Download
1 / 66
670 likes | 900 Views
Mikroorganismu kultivācija bioreaktoros. Dr.sc.eng. Juris Vanags. Kas ir bioreaktors? (1).
E N D
Mikroorganismu kultivācija bioreaktoros Dr.sc.eng. Juris Vanags
Kas ir bioreaktors? (1) Bioreaktors ir iekārta, kas nodrošina apstākļus mikroorganismu vairošanai un biosintēzei. Mikroorganismi aug barojošā vidē, no kurienes saņem nepieciešamo vairošanai. Vēl papildus kā barojošais elements var tikt izmantots skābeklis, ko pievada ar saspiestā gaisa palīdzību avi inertās gāzes balona palīdzību. Lai varētu sekmīgi noritēt mikroorganismu vairošanās un barības saņemšana, ir nepieciešams precīzi ievērot ārējās vides apstākļus, jo vairums biosintēzē izmantojamo mikroorganismu šai ziņā ir daudz jūtīgāki nekā , piemēram, cilvēki. Tāpēc arī šai mikroorganismu pasaules mājā - bioreaktorā ir jānodrošina daudz augstāks “komforta” līmenis, t.i. Ārējās vides nosacījumi.
Mikroorganismu kultivāciju veidi Periodiskais; Piebarošanas; Nepārtrauktais. Periodiskajā procesā bioreaktors tiek piepildīts ar svaigu barotni un tad tajā tiek ievadīts sējmateriāls. Fermentācijas procesa beigās saturs tiek aizvadīts uz izdalīšanās stadiju, reaktors iztīrīts un nosterilizēts, lai būtu gatavs nākošajam procesam. Piebarošanas procesā, bioreaktorā tiek pievadīta nepārtraukti vai porcijās svaiga barotne (piebarošanas intensitāte parasti tiek saistīta ar augšanas vai biosintēzes ātrumu). Kad bioreaktors ir pilns, tad tas tiek daļēji vai pilnīgi iztukšots. Process tiek nobeigts vai atjaunots. Nepārtrauktajā procesa jeb hermostatā nepārtraukti tiek aizvadīta projām bioreaktorā sakultivētais šķidrums. Nepārtrauktais process var noritēt ļoti ilgi un tā garumu parasti nosaka ražošanas vajadzības un tehniskie faktori. Visizplatītākais ir fermentācija ar piebarošanu un tā tiek parasti pielietota bioloģiskajiem produktiem. Šādā gadījumā tiek novērsti periodisko procesu trūkumi ar ne sevišķi lielām tehniskām izmaiņām. Nepārtrauktie procesi jeb hemostati visbiežāk tiek pielietoti bioķīmikālu iegūšanai lielmēroga ražošanā. Šādi procesi no ražošanas viedokļa ir ekonomiskākie. Kaut gan to pielietošanai ir nepieciešami būtiski tehniski pārveidojumi un dziļāka izpratne par dotās fermentācijas kinētiku.
Galvenās prasības bioreaktoram Galvenās prasības, kas jānodrošina bioreaktoram, nosacīti var iedalīt 3 grupās: Sterilitāte; Samaisīšana/aerācija kā būtisks masas apmaiņas faktors; Procesa kontrole un vadība. Lai varētu izpildīt šīs prasības, bioreaktora risinājumam ir jābūt veidotam ar atbilstošu profesionalitāti un tā tehniskajam izpildījumam (virsmas apstrāde, metinājuma šuves) jābūt kvalitatīvi augstā izpildījumā.
Sterilitāte (1) Viens no galvenajiem dažādu bioreaktoru kvalitātes salīdzināšanas rādītājiem, ir spēja nodrošināt sterilas fermentācijas. Šīs īpašības lielā mērā nosaka bioreaktora konstrukcija un virsmas apstrādes kvalitāte. Visi tālāk uzskaitītie nesterilitātes riska faktori, galvenokārt ir saistīti ar hermetizācijas nodrošinājumu dažādās procesa stadijās un virsmas apstrādes kvalitāti. Raksturīgākie iespējamie nesterilitātes riska faktori no konstrukcijas viedokļa ir sekojošie:
Sterilitāte (2) Maisītāja blīvslēgi, sensoru un citu ietaišu ievietošanas portu blīvējums. Viens no tipiskākajiem infekciju piekļūšanas ceļiem ir maisītāja blīvslēgi. Ne vienmēr ir vienkārši vienlaicīgi nodrošināt efektīvu blīvējumu un netraucētu piedziņas rotāciju. Vēl bez tam ir jāievēro regulāra piedziņas blīvslēga kopšana, lai tur nevarētu uzkrāties infekcija. Lai novērstu ar blīvslēgiem saistītās problēmas, bioreaktoru piedziņas veido uz magnētiskās piedziņas principa. Šai gadījumā griezes moments tiek pārnests ar magnētiskā lauka palīdzību un rezultātā bioreaktora trauks var būt pilnīgi noslēgts. Attiecībā uz sensoru un citu ietaišu (titrējamo un piebarojamo komponentu ievadīšanai, parauga noņemšanai, hemostata realizēšanai u.c.) portu blīvēšanu jāņem vērā, lai to būtu iespējams noblīvēt ar operatora roku spēku, kā arī, lai nemainītos blīvējuma īpašības sterilizācijas temperatūras iedarbības rezultātā. "Kabatas", nelīdzenumi un citas vājās vietas infekciju uzkrāšanai bioreaktora trauka iekšpusē. Bioreaktora iekšpusē infekcijas var uzkrāties vietās, kur ir neregulitātes un nelīdzenumi. Šajās vietās var "paslēpties" infekciozie mikroorganismi. Tāpēc reaktora iekšpusē dibenam jābūt noapaļotam, nedrīkst būt asi stūri un virsmām ir jābūt pulētām.
Sterilitāte (3) Nepārdomāta" paraugu noņemšana, metodika un konstrukcija. Noņemot paraugu jāparedz tvaika vai liesmas padeve un citu apstākļu radīšana, lai pēc parauga strūklas izbeigšanās infekcija "nepaspētu" iekļūt fermentācijas šķidrumā. Ienākušā un iznākušā gaisa plūsmu filtrācija. Gaisam ir jāienāk bioreaktorā caur atbilstošas porainības gaisa filtru, lai aizturētu iespējamo infekciju avotu. Ieejošo gaisa plūsmu mēdz arī pirms filtrēšanas laist cauri caurulītēm, kuras tiek karsētas. Tādā veidā mēģina ar termisko iedarbību vismaz daļēji iznīcināt iespējamās infekcijas.
Sterilitāte (3) Virsspiediena uzturēšana. Svarīgi uzturēt virsspiedienu (0.2 -0.5 bar) bioreaktora virstelpā (t.i. starp fermentācijas šķīdumu un bioreaktora vāku), lai radītu pretestību infekcijas iekļūšanai. Infekcijas nokļūšana caur izejošā gaisa līniju tiek aizkavēta ar izejas gaisa filtra izmantošanu. Vienmērīga un efektīva siltumpārnese. Tas ir nepieciešams, lai varētu nodrošināt sterilizācijas temperatūru ar pēc iespējas vienādu enerģijas patēriņu un sasilšana būtu vienmērīga. Ja bioreaktora iekšpusē sasilšana nebūs vienmērīga, tad ir risks, ka būs zonas trauka iekšpusē, kurās ir nepietiekama sterilizācijas temperatūra.
Sterilitāte (4) Vēl bez tam sterilizācijas procesa laikā sensori, ietaises, savienojumi un citi mezgli nedrīkst zaudēt savas īpašības. Tas nozīmē, ka jāizmanto tikai sterilizējamie sensori (t.i. tādi, kuri nemaina īpašības pēc sterilizācijas iedarbības) un blīvējumos jāizmanto gumija vai citi materiāli, kuru darba temperatūra nav mazāka par 150°C.
Samaisīšana/aerācija kā būtisks masapmaiņas faktors (1) Gaisa burbuļu disperģēšana; Masas pārnese no gaisa burbuļiem (t.i., skābekļa piegāde) uz šķidrumu un pēc tam uz šūnām; Barotnes sastāvdaļu pievads šūnām (pareizāk sakot, šūnu aglomeratiem); Sedimentācijas novēršana; Siltumapmaiņas nodrošināšana; Barotnes mazākšķīstošo komponenšu šķīdība.
Samaisīšana/aerācija kā būtisks masapmaiņas faktors (2) Kā jau minēts sadaļā "Laboratorijas bioreaktora uzbūve", visizplatītākā ir standarta Ruštona turbīnas tipa maisītāji. Tie nodrošina, pie konstanta maisītāja rotācijas ātruma, vislielāko ievadīto jaudu. Tas ir praktiski no kultivēšanas režīmu izvēles viedokļa. Tālāk tiks parādīts, ka tomēr ir fermentācijas, kurās standarta turbīna nav vairs labākais risinājums. Protams, ir fermentācija, kur samaisīšanas loma ir samērā triviāla. Bet arī šādos gadījumos ir ieteicams ņemt vērā dažas samaisīšanas/ aerācijas likumsakarības:
Samaisīšana/aerācija kā būtisks masapmaiņas faktors (3) Maisītāja rotācijas minimālā un maksimālā robeža. Neatkarīgi no pO2 rādījuma (vai citiem alternatīviem augšanas vai elpošanas parametriem) nav ieteicams maisītāja rotācijas ātrumu izvēlēties mazāku par empīriski noteiktu kritisko robežu nmin. Šo robežu nmin izvēlas tā, lai neparādītos: Sedimentācija; "Mirušās" zonas. Savukārt, maksimālo maisītāja rotācijas ātruma kritisko robežu nmax izvēli nosaka šādas parādības: Putošana; Šķidruma virsmas fluktuācijas, t.i., "viļņošanās" , un līdz ar to arī šķidruma iztvaicēšanās.
Samaisīšana/aerācija kā būtisks masapmaiņas faktors (4) Samaisīšanas/ aerācijas attiecības. Izvēloties samaisīšanas un aerācijas intensitātes vērtības un to savstarpējās relatīvās attiecības, jāņem vērā sekojošais: Skābekļa un citu komponenšu pārneses intensitātes palielināšanai, vispirms rekomendējam sākt ar maisītāja rotācijas ātruma palielināšanu un tikai tuvojoties n > nmax sākt pakāpeniski palielināt aerācijai nepieciešamo gaisa daudzumu Q. Pirms tam Q izvēlas, lai tiktu nodrošināta stabila aerācija. Parasti, tas ir 1 vvm (vvm - pievadītā gaisa daudzuma attiecība pret bioreaktora darba tilpumu). Tas nozīmē, ja mēs definējam gaisa patēriņu l/min, tad pievadītā gaisa daudzums Q būs tikpat, cik bioreaktora darba tilpums. Pie relatīvi nelieliem maisītāja rotācijas ātrumiem ir jāizvairās palielināt pievadītā gaisa daudzumu tiktāl, ka sākās "flooding" efekts. Kas ir "flooding" efekts un kā notiek pāreja tajā no "loading" stāvokļa vislabāk paskaidros sekojošās ilustrācijas:
Samaisīšana/aerācija kā būtisks masapmaiņas faktors (5) Mehānisku, jūtīgu mikroorganismu kultivēšana (pamatā šeit tiks runāts, par miceliālo mikroorganismu kultivēšanu, jo vēl jūtīgāko šūnu kultūru maisīšanai ir citi aspekti, t.i., nav pieļaujama šo kultūru maisīšana pat minimālā turbulentā režīmā). Maisot ar standarta Ruštona turbīnu miceliālo sēņu mikroorganismus, kultivācija procesā masas apmaiņa palielinās tikai līdz noteiktam maisītāja rotācijas ātrumam, un palielinot tālāk maisītāja rotācijas ātrumu, masas apmaiņas rādītāji sāk pat pasliktināties. Iemesls šādai parādībai ir šūnu neatgriezeniskā mehāniskā sabojāšanās. Šī kritiskā maisītāja rotācija, protams, nav stingri fiksēta, un ir atkarīga no vairākiem faktoriem: Mikroorganismu celma paveida; Barotnes sastāva; Aerācijas režīma; Saaugušās biomasas daudzuma (pie lielākas biomasas šis kritiskais maisītāja rotācijas ātrums parasti kļūst mazāks, jo šādā gadījumā miceliālajiem mikroorganismiem ir "grūtāk aizbēgt" no lokāli intensīvās samaisīšanas zonas); Un citiem faktoriem, kas nosaka vides reoloģiskās īpašības un šūnu stāvokli.
Vispārējas prasības laboratorijas bioreaktoriem(1) • Jebkuras iekārtas procesu kontroles un vadības prasības pamatā nosaka konkrētā pielietojuma specifiskums. Laboratorijas bioreaktora prasības atšķiras no pilota un rūpnieciska bioreaktora pielietošanas nosacījumiem ar to, ka laboratorijas bioreaktorā nav jāparedz stacionārie pieslēgumi sterilizācijas, mazgāšanas un citām apkopēm. Laboratorijas bioreaktora kopējais tilpums ir robežās 2 – 15 litriem. Laboratorijas bioreaktorā tiek kultivēti mikroorganismi, kā rezultātā tā pielietojumam tiek noteiktas sekojošās prasības:
Vispārējas prasības laboratorijas bioreaktoriem (2) • Pirms procesa uzsākšanas bioreaktors un tā pievadi ir jāsterilizē; • Procesa laikā ir jānodrošina sterili nosacījumi, lai kultivējamā vidē neiekļūtu infekcija; • Lai neveidotos infekcijas perēkļi, iekšējām virsmām ir jābūt pulētām ar noteiktu gluduma pakāpi un tajās nedrīkst būt asi stūri un malas vai citāda veida ieslēgumi; • Visiem bioreaktorā ievietotajiem sensoriem ir jābūt sterilizējamiem vai nosacīti sterilizējamiem, tas nozīmē, ka to īpašības, t.sk. arī kalibrācijas iestādījumi nedrīkst mainīties pēc sterilizācijas; • No ārpuses dozējamām vielām (pH titranti, putudzēšanas līdzeklis, piebarošanos barotne) jābūt sterilām un tās jāpievada sterili. Tāpēc šim nolūkam parasti pielieto peristaltiskos sūkņus; • Aerējamās gāzes (gaiss, skābeklis O, slāpeklis N, ogļskābē gāze CO) ir jāievada sterili. To parasti nodrošina ar mikrobioloģisko filtru palīdzību;
Vispārējas prasības laboratorijas bioreaktoriem (3) • Visiem sensoriem, pievadiem, kā arī motoru piedziņai ir jābūt noblīvētiem hermētiski. Savienojumu vietās jānodrošina sterili nosacījumi. Tāpēc, piemēram, maisītājam izvēlas magnētisko piedziņu, jo mehāniskā blīvējuma gadījumā sterilu savienojuma nodrošināšanai ir regulāri jāveic pareiza un rūpīga apkope; • Visiem iekšējiem materiāliem jābūt tādiem, lai neveidotos inhibēšanās. bioreaktora trauka iekšpusē parasti ir akceptējami nerūsējošais tērauds, borsilikāta stikls un teflons. Pie tam parasti tiek akceptēta tikai nerūsējošā tērauda marka 316 L, jo tās piemaisījumi arī metinājuma vietās nodrošina pietiekošu inertumu attiecībā pret kultivējamo vidi. • Bioreaktora ārpusē un ārējos pievados jābūt līdzīgiem materiāliem, lai novērstu kontaktpotenciālu starpības izraisītās sekas. Kaut gan ārpusē šie nosacījumi nav tik strikti. Tā, piemēram, ārpusē var tikt pielietotas nerūsējošā tērauda markas arī ar lielāku piemaisījumu daudzumu. Visizplatītākā marka šai ziņā ir 304.
Laboratorijas bioreaktora sterilizācija Uz bioreaktora vāka daļas pievienot visus nepieciešams sensorus un palīgierīces, ņemot vērā hermētiskuma un aseptikas nosacījumus. Atvienot visus kabeļus no sensoriem. Noņemt elektrodzinēju no vāka. Nostiprināt ar spailēm visus silikona cauruļu brīvos galus (pēc iespējas tuvāk galiem). Novietot bioreaktora trauku autoklavēšanai. Veikt sterilizāciju autoklavējot. Kad sterilizācija pabeigta un bioreaktora trauks ir atdzisis, izņemt to no autoklavēšanas un uzlikt uz darba virsmas. Pievienot kabeļus sensoriem, kabeļus pieslēgt bioprocesu kontrolierim. Barotne ir jāsterilizē atsevišķi un to ievada bioreaktorā ar peristaltiskā sūkņa palīdzību vai pa vāka portu caur liesmu.
Laboratorijas bioreaktora procesu kontroles principi un prasības (1) • Procesu kontrolei bioreaktorā ir jānodrošina apstākļi mikroroorganismu augšanai, ņemot vērā vispārējās prasības laboratorijas bioreaktoram un atbilstošus procesu kontroles principus. • Parasti galvenie kontroles un vadības parametri bioreaktorā ir: • Temperatūra kultivējamā vidē; • 2. Vides skābums – pH; • 3. Izšķīdušā skābekļa parciālais spiediens – pO2 ; • 4. Putu dzēšana; • 5. Maisītāja rotācijas ātrums.
Laboratorijas bioreaktora procesu kontroles principi un prasības (2) Vēl bez iepriekš minētajiem parametriem dažkārt tiek kontrolēti ievadītā gaisa un citu gāzu daudzums, virsspiediens, izšķīdušā oglekļa parciālais spiediens – pCO2, redoksa potenciāls - eH. Tādi svarīgi fermentācijas parametri, piemēram, kā glikozes un biomasas koncentrācija tiek mērīti tikai speciālos gadījumos, jo to realizācija ir specifiska un dārga. Dažkārt tiek mērīta arī skābekļa O2 un ogļskābās gāzes CO2 koncentrācijas izejošā gaisa plūsmā. Citu parametru kontrole un vadība ir atkarīga no konkrēta procesa uzdevumiem. Tā piemēram, fermentācijās, kurās kā produktu iegūst etilspirtu, tiek nepārtraukti mērīta arī etanola koncentrācija.
Laboratorijas bioreaktora procesu kontroles principi un prasības (2) • Procesu kontrolei un vadībai bioreaktorā ir sekojošie speciālie nosacījumi: • Sensoriem un izpildmehānismiem jāatbilst vispārējām prasībām laboratorijas bioreaktoriem (t.i. materiālu izvēles un sterilitātes nosacījumi); • Procesu vadībai jānodrošina augsta stabilitāte un drošums, jo procesa pārtraukšana vai tā nepareiza vadība var nedot iespējas atjaunot procesa norisi, jo kultivējamā mikroorganisma augšana būs neatgriezeniski pārtraukta; • Procesu norise un reakcija uz ārējām iedarbībām ir samērā lēna un bieži arī inerta. Ņemot vērā vēl arī to, ka mikroorganismu kultivācijā nav vēlama vadāmo parametru pārregulācija arī uz īsu brīdi, tad regulācijas parametri jāiestāda rēķinoties ar samērā lēnu iedarbi; • Iekārtas apkalpošanas lietotāja interfeisam jābūt draudzīgam, t.i. relatīvi vienkāršam un lietotājam saprotamam, jo lēmumi par parametru maiņu ir jārealizē samērā operatīvi un nekļūdīgi. Vēl jāatzīmē, ka bioreaktorus bieži apkalpo personāls ar bioloģiska, t.i. netehniska, rakstura izglītību.
Procesu regulācijas likumsakarības bioreaktoros Laboratorijas bioreaktora procesi var tikt kontrolēti ar saksņā ar dažādiem algoritmiem – PID, auto-nokaņošanās, fuzzi loģika, u.c. Galvenais uzdevums ir atrast optimālo kontroles un vadības variantu. Tāpēc arī papildus šiem algoritmiem vadības programmās tiek definēti limitējošie faktori, loģiskie un citi nosacījumi. Visizplatītākā ir PID (t.i. Proporcionāli –Integrāli – Diferenciālais) algoritma pielietošana. To uzskatāmi var aprakstīt ar sekojošo formulu: • m = KC(e + 1/TI ∫ edt + TD de/dt ) • kur: • m – izejas signāla iedarbība uz raksturojošo izpildmehānismu; • e – starpība strap iestādījuma vērtību (t.i. Set point) un reālo vērtību; TI – integrālais laiks; TD – diferenciālais laiks.
Temperatūras kontrole un vadība (1) • Temperatūra tiek mērīta bioreaktora trauka kulturšķīduma vidē. Bioreaktoros tiek izmantoti Pt100 temperatūras sensori, kuru garums un konfigurācija ir piemēroti dotajam bioreaktoram. Temperatūras sensoram jābūt iegremdētam pietiekoši dziļi, jo fermentācijas laikā kultūršķidruma līmenis var būtiski mainīties. • Temperatūras vadība notiek bioreaktora trauka ārpusē. Laboratorijas bioreaktoriem parasti tiek realizēts, cirkulējot caur tā caur tā apvalku termostatējam šķidrumam. • Uzsākot procesu, jābūt iestādītai nepieciešamajai temperatūrai (set point) , regulācijas mirušajai zonai (dead zone), termostata pārkaršanas temperatūrai, temperatūras trauksmes novirzei un PID regulācijas parametriem. • Saskaņā ar PID algoritmu un iestādīto temperatūru tiek ieslēgts/izslēgts termostata sildītājs vai elektromagnētiskais dzesēšanas vārsts. Cirkulācijas sūknis darbojas nepārtraukti. Termostata shēmas variants ir parādīts nākošajā slaidā.
Temperatūras kontrole un vadība (3) • Termostatā notiek regulējošas iedarbības, ja temperatūras vērtība ir ārpus robežām: [TSetPoint – dead zone; TSetPoint + dead zone]. Dead zone izvēlas atkarībā no nepieciešamās temperatūras regulācijas precizitātes. Parasti laboratorijas bioreaktoriem tā ir robežās : 0.2 – 0.50 C. • Termostata pārkaršanas temperatūras kontrole ir nepieciešama, lai nepieļautu termostata pārkaršanu, kas var notikt piemēram, ja kāda iemesla dēļ ir apstājusies cirkulācija termostatā. Termostata pārkaršanas temperatūru rekomendējams mērīt ar neatkarīgu kontrolieri, lai novērstu avārijas situāciju arī gadījumā, ja ir kļūme procesa kontrolierī. Dažos gadījumos pielieto arī bimetāla kontakta slēdzi, kurš atslēdzas, ja tiek pārsniegta šī slēdža pārslēgšanas temperatūra. • Sasniedzot trauksmes temperatūru tiek izdots avārijas signāls. Trauksmes temperatūru iestāda, kā novirzi abos virzienos no nepieciešamās temperatūras. Parasti šo novirzi iestāda robežās : 1 – 20 C. • Uzsākot procesu svarīgi, lai termostats būtu piepildīts ar ūdeni. Šim nolūkam ieslēdzot temperatūras regulēšanas procesu, tiek uz brīdi (apm. Uz 30 sekundēm) ieslēgts dzesēšanas vārsts.
pH definēšanas princips • Pēc būtības pH devējs mēra ūdeņraža jonu H+ aktivitāti. pH vērtība ir definēta kā negatīvais logaritms no ūdeņraža jonu aktivitātes: • Tātad pH ir skaitlis, kas apraksta šķīduma skābuma (H+) vai sārmainuma (OH-) pakāpi. pH izmaiņu mērogu nosaka ūdens molekulu spēja sadalīties jonos: • H 2O→H+ + OH- • Tā, piemēram, pie T = 25 0C, ja pH ir 0, tad α H+=1, bet α OH- =10-14, bet, ja pH =14, tad αH+=10-14, bet α OH- =1. • Savukārt, ja α H+ = α un OH- = 10-7, tad pH =7, kura tiek dēvēta par neitrālu pH vērtību un izopotenciālo punktu.
pH sensora un princips uzbūve(2) • pH mērīšanas princips balstās uz potenciālu starpības mērīšanu starp mēr- un bufera elektrodu, saskaņā ar attālināto shēmu. Buferu elektrods atrodas neitrālā pH vidē. Mūsdienās parasti mēr- un bufera elektrodi tiek ievietoti vienā korpusā, un šādā izpildījumā tas tiek saukts par kombinēto pH elektrodu. Šādā konstrukcijā parasti bufera elektrods sastāv no atskaites elementa Ag/Ag Cl ar sudraba jonu barjeras, kurš tiek iegremdēts sudraba jonus saturošā elektrolīta šķīdumā. • Šim elektrolītam ir jābūt kontaktā ar mērāmo vidi caur šķidruma pāreju. Visizplatītākā ir poraina keramiska pāreja. Mērelektroda būtisks elements pH jūtīga (t.i., H+ un OH- jonu) stikla membrāna. Šīs stikla membrānas izvēle ir atkarīga no pielietojuma. Tā, piemēram, sterilizējamo elektrodu būtība slēpjas atbilstošas stikla membrānas izvēlē
pH atkarība no temperatūras un kalibrācija • Ķīmiskā līdzsvara nosacījumi šķīdumā ir atkarīga no temperatūras. Jo pH vērtība ir tālāk no izopotenciālā punkta, jo atkarība no temperatūras kļūst lielāka. Tā, piemēram, ja pH =4 pie 25 0C, tad pie 350C atšķirība būs 0.18 pH vienības, bet pie 55 0C tā būs 0.55 pH vienības. • Tāpēc pH devēja signāla apstrādes shēmā tiek ņemta vērā temperatūras korekcija. Temperatūras sensors var būt izvietots atsevišķi vai arī iekombinēts pH elektrodā. • pH elektrodu pirms katras fermentācijas ir jākalibrē. To parasti veic ar divu buferšķīdumu palīdzību. Viens buferšķīdums tiek izvēlēts atbilstošs izopotenciālajam punktam (t.i., pH=7), bet otrs tiek izvēlēts atkarībā no tā, kādās robežās un virzienos mainīsies pH procesa laikā.
pH kontrole un vadība bioreaktorā(1) • pH devējs parasti tiek iegremdēts laboratorijas bioreaktorā, un no procesu kontroliera tiek padoti vadības signāli uz skābes vai sārma titranta peristaltiskajiem sūkņiem atbilstošā pH titrējamā šķīduma iedozēšanai. pH kontrolei un vadībai ir jāievēro sekojošais: • Uzsākot procesu, jābūt iestādītai nepieciešamajai pH vērtībai (set point) , regulācijas mirušajai zonai (dead zone), pH trauksmes vērtībai un PID regulācijas parametriem. Procesa laikā vēlams uzskaitīt iedozēto titrantu daudzumu. • Saskaņā ar PID algoritmu un iestādīto pH vērtību tiek ieslēgti/izslēgti attiecīgo pH titrantu (skābes vai sārma) peristaltiskie sūkņi. Parasti pirms procesa tiek ieregulēts sūkņa rotācijas ātrums, kas atkarīgs no vēlamās minimālās un maksimālās dozas lieluma. Dažkārt izmanto sūkņus ar analogo ieeju. Tādā gadījumā var nodrošināt nepārtrauktu pH titranta dozāciju, laikā mainot sūkņa dozācijas ātrumu.
pH kontrole un vadība bioreaktorā (2) • Uz peristaltiskajiem sūkņiem notiek regulējošas iedarbības, ja pH vērtība ir ārpus robežām: [pHSetPoint – dead zone; pHSetPoint + dead zone]. Dead zone izvēlas atkarībā no nepieciešamās pH regulācijas precizitātes. Parasti pH mirušo zonu izvēlās samērā lielu , t.i. apmēram ap 0.5 pH vienībām, jo nav vēlama titrantu pārdozēšana. Bez tam nav tik viegli noteikt ar lielāku precizitāti optimālu procesa pH vērtību. • Sasniedzot trauksmes pH vērtību tiek izdots avārijas signāls. Trauksmes temperatūru iestāda, kā novirzi abos virzienos no nepieciešamās pH vērtības. Parasti šo novirzi iestāda robežās ap 0.5 pH vienības. • Iedozēto titranta daudzumu nosaka, izejot no peristaltiskā sūkņa ieslēgšanās laika noteikšanas. Pirms procesa tiek uzņemta sakarība starp iedozēto daudzumu un dozācijas laika pie fiksētiem sūkņa rotācijas ātrumiem.
Putu kontroles principi Daudzās fermentācijās ir tipiska putu parādīšanās procesa laikā. Putu veidošanās procesam progresējot lielākā daļa no kultūršķīduma var tikt pārvērsta putās, kas praktiski nozīmē fermentācijas norises pārtraukšanu. Putu parādīšanās parasti tiek konstatēta ar putu sensora palīdzību. Tā princips ir elektrovadītspējas mērīšana. Parasti procesa laikā netiek reģistrēta putu vadītspēja, bet pirms procesa vai procesa laikā tiek ieregulēts putu parādīšanās slieksnis. Ir iespējami 3 automātiskie putu dzēšanas varianti: Ķīmiskais; Mehāniskais; Kombinētais.
Ķīmiskās putu dzēšanas kontrole un vadība • Ķīmiskajā putu dzēšanas variantā tikko parādās signāls no putu devēja pārveidotāja,tāsākas putu dzēšana, kontrolierim padodot vadības signālus uz putu dzēsēja peristaltisko sūkni. • Kā putu dzēšanas līdzeklis tiek izmantota piemērota eļļa vai sintētiskais šķīdums. Putu dzēsēja pārdozēšanair nevēlama, jo tādā gadījumā būtiski var samazināties mikroorganismu augšanas ātrums. • Putu regulēšana parasti nenotiek saskaņā ar PID algoritmu, bet ar pastāvīgu putu dzēsēja impulsu padevi izmantojot peristaltisko sūkni. Pirms procesa vai procesa laikā ieregulē impulsa un pauzes garumu. Pauzei jābūt pietiekami lielai (vismaz 30 sekundes), lai putu dzēsēja iedarbība varētu paspēt atstāt iespaidu. • Pirms procesa tiek novērtēts kritiskā putu dzēšanas līdzekļa daudzums. Šai nolūkā, tas procesa laikā tiek uzskaitīts. Rekomendējam izdot trauksmes signālu un apstādināt putu dzēšanu, ja tā daudzums ir pārsniedzis kritisko daudzumu (nosaka kā putu dzēšanas peristaltiskā sūkņa darbības laiku).
Mehāniskās putu dzēšanas kontrole un vadība Dažos fermentatoros ir iebūvēta papildus augšējā piedziņa putu mehāniskajai dzēšanai. Agrāk tādas bija gandrīz katram laboratorijas bioreaktoram. Pilnveidojoties putu ķīmiskās dzēšanas metodēm, putu mehāniskā dzēšana tiek pielietota mazāk. Tikko parādās signāls no putu devēja pārveidotāja, tā sākas putu dzēšana, kontroliera vadības signālam ieslēdzot putu dzēšanas piedziņu. Kad putu devēja signāls liecina, ka vairāk putu nav, tad ar laika aizturi putu dzēšanas dzinējs izslēdzas.
Kombinētās putu dzēšanas kontrole un vadība • Kombinētajā putu dzēšanas variantā papildus putu dzēšanas signālam tiek arī kontrolēts putu strāvas pārsniegšanas releja bloks. Šī releja princips balstās uz to, ka pieaugot putu intensitātei palielinās motora strāva. Ar potenciometra palīdzību tiek ieregulēts slieksnis pie kura parādās signāls bloka izejā, kas liecina par putu intensitātes palielināšanos. • Parādoties putām vispirms notiek mehāniskā putu dzēšana. Nostrādājot putu strāvas relejam tiek papildus uzsākta ķīmiskā putu dzēšana saskaņā ar iepriekš aprakstīto principu. Samazinoties putām, par ko liecina putu dzinēja releja izslēgšanās, tiek pārtraukta putu ķīmiskā dzēšana. Pazūdot putām, par ko liecina putu devēja pārveidotāja signāla pasīvā stāvokļa vērtība, tiek pārtraukta arī putu mehāniskā dzēšana.
pO2 fizikāli ķīmiskais princips Gāzes šķīdības pakāpe šķidrumos var būt atšķirīga. Šī šķīdība saskaņā ar Henrija likumu ir līdzsvarā ar gāzes spiedienu virs šķidruma. Fermentācijas procesos, mikroorganismiem vairojoties, tie patērē skābekli, kas tiek ievadīts ar aerēto gāzi. Šis skābeklis no gaisa burbuļa izšķīst šķidrumā, t.i. barotnes vidē, un tad no barotnes, tas nokļūst pie mikroorganismiem. Barotnē līdz ar to mainās skābekļa koncentrācija, kas atkarīga gan no šķīdības, gan no mikroorganismu augšanas ātruma. Tā rezultātā mainās barotnes vidē izšķīdušā skābekļa parciālais spiediens pO2. Skābekļa šķīdību varam mainīt ar maisītāja rotācijas ātrumu, ievadīto skābekļa daudzumu, cukura avota koncentrāciju.
