Hapen käyttö solujen kasvun nopeuttamiseksi fermentaation aikana
Tuotantomäärien nopea lisääminen bakteerien tehokkaalla lisääntymisellä bioprosesseissa on useimmiten mahdollista vain aktivoimalla olemassa olevia, tähän asti käyttämättömiä kapasiteetteja – eli laajentamalla tuotantoa.
Aerobisten fermentaatioprosessien tehostaminen epäonnistuu usein, koska mikro-organismeille ei voida toimittaa riittävästi liuennutta happea. Tuotannon lisääminen on usein mahdollista vain rakentamalla uusia reaktoreita, mikä vaatii pitkää suunnitteluaikaa ja suuria investointeja.
Puhdas hapen kaasutus tarjoaa tähän tehokkaan ja kustannustehokkaan ratkaisun.
Happikaasutuksen edut fermentaation aikana bioreaktorissa
Solutiheyden lisääminen
Tärkein etu on aerobisen fermentaatioprosessin huomattavasti parantunut liuenneen hapen saanti. Tämän ansiosta solutiheyttä voidaan lisätä ilman, että syntyy väliaikaisia anaerobisia olosuhteita ja siten biologisen prosessin hidastumista.
Erityisesti eksponentiaalisen kasvun vaiheessa, ns. log-vaiheessa, jolloin bakteerien lisääntyminen saavuttaa maksiminsa, hapen osapaineen lisääminen on erityisen tehokasta.
Viljelemällä erittäin suuria solutiheyksiä tavallisessa sekoituskattilifermentorissa joudutaan kohtaamaan ongelmia, kuten kasvun hidastuminen liian korkeiden lähtökonsentraatioiden vuoksi, välttämättömien ravintokomponenttien kuluminen viljelyn aikana, estävien aineenvaihdunnan sivutuotteiden muodostuminen sekä hapen saannin rajallinen kapasiteetti.
Kasvavan korkean solutiheyden viljelmän lisääntyvän hapenkulutuksen pesuaineproteaasien ja muiden tuotteiden valmistuksessa voidaan kattaa erilaisilla strategioilla. Näitä ovat erityisesti sekoitusnopeuden ja ilmastointinopeuden lisääminen, hapella rikastetun ilman syöttö, puhdasta happea käyttävä ilmastus sekä viljely alhaisissa lämpötiloissa ja korotetussa paineessa.
Puhtaan hapen avulla voidaan vähentää sekoitustehoa
Puhtaan hapen hyvän liukoisuuden ansiosta sekoitustehoa voidaan usein vähentää samalla liuenneen hapen pitoisuudella. Tämä voi toisaalta johtaa energiakustannusten alenemiseen ja toisaalta vähentää mikro-organismien leikkausjännitystä (mekaanisesta rasituksesta johtuvaa stressiä). Jälkimmäinen lisää herkän viljelmän suorituskykyä. Erittäin herkät soluviljelmät hyötyvät erityisistä kaasun syöttöjärjestelmistä, jotka vähentävät energiankulutuksen minimiin.
Air Liquiden omalla keksinnöllä happi voidaan syöttää vesi-faasiin kokonaan tai osittain ilman kuplia.
Vaahtomuodostuksen välttäminen
Monissa tapauksissa huomattava osa reaktorin tilavuudesta menetetään massiivisen vaahtomuodostuksen vuoksi. Syynä tähän on useimmiten suuri ilmamäärä, joka tarvitaan organismien hengittämiseen. Puhdasta happea käytettäessä ilman typpipitoisuus poistuu, syötetty kaasumäärä vähenee, jolloin vaahtokorkeus pienenee huomattavasti ja tuotantokapasiteettia voidaan lisätä. Taloudellisista syistä ei yleensä siirrytä kokonaan puhtaaseen happeen, vaan vain osa ilman hapesta korvataan puhtaalla hapella. Positiivisena sivuvaikutuksena voidaan usein säästää bioreaktorissa aiemmin tarvittavia vaahdonestoaineita.
Laitteiden ja prosessien turvallisuus bioreaktorin hapen syötössä
Tekninen projektisuunnittelu toteutetaan Air Liquiden asiantuntijoiden toimesta, ja se alkaa jo kauan ennen laitoksen kaasun syöttöjärjestelmän mitoitusta. Jo laboratoriomittakaavan esikokeiden aikana projektisuunnittelija on käytettävissä neuvomassa laitos- ja prosessiteknisissä kysymyksissä.
Erityistä huomiota kiinnitetään laitoksen turvallisuuteen: yhdessä laitoksen käyttäjän kanssa suoritetaan HAZOP-tutkimuksia (HAZOP = Hazard and Operability, Saksassa PAAG), joissa analysoidaan kaikkien laitoksen osien, lähtöaineiden ja tuotteiden reaktiivisuus puhtaan hapen kanssa.
Laitoksen turvallisuuden lisäksi myös prosessin turvallisuus on erittäin tärkeää: kaasun syöttö mukautetaan vastaamaan valmistusprosessin vaadittua steriiliyttä.
Lisäksi Air Liquide tarjoaa prosessin aikana tapahtuvaa kaasunvalvontaa, joka auttaa havaitsemaan muutokset tuotantoprosesseissa varhaisessa vaiheessa.
Esimerkkinä tästä on hiilidioksidin rikastuminen nestemäisessä faasissa, mikä voi – organismin tyypistä riippuen – johtaa biologisten prosessien hidastumiseen.
Lisäksi otetaan huomioon termodynaamiset olosuhteet. Voimakkaasti eksotermisissä reaktioissa tuotantotehon kasvu johtaa myös prosessin optimaalisen lämpötilan ylläpitämiseen tarvittavan jäähdytystehon kasvuun.
Happikaasutus voi lisätä fermentaatioprosessin tehokkuutta. Teknisten entsyymien tai proteaasien valmistuksessa myös inerttikaasun strippaus typellä voi lisätä bioprosessin suorituskykyä.
Air Liquiden asiantuntijat antavat sinulle kattavaa neuvontaa – kaasun syöttöjärjestelmän projektisuunnittelusta täysin automaattiseen ohjaus- ja annosteluyksikköön sekä laitekohtaisiin sumuttimiin, syöttö- ja turvajärjestelmiin.
