Меню

Ферментеры и биореакторы: требования к эксплуатации

  • 27.11.2025
  • Познавательное
Таблица 1. Типы биореакторов и их технические характеристики
Тип биореактора Принцип работы Соотношение H/D Области применения Преимущества
Механический с мешалкой Перемешивание турбиной Раштона или дисковыми импеллерами 3:1 и выше Культивирование бактерий, дрожжей, грибов Высокая интенсивность перемешивания, надежность конструкции
Биореактор для клеточных культур Бережное перемешивание морскими лопастями 1,5:1 – 2:1 Культивирование клеток млекопитающих, растительных клеток Минимальное повреждение клеток, равномерное распределение
Барботажная колонна Пневматическое перемешивание восходящими потоками воздуха 4:1 – 6:1 Процессы с низкой вязкостью среды Отсутствие механических узлов, экономичность
Эрлифтный (airlift) Циркуляция среды за счет подачи воздуха через диффузор 5:1 – 8:1 Суспензии высокой плотности, вязкие среды Интенсивное перемешивание без механического воздействия
Газо-вихревой Квазистационарный поток с осевым противотоком 3:1 – 4:1 Процессы с требованиями к массопереносу Равномерное распределение газовой фазы, минимальное пенообразование
Мембранный (MBR/SBR) Аэрация через полипропиленовые мембраны 2:1 – 3:1 Производство биофармпрепаратов, очистка сточных вод Исключение пенообразования, стерильная аэрация
Таблица 2. Режимы стерилизации ферментационного оборудования
Метод стерилизации Температура, °C Давление, атм Время экспозиции, мин Применение
Автоклавирование основное 132–134 2,0 20–22 Стеклянные сосуды, металлические элементы, стойкие материалы
Автоклавирование щадящее 120–122 1,1 43–47 Резиновые уплотнения, полимерные материалы, питательные среды
Автоклавирование для жидкостей 105–110 0,5–0,7 8–15 Питательные среды в стеклянных сосудах
Стерилизация на месте (SIP) 130–135 Не регламентировано 30–60 Промышленные биореакторы из нержавеющей стали
Дробная стерилизация 80–100 Атмосферное 20 мин × 3 цикла Термолабильные питательные среды
Сухожаровая стерилизация 160–170 Атмосферное 90–120 Стеклянная посуда, металлические инструменты
Таблица 3. Контролируемые параметры процесса ферментации
Параметр Диапазон значений Точность контроля Критичность Метод регулирования
Температура 20–60 °C ± 0,2 °C Высокая Рубашка охлаждения/нагрева, змеевики
pH среды 4,0–8,5 ед.pH ± 0,05 ед.pH Критическая Автоматическое дозирование кислот/щелочей
Растворенный кислород (pO₂) 20–80% насыщения ± 2% Критическая Регулирование скорости подачи воздуха и оборотов мешалки
Скорость перемешивания 50–800 об/мин ± 5 об/мин Высокая Частотно-регулируемый привод электродвигателя
Давление в биореакторе 0,05–0,3 МПа ± 0,01 МПа Средняя Регулирующий клапан на выходе газов
Расход подачи воздуха 0,5–2,0 vvm* ± 0,05 vvm Высокая Массовые расходомеры (MFC), ротаметры
Уровень пены Не более 10% объема Визуальный/датчик Средняя Автоматическое дозирование пеногасителя
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) -400 – +600 мВ ± 10 мВ Средняя Корректировка режима аэрации

Пояснение к таблице 3:

* vvm (volume per volume per minute) — объем воздуха на объем среды в минуту. Например, 1 vvm для реактора объемом 100 л означает подачу 100 л воздуха в минуту.

Таблица 4. Контрольно-измерительные приборы и автоматизация биореакторов
Тип датчика/прибора Измеряемый параметр Принцип работы Типичные производители Периодичность калибровки
Термометр сопротивления (Pt100, Pt1000) Температура Изменение электрического сопротивления платины Emerson, Endress+Hauser, Yokogawa 1 раз в 12 месяцев
pH-электрод Кислотность среды Потенциометрический метод со стеклянной мембраной Mettler Toledo, Hamilton, Endress+Hauser Перед каждым циклом
Оптический датчик pO₂ Растворенный кислород Флуоресцентный метод (luminescence quenching) Mettler Toledo, Hamilton, PreSens 1 раз в 6 месяцев
Амперометрический датчик pO₂ Растворенный кислород Электрохимическое восстановление кислорода Mettler Toledo, Endress+Hauser 1 раз в 3 месяца
Массовый расходомер (MFC) Расход газов Термоанемометрический или кориолисов принцип Brooks, Bronkhorst, Yokogawa 1 раз в 12 месяцев
Датчик давления мембранный Давление в биореакторе Деформация тензорезистивной мембраны Rosemount, Siemens, Endress+Hauser 1 раз в 12 месяцев
Датчик уровня пены емкостной Уровень пенообразования Изменение емкости при контакте с пеной Endress+Hauser, VEGA Проверка перед циклом
Перистальтические насосы-дозаторы Подача субстратов, корректировка pH Сжатие эластичной трубки роликами Watson-Marlow, Masterflex, Verder Замена трубок по регламенту
Система управления SCADA Комплексный мониторинг и управление Программно-аппаратный комплекс с визуализацией Honeywell, Siemens, Yokogawa Регулярное обновление ПО

Общие сведения о ферментерах и биореакторах

Ферментеры и биореакторы представляют собой специализированное технологическое оборудование, предназначенное для культивирования микроорганизмов, клеточных культур и проведения ферментационных процессов в контролируемых условиях. Данные аппараты широко применяются в биотехнологической, фармацевтической, пищевой и химической промышленности для производства антибиотиков, ферментов, органических кислот, биополимеров и других целевых продуктов метаболизма.

Основное назначение биореакторного оборудования заключается в обеспечении оптимальных условий для роста и жизнедеятельности биологических агентов при поддержании строго определенных физико-химических параметров среды. К ключевым функциям относятся равномерное распределение питательных веществ, обеспечение массопереноса кислорода к клеткам, отвод метаболитов и продуктов жизнедеятельности, а также поддержание стабильных температурных условий.

Терминологически различают понятия "ферментер" и "биореактор", хотя в современной практике эти термины часто используются как синонимы. Традиционно ферментерами называют аппараты для культивирования бактерий, дрожжей и грибов с относительно высокой скоростью роста и устойчивостью к механическому воздействию. Биореакторами обозначают установки для культивирования более чувствительных клеточных культур млекопитающих, растительных и стволовых клеток, требующих щадящих условий перемешивания.

Ключевые отличия ферментеров и биореакторов:

Ферментеры характеризуются соотношением высоты к диаметру 3:1 и более, оснащаются турбинами Раштона для интенсивного перемешивания и кольцевыми барботерами с относительно крупными отверстиями. Биореакторы имеют соотношение геометрических размеров 1,5:1 — 2:1, используют импеллеры с наклонными лопастями или морские винты для бережного перемешивания и микропористые барботеры из спеченного металла для генерации мелкодисперсных пузырьков газа.

Конструктивные особенности биореакторов

Типовая конструкция промышленного биореактора представляет собой цилиндрический сосуд вертикального исполнения, изготовленный из нержавеющей стали марок AISI 316L или AISI 304L согласно требованиям ГОСТ 34347-2017. Корпус аппарата снабжается рубашкой для термостатирования или встроенными теплообменными змеевиками, обеспечивающими эффективный отвод избыточного тепла, выделяющегося в процессе метаболизма микроорганизмов.

Рабочий объем биореактора обычно составляет не более семидесяти процентов от общего геометрического объема аппарата, что обеспечивает необходимое пространство для пенообразования и предотвращает захлебывание культуры. Минимальный объем культивирования для большинства лабораторных установок составляет от двадцати до тридцати процентов общего объема, что позволяет эффективно работать датчикам и обеспечивать достаточную глубину погружения мешалки.

Основные конструктивные элементы

Корпус биореактора комплектуется необходимым набором технологических портов и штуцеров для подключения систем подачи питательных субстратов, корректирующих растворов кислот и щелочей, пеногасителя, а также для установки измерительных датчиков и отбора проб. Крышка аппарата выполняется из нержавеющей стали с интегрированными портами для ввода вала мешалки, подачи газов, установки датчиков и проведения технологических операций.

Система перемешивания включает электродвигатель с частотно-регулируемым приводом, механическое уплотнение вала для обеспечения стерильности и комплект импеллеров, конструкция которых определяется типом культивируемых объектов. Для интенсивной ферментации применяются дисковые турбины Раштона с шестью вертикальными лопатками, создающие радиальный поток и обеспечивающие высокую скорость сдвига. При культивировании чувствительных клеток используются импеллеры с наклонными лопатками или морские винты, генерирующие осевой поток с минимальным механическим воздействием на клетки.

Система аэрации предназначена для обеспечения кислородом аэробных культур и включает компрессор или систему подготовки сжатого воздуха, стерилизующие фильтры с размером пор 0,22 микрометра, массовые расходомеры для точного дозирования и барботер для диспергирования газовой фазы в жидкой среде. Современные установки могут оснащаться системами смешивания газов для точного контроля концентрации кислорода, азота и углекислого газа в подаваемой смеси.

Классификация ферментационного оборудования

По способу подвода энергии и принципу перемешивания биореакторы классифицируются на аппараты с механическим, пневматическим и комбинированным перемешиванием. Аппараты с механическим перемешиванием являются наиболее распространенными в промышленной биотехнологии благодаря высокой эффективности массопереноса и возможности точного контроля гидродинамических условий. Перемешивание осуществляется механической мешалкой с центральным валом, оснащенным одной или несколькими турбинами, расположенными по высоте аппарата.

Биореакторы с пневматическим перемешиванием не содержат движущихся механических частей, контактирующих со средой, что существенно упрощает обеспечение стерильности процесса. Перемешивание и аэрация в таких аппаратах осуществляются исключительно за счет подачи сжатого воздуха или газовой смеси через барботер, расположенный в нижней части корпуса. К данной категории относятся барботажные колонны и эрлифтные биореакторы, отличающиеся простотой конструкции и надежностью в эксплуатации.

Барботажные и эрлифтные биореакторы

Барботажные колонны характеризуются высоким соотношением высоты к диаметру, обычно находящимся в диапазоне от четырех до шести единиц. Восходящие потоки воздуха обеспечивают равномерное перемешивание по всему объему аппарата без создания сильных гидродинамических возмущений, что важно при работе с чувствительными микроорганизмами. Экономичность эксплуатации достигается за счет отсутствия энергозатрат на привод механической мешалки и минимальных требований к техническому обслуживанию.

Эрлифтные биореакторы представляют собой усовершенствованную конструкцию барботажных колонн, дополненную внутренним диффузором, который разделяет рабочий объем на две зоны — восходящую и нисходящую. Подача воздуха осуществляется в одну из зон, что создает направленную циркуляцию культуральной жидкости. Такая конструкция обеспечивает более интенсивное перемешивание по сравнению с простыми барботажными колоннами и эффективна при работе с суспензиями высокой плотности или вязкими средами.

Специализированные типы биореакторов

Мембранные биореакторы используют полипропиленовые или керамические мембраны для подачи газов непосредственно в культуральную среду, что позволяет избежать пенообразования и обеспечить стерильную аэрацию. Данный тип оборудования находит применение в производстве биофармацевтических препаратов, где требования к чистоте процесса особенно высоки. Газо-вихревые биореакторы создают специфическую гидродинамическую обстановку за счет формирования квазистационарного потока с осевым противотоком, что обеспечивает эффективный массоперенос при минимальном механическом воздействии на клетки.

Для поверхностного культивирования применяются специализированные ферментационные камеры с вентиляцией, в которых на стеллажах размещаются плоские кюветы или лотки. Этот метод используется преимущественно для производства органических кислот и культивирования микроорганизмов, требующих доступа к газовой фазе. Твердофазная ферментация проводится в аналогичных камерах, но с использованием сыпучих твердых субстратов, через которые осуществляется принудительная продувка воздуха.

Требования к материалам изготовления

Биореакторы для промышленного применения изготавливаются из высоколегированных марок нержавеющей стали, обладающих высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах и при воздействии высоких температур при стерилизации. Согласно ГОСТ 5632-2014, для изготовления сосудов и аппаратов, контактирующих с биологическими средами, применяются стали марок 12Х18Н10Т, 08Х18Н10 или их зарубежные аналоги AISI 316L и AISI 304L.

Внутренняя поверхность биореактора должна быть тщательно отполирована до класса чистоты Ra не более 0,8 микрометра, что исключает образование застойных зон и облегчает проведение процедур мойки и стерилизации. Все сварные соединения выполняются аргонодуговой сваркой с полным проплавлением и последующей зачисткой, а швы подвергаются травлению и пассивированию для восстановления защитного оксидного слоя.

Для лабораторных биореакторов допускается использование сосудов из боросиликатного стекла марки 3.3, обладающего высокой химической и термической стойкостью. Стеклянные биореакторы обеспечивают визуальный контроль процесса культивирования и могут подвергаться многократному автоклавированию при температуре до ста тридцати четырех градусов Цельсия. Крышки таких аппаратов изготавливаются из нержавеющей стали и оснащаются необходимым набором портов для подключения систем управления.

Требования к уплотнительным материалам:

Уплотнения, прокладки и шланги для биореакторов изготавливаются из термостойких эластомеров на основе силикона, фторкаучуков (Viton) или перфторэластомеров (Kalrez), выдерживающих многократное автоклавирование. Материалы должны быть инертны к применяемым питательным средам, не выделять токсичных веществ и соответствовать требованиям фармакопейных стандартов при производстве биофармацевтических препаратов.

Системы стерилизации биореакторов

Обеспечение стерильности является критическим требованием при эксплуатации ферментационного оборудования, поскольку загрязнение посторонней микрофлорой приводит к потере целевого продукта и может представлять биологическую опасность. Стерилизация биореакторов осуществляется термическими методами с использованием насыщенного водяного пара под давлением, обеспечивающего гибель как вегетативных форм микроорганизмов, так и их спор.

Автоклавирование

Лабораторные биореакторы со стеклянными сосудами стерилизуются методом автоклавирования в паровых стерилизаторах. Основной режим стерилизации проводится при температуре от ста тридцати двух до ста тридцати четырех градусов Цельсия и избыточном давлении две атмосферы с экспозицией от двадцати до двадцати двух минут. Данный режим обеспечивает достижение уровня обеспечения стерильности SAL десять в минус шестой степени, что соответствует требованиям фармакопеи.

Щадящий режим автоклавирования применяется для обработки термочувствительных материалов, таких как резиновые уплотнения, полимерные трубки и некоторые питательные среды. Процесс проводится при температуре от ста двадцати до ста двадцати двух градусов Цельсия и давлении одна целая одна десятая атмосферы с увеличенным временем экспозиции до сорока пяти — сорока семи минут. Для жидких питательных сред в стеклянной таре может применяться режим при температуре от ста пяти до ста десяти градусов с экспозицией от восьми до пятнадцати минут.

Стерилизация на месте

Промышленные биореакторы из нержавеющей стали большого объема стерилизуются методом SIP (Sterilization In Place), при котором насыщенный пар подается непосредственно в корпус аппарата через специально предусмотренные патрубки. Процесс проводится при температуре от ста тридцати до ста тридцати пяти градусов Цельсия с выдержкой от тридцати до шестидесяти минут, обеспечивая прогрев всего объема оборудования, включая труднодоступные полости и внутренние поверхности трубопроводов.

Критическим требованием при проведении SIP является отсутствие мертвых зон и застойных участков, где может скапливаться конденсат, препятствующий прогреву до требуемой температуры. Все трубопроводы должны иметь уклон для самодренирования, а конструкция аппарата предусматривать дренажные точки в нижней части. Контроль температуры осуществляется в критических точках с помощью термометров сопротивления Pt100, а время выдержки отсчитывается с момента достижения требуемой температуры во всех контролируемых зонах.

Альтернативные методы стерилизации

Дробная стерилизация применяется для обработки термолабильных питательных сред, разрушающихся при высоких температурах. Метод заключается в троекратном нагреве среды до температуры от восьмидесяти до ста градусов Цельсия с выдержкой двадцать минут и последующим охлаждением. Между циклами среду выдерживают при комнатной температуре, что позволяет прорасти спорам, которые затем инактивируются при следующем нагреве. Сухожаровая стерилизация используется исключительно для обработки стеклянной посуды и металлических инструментов при температуре от ста шестидесяти до ста семидесяти градусов с экспозицией от девяноста до ста двадцати минут.

Параметры и режимы культивирования

Успешное проведение ферментационного процесса требует строгого поддержания оптимальных физико-химических параметров культивирования, специфичных для каждого вида микроорганизмов или клеточной культуры. Отклонение контролируемых параметров от заданных значений приводит к замедлению роста, снижению выхода целевого продукта или полной гибели культуры. Современные системы автоматизации обеспечивают непрерывный мониторинг и регулирование критических параметров в режиме реального времени.

Температурный режим

Температура является одним из наиболее критичных параметров, определяющих скорость метаболических процессов и жизнеспособность культуры. Для большинства промышленных штаммов оптимальная температура культивирования находится в диапазоне от двадцати до шестидесяти градусов Цельсия, при этом мезофильные микроорганизмы культивируются при температуре от тридцати до тридцати семи градусов, а термофильные — при более высоких значениях. Точность поддержания температуры должна составлять плюс-минус две десятых градуса для обеспечения стабильности процесса.

Терморегулирование осуществляется путем пропускания теплоносителя через рубашку биореактора или встроенные теплообменные змеевики. В процессе культивирования выделяется значительное количество метаболического тепла, требующего эффективного отвода. Для расчета необходимой мощности системы охлаждения учитывают удельное тепловыделение микроорганизмов, потери тепла через стенки аппарата и тепло, вносимое с подаваемым воздухом. Автоматическое регулирование температуры осуществляется ПИД-регулятором, управляющим трехходовым клапаном подачи охлаждающей воды.

Контроль кислотности среды

Значение водородного показателя pH существенно влияет на активность ферментов, проницаемость клеточных мембран и доступность питательных веществ. Большинство микроорганизмов культивируется в диапазоне pH от четырех до восьми с половиной единиц с точностью поддержания плюс-минус пять сотых единицы. В процессе метаболизма происходит образование органических кислот или щелочных продуктов, сдвигающих pH среды, что требует автоматической корректировки.

Регулирование pH осуществляется автоматическим дозированием растворов кислот, обычно серной или ортофосфорной, и оснований, таких как гидроксид натрия или аммиачная вода. ПИД-регулятор на основании сигнала от pH-электрода управляет перистальтическими насосами-дозаторами, подающими корректирующие растворы. Электрод должен калиброваться перед каждым циклом культивирования с использованием стандартных буферных растворов для обеспечения требуемой точности измерения.

Системы аэрации и массопереноса

Обеспечение адекватного снабжения кислородом является критическим фактором при культивировании аэробных микроорганизмов, поскольку кислород необходим для процессов энергетического метаболизма и биосинтеза целевых продуктов. Растворимость кислорода в водных средах ограничена и составляет около восьми миллиграммов на литр при нормальных условиях, что существенно ниже потребностей быстрорастущих культур с высокой скоростью дыхания.

Принципы массопереноса кислорода

Скорость переноса кислорода из газовой фазы в жидкую среду и далее к клеткам описывается объемным коэффициентом массопередачи kLa, измеряемым в обратных часах. Данный параметр зависит от интенсивности перемешивания, скорости подачи воздуха, конструкции барботера и физико-химических свойств среды, таких как вязкость и поверхностное натяжение. Для обеспечения эффективного культивирования необходимо поддерживать концентрацию растворенного кислорода на уровне от двадцати до восьмидесяти процентов насыщения.

Регулирование концентрации растворенного кислорода осуществляется каскадным управлением, при котором сначала увеличивается скорость перемешивания, а при достижении максимальных оборотов мешалки начинается повышение расхода подаваемого воздуха. Такая стратегия позволяет минимизировать пенообразование и обеспечить энергоэффективность процесса. Дополнительно может применяться обогащение подаваемого воздуха чистым кислородом при работе с культурами, имеющими очень высокие кислородные запросы.

Технические решения по аэрации

Подаваемый в биореактор воздух предварительно проходит стерилизующую фильтрацию через мембранные фильтры с размером пор две десятых микрометра для исключения попадания контаминирующей микрофлоры. Барботер представляет собой распределительное устройство, обеспечивающее диспергирование газового потока на мелкие пузырьки для увеличения межфазной поверхности массопереноса. Для ферментеров с бактериальными культурами применяются кольцевые или крестовые барботеры с отверстиями диаметром от одного до трех миллиметров.

При культивировании клеточных культур используются микропористые барботеры из спеченных материалов, генерирующие пузырьки размером менее одного миллиметра, что обеспечивает высокий коэффициент массопередачи при минимальном механическом воздействии на клетки. Расход воздуха выражается в единицах vvm (volume per volume per minute) и обычно составляет от половины до двух vvm в зависимости от кислородных требований культуры. Массовые расходомеры с цифровым выходом обеспечивают точное дозирование газовых потоков с погрешностью не более пяти сотых vvm.

Терморегулирование ферментационных процессов

Поддержание стабильной температуры в биореакторе требует эффективной системы теплообмена, способной компенсировать метаболическое тепловыделение микроорганизмов, теплоту, вносимую с подаваемым воздухом, и энергию, выделяющуюся при работе мешалки. Удельное тепловыделение при аэробном метаболизме составляет от пятнадцати до двадцати пяти килоджоулей на грамм образовавшейся биомассы, что при высоких концентрациях клеток требует значительных мощностей охлаждения.

Классическая система термостатирования использует рубашку охлаждения, представляющую собой двойные стенки корпуса биореактора, через которые циркулирует теплоноситель — вода или водно-гликолевый раствор при низкотемпературном культивировании. Преимуществом рубашки является равномерное распределение температуры по высоте аппарата, однако удельная площадь теплообмена снижается при масштабировании процесса на большие объемы.

Альтернативные системы теплообмена

Для биореакторов большого объема применяются встроенные теплообменные змеевики, обеспечивающие увеличенную площадь теплообмена без существенного усложнения конструкции. Змеевики изготавливаются из нержавеющих труб диаметром от двадцати до пятидесяти миллиметров и располагаются по периферии рабочего объема для минимизации влияния на гидродинамику перемешивания. Комбинированные системы используют как рубашку, так и змеевики для обеспечения требуемой мощности теплоотвода.

Для процессов с экстремальным тепловыделением, например при использовании в качестве субстрата метанола или жидких углеводородов, могут применяться внешние теплообменники с циркуляцией культуральной жидкости. Однако такое решение требует специальных насосов, обеспечивающих щадящую перекачку без повреждения клеток, и усложняет обеспечение стерильности системы. Автоматическое регулирование температуры осуществляется ПИД-регулятором, который управляет трехходовым клапаном, смешивающим потоки охлажденной и оборотной воды для достижения требуемой температуры теплоносителя.

Контрольно-измерительные приборы и автоматизация

Современные биореакторы оснащаются комплексной системой контрольно-измерительных приборов, обеспечивающих непрерывный мониторинг всех критических параметров процесса культивирования. Датчики и измерительные устройства должны обладать высокой точностью, стабильностью показаний в течение длительного времени работы и устойчивостью к воздействию агрессивных сред и высоких температур при стерилизации.

Датчики основных параметров

Температура измеряется термометрами сопротивления типа Pt100 или Pt1000, использующими зависимость электрического сопротивления платины от температуры. Датчики устанавливаются в защитных гильзах из нержавеющей стали и обеспечивают точность измерения плюс-минус одна десятая градуса Цельсия. Калибровка термометров сопротивления проводится один раз в двенадцать месяцев с использованием эталонных термометров и температурных калибраторов.

Измерение pH осуществляется потенциометрическим методом с использованием комбинированных стеклянных электродов, включающих измерительный и референсный полуэлементы в одном корпусе. Электроды должны быть термокомпенсированными для автоматической корректировки показаний в зависимости от температуры среды. Ввиду постепенной деградации стеклянной мембраны калибровка pH-электродов проводится перед каждым циклом культивирования по двум или трем точкам с использованием стандартных буферных растворов с pH 4,01; 7,00 и 10,01.

Датчики растворенного кислорода

Для измерения концентрации растворенного кислорода применяются амперометрические или оптические датчики. Амперометрические датчики работают по принципу электрохимического восстановления кислорода на катоде, защищенном газопроницаемой мембраной. Такие датчики требуют регулярной калибровки каждые три месяца и периодической замены мембраны и электролита. Скорость отклика составляет около одной минуты, что достаточно для большинства ферментационных процессов.

Оптические датчики растворенного кислорода используют метод тушения флуоресценции, при котором молекулы кислорода взаимодействуют с флуоресцентным красителем, снижая интенсивность его свечения. Преимуществами оптических датчиков являются отсутствие потребления кислорода при измерении, высокая долговременная стабильность и устойчивость к загрязнению. Калибровка требуется примерно раз в шесть месяцев, однако стоимость таких датчиков существенно выше амперометрических аналогов.

Системы автоматизации

Управление биореактором осуществляется программируемым логическим контроллером или специализированной SCADA-системой, обеспечивающей визуализацию параметров процесса, регистрацию данных и автоматическое регулирование. Современное программное обеспечение позволяет реализовывать сложные алгоритмы управления, включая каскадное регулирование растворенного кислорода, программное изменение параметров по заданным профилям и автоматическую подачу подпиточных растворов.

Система автоматизации должна обеспечивать непрерывную регистрацию всех параметров с частотой не менее одной записи в минуту для последующего анализа процесса и соответствия требованиям GMP при производстве фармацевтических продуктов. Важной функцией является система аварийных сигналов, оповещающая оператора о выходе параметров за допустимые пределы и инициирующая защитные действия для предотвращения потери культуры.

Нормативные требования и стандарты

Проектирование, изготовление и эксплуатация биореакторов регламентируются комплексом нормативных документов, обеспечивающих промышленную безопасность и качество производимой продукции. Основополагающим документом для стальных сварных сосудов и аппаратов является ГОСТ 34347-2017, устанавливающий требования к конструкции, материалам, методам испытаний и приемке оборудования, работающего под избыточным давлением.

Российские стандарты

ГОСТ 34347-2017 распространяется на стальные сварные сосуды и аппараты, работающие под избыточным давлением, вакуумом с остаточным давлением не ниже шестисот шестидесяти пяти паскалей или без давления. Стандарт устанавливает требования к расчету на прочность согласно серии ГОСТ 34233, выбору материалов, технологии сварки, неразрушающему контролю сварных соединений и гидравлическим испытаниям. Минимальный диаметр люков для доступа внутрь сосуда составляет четыреста миллиметров для аппаратов в помещениях и четыреста пятьдесят миллиметров при установке на открытом воздухе.

Фланцевые соединения биореакторов должны соответствовать серии стандартов ГОСТ 28759, актуализированной в 2022 году и заменившей версии девяностого года. Данные стандарты регламентируют типы, размеры и технические требования к фланцам сосудов и аппаратов для рабочих давлений от 0,1 до 20 МПа. Безопасность оборудования, работающего под избыточным давлением, дополнительно регулируется техническим регламентом ТР ТС 032/2013 и федеральными нормами промышленной безопасности.

Международные стандарты

При производстве биофармацевтических препаратов применяются требования стандарта IEC 61511 по функциональной безопасности систем управления, определяющего уровни полноты безопасности SIL от первого до четвертого. Автоматизированные системы противоаварийной защиты биореакторов должны соответствовать уровню SIL 2 или выше для критических функций, таких как предотвращение превышения допустимого давления или температуры.

Стандарты ASME B31.3 регламентируют проектирование технологических трубопроводов, подключаемых к биореакторам, включая выбор материалов, толщину стенок, радиусы гибов и требования к сварным соединениям. Для фармацевтических производств применяются дополнительные требования по полируемости внутренних поверхностей и возможности проведения валидации процессов очистки. Присоединение приводов к арматуре должно соответствовать стандарту ISO 5211, а навесное оборудование КИПиА может выполняться согласно спецификации NAMUR по стандарту VDI/VDE 3845.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Надежная эксплуатация биореакторного оборудования требует строгого соблюдения регламентов технического обслуживания и своевременного выполнения профилактических работ. Перед каждым циклом культивирования проводится визуальный осмотр корпуса аппарата, уплотнений, штуцеров и трубопроводов на предмет повреждений, коррозии или следов утечек. Особое внимание уделяется состоянию уплотнения вала мешалки, которое обеспечивает стерильность процесса.

Процедуры мойки и стерилизации

После завершения ферментации биореактор должен быть тщательно очищен от остатков биомассы и питательной среды перед проведением стерилизации. Промышленные установки оснащаются системами CIP (Cleaning In Place), обеспечивающими автоматизированную мойку без разборки оборудования. Процесс включает предварительную промывку водой, обработку моющими растворами на основе щелочей и кислот, финальную промывку водой очищенной и продувку стерильным воздухом для удаления влаги.

Эффективность мойки контролируется по остаточному содержанию общего органического углерода в промывных водах, которое не должно превышать пять частей на миллион для фармацевтических производств. Валидация процессов мойки и стерилизации проводится с использованием биологических индикаторов на основе спор Geobacillus stearothermophilus, обладающих высокой термостойкостью. Отсутствие роста после инкубации индикаторов подтверждает достижение требуемого уровня стерильности.

Регламентное обслуживание

Механическое уплотнение вала мешалки требует периодической замены согласно рекомендациям производителя, обычно после проведения определенного числа циклов или при появлении признаков износа. Профилактическое обслуживание электродвигателя включает проверку состояния подшипников, измерение сопротивления изоляции обмоток и контроль вибрации. Калибровка измерительных приборов проводится по установленному графику с оформлением соответствующих протоколов для обеспечения прослеживаемости метрологической цепи.

Ежегодно проводится внутренний осмотр биореактора с проверкой состояния внутренней поверхности корпуса, сварных швов, установленного оборудования и теплообменных элементов. При обнаружении питтинговой коррозии, трещин или других дефектов принимается решение о необходимости ремонта или вывода оборудования из эксплуатации. Все работы по техническому обслуживанию и ремонту должны выполняться квалифицированным персоналом с соответствующими допусками и документироваться в журналах регистрации.

Часто задаваемые вопросы

В чем основное отличие ферментера от биореактора?
Ферментеры традиционно используются для культивирования бактерий, дрожжей и грибов, характеризуются соотношением высоты к диаметру 3:1 и выше, оснащаются турбинами Раштона для интенсивного перемешивания. Биореакторы предназначены для культивирования чувствительных клеточных культур млекопитающих и растений, имеют соотношение размеров 1,5:1 — 2:1 и используют более щадящие системы перемешивания с морскими лопастями или наклонными импеллерами.
Какой режим стерилизации применяется для промышленных биореакторов?
Промышленные биореакторы из нержавеющей стали стерилизуются методом SIP (Sterilization In Place) при температуре 130–135 градусов Цельсия с выдержкой 30–60 минут. Насыщенный пар подается непосредственно в корпус аппарата через специальные патрубки, обеспечивая прогрев всего объема оборудования, включая труднодоступные полости и внутренние поверхности трубопроводов.
Какие параметры являются критичными при культивировании микроорганизмов?
Критическими параметрами являются температура (точность ±0,2°C), pH среды (точность ±0,05 ед.pH) и концентрация растворенного кислорода (20–80% насыщения). Эти параметры непосредственно влияют на скорость роста, метаболическую активность и жизнеспособность культуры. Отклонение от оптимальных значений приводит к замедлению роста или гибели микроорганизмов.
Как часто требуется калибровка pH-электродов?
pH-электроды требуют калибровки перед каждым циклом культивирования из-за постепенной деградации стеклянной мембраны и дрейфа показаний. Калибровка проводится по двум или трем точкам с использованием стандартных буферных растворов с pH 4,01; 7,00 и 10,01. Термокомпенсация обеспечивает автоматическую корректировку показаний в зависимости от температуры среды.
Какие материалы используются для изготовления биореакторов?
Промышленные биореакторы изготавливаются из нержавеющих сталей марок 12Х18Н10Т, 08Х18Н10 (ГОСТ 5632-2014) или их зарубежных аналогов AISI 316L и AISI 304L. Внутренняя поверхность полируется до чистоты Ra не более 0,8 мкм. Лабораторные биореакторы могут использовать сосуды из боросиликатного стекла 3.3, выдерживающего многократное автоклавирование.
Что означает единица vvm при подаче воздуха?
VVM (volume per volume per minute) — объем воздуха на объем среды в минуту. Например, 1 vvm для биореактора объемом 100 литров означает подачу 100 литров воздуха в минуту. Типичные значения составляют от 0,5 до 2,0 vvm в зависимости от кислородных требований культуры. Точность дозирования обеспечивается массовыми расходомерами с погрешностью ±0,05 vvm.
Какие стандарты регламентируют проектирование биореакторов?
Основным стандартом является ГОСТ 34347-2017 для стальных сварных сосудов и аппаратов. Расчет на прочность проводится по серии ГОСТ 34233. Фланцевые соединения должны соответствовать ГОСТ 28759 (актуализация 2022 года). Дополнительно применяются технический регламент ТР ТС 032/2013, стандарты IEC 61511 по функциональной безопасности и ASME B31.3 для технологических трубопроводов.
В чем преимущества оптических датчиков кислорода перед амперометрическими?
Оптические датчики растворенного кислорода не потребляют кислород при измерении, обладают высокой долговременной стабильностью и требуют калибровки только раз в шесть месяцев против трех месяцев для амперометрических. Однако их стоимость существенно выше. Оптические датчики менее чувствительны к загрязнению и не требуют периодической замены мембраны и электролита.
Появились вопросы?

Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.