طراحي و ساخت راكتور زيستي لرزشي يك بار مصرف در مقياس نيمه صنعتي

Design and Manufacture of a Disposable Shaken Bioreactor in Pilot Scale

در این مقاله طراحی و ساخت راكتور زیستی لرزشی یك ­بار مصرف در مقیاس نیمه صنعتی مورد مطالعه قرار گرفت. تركیب فناوری ساده و پر استفاده ­ی راكتور­های زیستی لرزشی با راكتورهای یك­ بار مصرف استوانه­ ای یك گزینه­ ی ایده ­آل برای كشت سلول­ های گیاهی و جانوری به منظور تولید در مقیاس نیمه صنعتی ایجاد كرد.در این مطالعه، راكتور زیستی یك­ بارمصرف تا حجم  50 لیتر در مقیاس نیمه صنعتی طراحی و ساخته شد و به كمك سامانه اكسایش سولفیت از نظر پارامتر­های مهم مهندسی افزایش مقیاس مانند اختلاط، توان مصرفی و سرعت انتقال اكسیژن با  میلی­ راكتورهای زیستی مدل در مقیاس آزمایشگاهی دارای حجم 500 میلی ­لیتر مقایسه شد. بهترین بازده ی در سرعت گردش rpm250 و حجم عملیاتی %20 به دست آمد. با افزایش دور لرزاننده از 200 به rpm250 و در نتیجه كاهش زمان اختلاط به اندازه ­ی % 13،  توان مصرفی %50 افزایش یافت كه این مسئله انتخاب شرایط مناسب برای تولید اقتصادی فراورده را ضروری می ­كند. به منظور تأیید نهایی عملكرد راكتورهای زیستی، بیشینه و كمینه­ی OTRmax در راكتورهای زیستی محاسبه شد. این مقدارها به ترتیب mol/L/h 028/0 و 008/0 (در rpm 250 و 100)بود. كمینه­ی OTRmax  به دست آمده، دو برابر بیشینه­ ی مورد نیاز گزارش شده در منابع برای رشد انواع سلول­ های گیاهی و جانوری بوده و در نتیجه قابلیت كشت این سلول­ها را در راكتوهای زیستی جدید با عملكرد میانه ­ی آن به خوبی تأیید می­ كند

In this paper, design and manufacturing of a pilot scale shaken disposable bioreactor was studied. The very simple, versatile and widely used shaken technology was combined with the cylindrical disposable reactors to make it an ideal choice for cultivation of plant, animal and insect cell cultures for pilot-scale production. To study scale up parameters, cylindrical millibioreactors of 500 mL volume as lab-scale models and disposable bioreactors up to 50 L volume as the main bioreactors were thoroughly characterized in terms of important engineering parameters such as mixing, power consumption, and oxygen transfer rate. To evaluate these bioreactors, some case studies were conducted. Tests were done using the Sulfite System which is a promising method based on oxidation of SO3 ­to SO4­. Effect of RPM, filling volume, aeration and power consumption were studied on bioreactor operation and scale up parameters discussed based on the presented results. The best performance obtained at 250 RPM with 20% filling volume. Power consumption was highly dependent on mixing and increasing the RPM from 200 to 250 and subsequent 13% reduction in mixing time led to 50% increase in power consumption. Hence,the choice of optimum economic condition will be project dependent. As the final verification, OTRmax values were calculated. The maximum and minimum values were 0.028 and 0.008 mol/L/hr (at 250 and 100 RPM) respectively. The minimum OTRmax obtained in this large shaking bioreactor is twice as the maximum oxygen demand of plant, animal and insect cells reported in references and hence these cells can be easily cultivated at relatively “mild” operating conditions.