамазанов Ю. А., Реп-ковА. П. и др. Газовихревые биореакторы «Биок». Использование в современной биотехнологии. — Новосибирск: Наука, 2002. — 118 с.
17. Кислых В. И., Рамазанов Ю. А., Косюк И. П. и др. Безградиентные газо-вихревые биоре-ак то ры в сов ре мен ной би о тех но ло гии // Интеграл. — 2005. — Т. 22, № 2. — С. 78-89.
18. Pat. 6632657 US C12M1/04; C12M1/06; C12M3/02; C12M1/04. Apparatus for cultivating tissue cells and microorganisms in suspension / Kislykh V. I., Ramazanov J. A., Repkov A. P. (all RU). — Filing Date: 03/19/2001; Publication Date: 10/14/2003.
PILOT FERMENTERS OF CAPACITY TYPE
Yu. I. Sidorov
«Lviv’s Polytechnica» National University E-mail: sydorowy@rambler.ru
Basic information about modern pilot fermentation apparatus in sterile implementation used for the down-scaling of processes of cultivation of microorganisms, vegetable and animal cells, leading firms with a world fame (Bioengineering AG, B. Braun Biotech, Sartorius BBI Systems, Biotron, Solaris biotechnology, Luxun International Group) and also Russian firms «Biotechnics» is given. Special attention is given to innovative gas-vortical fermenters which have some advantages as compared to traditional ones with mechanical mixing devices.
Key words: pilot fermenter, bioreactor.
