Farmacia_Lezione bioreattori II prima parte - Farmaciaunina2.it
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BIOREATTORI E<br />
STRUMENTAZIONE<br />
Biostat Q V=1L<br />
Corso di Biochimica <strong>II</strong> Prof. C. Schiraldi 1<br />
Biostat CT V=2L
Biostat C V=15L<br />
Biostat D V=100L<br />
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Definizione<br />
• Un bioreattore è un recipiente dove avvengono<br />
reazioni biochimiche<br />
• Un bioreattore utilizzato nei processi di<br />
fermentazione viene chiamato FERMENTATORE<br />
• Il vessel (recipiente, contenitore) è solo una<br />
delle apparecchiature utilizzate nei cicli produttivi<br />
tipici dei processi biotecnologici<br />
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Funzioni del fermentatore<br />
• Mantenere la sterilità<br />
• Mantenere l’omogeneità del brodo di<br />
fermentazione<br />
• Trasferire ossigeno nel brodo di fermentazione<br />
• Mantenere la temperatura corretta<br />
• Controllare il processo<br />
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Funzioni del fermentatore: Sterilità<br />
• Qualunque tipo di contaminazione impone<br />
l’interruzione del processo<br />
• Per sterilità si intende la totale assenza di<br />
microrganismi viventi in un determinato<br />
ambiente. In pratica esso viene inteso come<br />
riduzione del numero di microrganismi ad un<br />
valore di sicurezza<br />
• Spesso bioreattore e terreno si sterilizzano<br />
insieme a meno di una labilità dei componenti<br />
del brodo alla temperatura. La sterilizzazione<br />
viene effettuata ad una temperatura di 121°C<br />
per 20 min<br />
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Fonti di contaminazione<br />
• Materiali di costruzione: le strutture devono<br />
essere in acciaio elettrolucidato (316L) con<br />
superfici lisce senza zone morte<br />
• Valvole e bocche: devono essere a tenuta.<br />
La valvola più indicata è quella a membrana<br />
che è sigillata e separa perfettamente l’interno<br />
dall’esterno<br />
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Fonti di contaminazione<br />
• Aria in ingresso: i microbi che possono essere<br />
presenti nell’aria che deve essere addizionata al<br />
terreno sono allontanati tramite filtri a cartuccia,<br />
filtri a porosità nota di 0.2 µm<br />
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Ciclo di produzione in sterilità: sterilit :<br />
accorgimenti progettuali<br />
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Funzioni del fermentatore:<br />
Omogeneità<br />
• Consentire una perfetta miscelazione del<br />
terreno in modo che la concentrazione dei<br />
componenti solubili e gassosi sia omogenea<br />
per tutto l’ambiente di reazione ( bioreattore<br />
ideale)<br />
• Agitatore, frangiflutti e sparger di gas (in<br />
processi aerobi) sono necessari per ottenere<br />
una buona miscelazione e per garantire un<br />
sufficiente apporto di ossigeno alle cellule<br />
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Funzioni del fermentatore:<br />
Trasferimento di O 2<br />
• Il trasferimento di ossigeno nel brodo di<br />
fermentazione è indispensabile per<br />
microrganismi aerobi.<br />
• Un’esposizione prolungata a basse<br />
concentrazioni di ossigeno provoca un aumento<br />
della cinetica di morte a causa dell’accumulo di<br />
prodotti tossici.<br />
• Agitatore, frangiflutti e sparger sono necessari<br />
per garantire un sufficiente apporto di ossigeno<br />
alle cellule<br />
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AGITATORI<br />
• Classificati come turbine (impellers) o eliche<br />
(propellers) danno una differente distribuzione<br />
del flusso<br />
• Le eliche pompano il liquido assialmente e<br />
danno un contributo limitato alla turbolenza<br />
• Le turbine impartiscono un flusso dall’asse<br />
verso la periferia dando una miscelazione<br />
inferiore ma una turbolenza maggiore con<br />
conseguente migliore trasporto gas-liquido.<br />
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Turbina Rushton<br />
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Agitatore ad elica
AGITATORI<br />
• Il numero di pale varia da 2 a 8<br />
• La dimensione delle turbine è in genere 0.3-0.5<br />
volte il D<br />
• Se si usano più turbine queste si trovano ad una<br />
distanza di 1-1.5 volte il loro diametro (d)<br />
• Una turbina aperta con 6 pale perpendicolari<br />
viene chiamata turbina rushton.<br />
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Pitch blade<br />
Rushton<br />
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FRANGIFLUTTI<br />
• In genere sono rettangolari, disposti verticalmente<br />
alla periferia sulle pareti del vessel e proiettati<br />
verso il centro del bioreattore<br />
• Il loro compito è quello di impedire il flusso<br />
laminare e l’esistenza di un volume morto non<br />
completamente omogeneo con il resto della<br />
sospensione cellulare<br />
• L’alta turbolenza che creano aumenta di molto il<br />
trasporto gas-liquido<br />
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Il bilancio di materia applicato all’ossigeno ed<br />
esteso all’unità di volume di reattore risulta:<br />
OTR (oxygen transfer rate) = K L a (C*-C)<br />
dove:<br />
K L = D/δ a = ∑A/V<br />
dove D è la diffusività dell’ossigeno nel film<br />
liquido che circonda le bolle di gas, δ lo<br />
spessore del film liquido, A area totale delle<br />
bolle di gas, V il volume del reattore, C* è la<br />
concentrazione di O 2 in fase liquida in equilibrio<br />
con la fase gas, C la concentrazione di O 2 nel<br />
liquido<br />
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SPARGER<br />
• È un dispositivo ottimizzato per permettere la<br />
migliore distribuzione possibile del gas in<br />
ingresso<br />
• Può essere un singolo orifizio o un semicerchio<br />
con dei fori del diametro a 0.5 mm<br />
• Le velocità di aerazione utilizzate sono<br />
generalmente tra 1 e 2 VVM (volume di aria<br />
per volume di coltura per minuto), es. V=1.5L<br />
Air flow=1.5L/min VVM= 1<br />
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Funzioni del fermentatore<br />
• Mantenere la temperatura corretta: differenze<br />
di temperatura possono provocare una grave<br />
alterazione del metabolismo<br />
• La termostatazione avviene attraverso la<br />
circolazione di acqua calda o fredda,<br />
all’interno di un’intercapedine che circonda il<br />
bioreattore<br />
• Durante la sterilizzazione, il riscaldamento fino<br />
alla temperatura opportuna è realizzato<br />
mediante vapore sottopressione<br />
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Funzioni del fermentatore: Controllo<br />
del processo<br />
• Il fermentatore è connesso ad un’unità di<br />
controllo DCU (Digital Control Unit) capace di<br />
controllare i differenti parametri come pH,<br />
pO2, velocità di agitazione (rpm), aerazione<br />
(L×min-1) e temperatura (°C)<br />
• Inoltre il fermentatore è connesso ad un<br />
computer controllato a distanza da software<br />
(es. MFCS win) da cui è possibile monitorare<br />
le variabili di processo e controllare le stesse,<br />
analizzare i parametri e se necessario<br />
modificare i valori di set point<br />
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STRUMENTAZIONE<br />
• Misura di parametri fisici<br />
• T, pH, pO2, % di CO 2 e O 2 nei gas in uscita<br />
• Tutti i sensori devono essere sterilizzabili<br />
• Antischiuma, allarme di livello alto<br />
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