การออกแบบปฏิกรณ์ชีวภาพ

ปฏิกรณ์ชีวภาพ (bioreactor) หรือถังหมัก (fermenter) ที่ใช้ในอุตสาหกรรม มี 3 รูปแบบ

  1. Non-stirred, non-aerated ไม่มีการกวน ไม่ให้อากาศ (76 %)
  2. Non-stirred, aerated ไม่มีการกวน ให้อากาศ (11 %)
  3. Stirred, aerated (13 %)

ชนิดของปฏิกรณ์สำหรับการหมักแบบใช้อากาศ

  • Stirred-tank reactor
  • Air-lift reactor
  • Loop reactor
  • Immobilized system

คุณสมบัติของถังหมัก

  1. สามารถใช้งานต่อเนื่องได้เป็นเวลานาน โดยรักษาสภาพปลอดเชื้อ (sterile condition)
  2. ให้การกวนและอากาศ (aeration and agitation) อย่างเพียงพอ แต่ไม่ทำลายเซลล์
  3. ไม่สิ้นเปลืองพลังงานและแรงงาน
  4. มีการควบคุมต่างๆ เช่น อุณหภูมิ pH ออกซิเจนและเก็บตัวอย่างได้
  5. ก่อสร้างด้วยวัสดุราคาถูก ไม่มีรอยต่อ ผิวภายในเรียบ
  6. ป้องกันการระเหยของน้ำมากเกินไป

ในการออกแบบถังหมัก จะมีสิ่งสำคัญ 3 ส่วนในการพิจารณาได้แก่

1. การออกแบบให้ปลอดเชื้อ (Sterile Design)

  • ไม่มีการสัมผัสระหว่างส่วนที่ sterlie กับส่วนที่ไม่ sterlie
  • งดการใช้ข้อต่อ ใช้การเชื่อมเรียบแทน
  • โครงสร้างถังต้องทนต่อความดัน
  • แต่ละส่วนต้องสามารถผ่านการฆ่าเชื้อได้
  • วาล์วต้องทำความสะอาดง่าย
  • ทุกช่องเปิดต้อง steam-sealed

2. การให้อากาศและการกวน (Aeration & Agitation)

  • ให้ออกซิเจนเพียงพอต่อความต้องการของเซลล์
  • ให้การผสมเพื่อกระจายเซลล์ให้สม่ำเสมอ

อุปกรณ์ในการให้อากาศและกวนผสม

  • ใบพัด (impeller, agitator)
  • แผงต้าน (baffles)
  • หัวพ่นอากาศ (sparger)

ใบพัด

ใบพัดกวนผสม (agitator) สามารถแบ่งเป็นแบบที่ทำให้เกิดการไหลในทิศทางตามรัศมี (radial flow) และแบบไหลตามแนวแกนตั้ง (axial flow)

การผสมแบบ radial flow ของเหลวจะถูกใบพัดทำให้ไหลไปทางผนังของถัง ส่วนการผสมแบบ axial flow ของเหลวจะไหลไปยังก้นถัง

การผสมแบบ radial flow จะใช้กับการผสมก๊าซกับของเหลวเช่นในถังหมักที่มีการพ่นอากาศ หรือในการผสมของเหลว

ใบกวนแบบผสมแนวตั้ง (axial flow) ทำให้เกิดการผสมอย่างมีประสิทธิภาพแต่นุ่มนวล เหมาะสำหรับการหมักที่ใช้เซลล์ที่ไม่ทนแรงเฉือน

ใบกวนแบบ Radial flow

ใบกวนแบบ radial flow ประกอบด้วยใบพัด (turbine) ตั้งแต่ 2 ใบขึ้นไป ของเหลวจะถูกพัดไปยังผนังของถัง ตามแนวรัศมี การผสมในแนวตั้ง (axial mixing) จะเกิดขึ้นได้โดยการใช้แผงต้าน (baffle)

การผสมในแนวรัศมีจะต้องใช้พลังงานมากกว่าการผสมในแนวตั้ง แต่ใบพัดสำหรับการผสมแนวรัศมี จะทำให้เกิดแรงเฉือนเมื่อใบพัดหมุนผ่านของเหลว แรงเฉือนนี้ช่วยในการตีให้ฟองอากาศแตกออกเป็นฟองขนาดเล็ก ดังนั้นการผสมแบบรัศมีนี้จึงใช้ในการเพาะเลี้ยงแบคทีเรียที่ต้องการอากาศ

ใบกวนแบบ axial flow

มักเป็นแบบใบพัดเรือ (propeller) จะพ่นของเหลวลงสู่ก้นถัง แล้วของเหลวจะไหลเวียนขึ้นสู่ด้านบนทำให้เกิดการผสม และเนื่องจากการผสมแบบแนวตั้ง ทำให้เกิดแรงเฉือนน้อย จึงเหมาะในการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์เส้นใย หรือการผลิตผลิตภัณฑ์ที่เป็นผลึกที่ไม่ต้องการให้ถูกแรงเฉือนทำลาย

การใช้แผงต้าน

การผสมด้วยใบพัดที่ติดอยู่ตรงกลางถัง อาจไม่ทำให้เกิดการผสมได้อย่างทั่วถึง แผนต้าน (baffle) ช่วยให้เกิดการผสมได้รวดเร็วขึ้น แต่ข้อเสียของแผงต้านคือทำให้ต้องใช้พลังงานสูงขึ้นในการหมุนใบพัด แผงต้านช่วยถ่ายเทพลังงานจากใบพัดสู่ของเหลวทำให้เกิดการผสม โดยป้องกันของเหลวไม่ให้หมุนวน

3. การควบคุม

ในระบบควบคุม ประกอบด้วย ตัววัด (sensor) หน่วยประมวลผล (controller) ที่จะเทียบค่าที่วัดได้กับค่าที่ต้องการ แล้วส่งคำสั่งไปยังตัวควบคุม เช่น วาล์วต่างๆ

  • อุณหภูมิ
  • pH
  • ฟอง (Foam)
  • ออกซิเจนที่ละลาย (dissolved oxygen)
  • อัตราการไหล (flow rate)

การประยุกต์หลักการทั้งสามด้านในถังหมักแต่ละขนาด

ขนาดห้องปฏิบัติการ (lab scale)

ใช้ขวดรูปชมพู่ shake flask บรรจุของเหลวไม่เต็มขวด สภาวะปลอดเชื้อทำได้โดยใช้หม้อนึ่งความดันฆ่าเชื้อทั้งขวดและอาหารเลี้ยงเชื้อ ปิดจุกสำลีเป็นตัวกรองจุลินทรีย์กันการปนเปื้อนแต่ให้อากาศผ่านเข้าได้ การกวนใช้เครื่องเขย่าหมุนขวดให้ผสมกัน ออกซิเจนถ่ายเทเข้าอาหารเลี้ยงเชื้อผ่านชั้นบางๆ ของอาหารที่แกว่งหมุนอยู่บนผนังของขวด

ให้ OTR = oxygen transfer rate, อัตราการถ่ายเทออกซิเจน

OTR ∝ rpm

OTR ∝ vol flask/vol medium

ดังนั้นปริมาตรของของเหลวที่เหมาะสมจึงขึ้นอยู่กับขนาดของขวด เช่นขวดรูปชมพู่ขนาด 250 ml ควรใช้ของเหลวไม่เกิน 70 ml ส่วนขวดขนาด 1 ลิตร ควรมีของเหลวไม่เกิน 200 ml

การควบคุมปัจจัยต่างๆ ค่อนข้างจำกัด เช่น ควบคุมอุณหภูมิโดยการตั้งไว้ในที่มีอุณหภูมิคงที่ pH ควบคุมโดยความสามารถของ buffer ของอาหารเลี้ยงเชื้อ หรือเติมกรด/ด่าง อย่างสม่ำเสมอ แต่หากต้องการเติมอาหารลงไปเพิ่ม ทำได้ยาก ต้องหยุดเครื่องแกว่ง แล้วเปิดจุกสำลีเติมอาหารลงไปในตู้ laminar flow

ขนาดต้นแบบและขนาดผลิต (Pilot/Production scale)

สำหรับเชื้อที่ต้องการอากาศ (aerobic) ใช้ฟองอากาศและการกวนในการให้อากาศกับเชื้อ ถังปฏิกรณ์ชีวภาพมีความแตกต่างจากถังปฏิกิริยาเคมี เพราะต้องมีอุปกรณ์ช่วยให้มีสภาพปลอดเชื้อ

ขนาดที่ใหญ่ขึ้นจากขนาดห้องปฏิบัติการทำให้มีการควบคุมที่ซับซ้อนขึ้น แบ่งเป็น 2 ประเภท สำหรับที่ใช้อากาศ

  1. ใช้ก๊าซเป็นตัวช่วยให้เกิดการผสม เช่น air-lift fermenter ใช้ในการผลิต baker’s yeast, single cell protein หรือ activated sludge
  2. ใช้การกวนและก๊าซเป็นตัวช่วยผสม (stirred-tank fermenter) เช่นในการผลิต antibiotic, amino acids, enzymes เป็นต้น

การตรึงเซลล์

เป็นการทำให้เซลล์จุลินทรีย์เกาะอยู่กับตัวกลาง แต่ยังสามารถแลกเปลี่ยนสารอาหาร ออกซิเจน และผลิตภัณฑ์ระหว่างเซลล์กับของเหลวในถังหมักได้ แต่เซลล์จะอยู่ในสภาวะสภาพแวดล้อมที่ต่างจากในของเหลวส่วนรวม เช่นไม่พบกับแรงเฉือนของใบพัด นอกจากนั้นเซลล์จะไม่ไหลออกจากถังหมักในระบบต่อเนื่อง ดังนั้นจึงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการหมักได้ เนื่องจากสามารถใช้ dilution rate ได้สูงกว่าอัตราการเจริญสูงสุด

D > um

นอกจากนั้นจุลินทรีย์ยังทำให้ได้ความเข้มข้นของเซลล์สูง และเซลล์อาจมีการผลิตสารต่างๆ ที่แตกต่างจากสภาพอิสระ และยังช่วยลดค่าใช้จ่ายในการแยกผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการหมัก โดยไม่ต้องกรองเอาเซลล์ออกจากน้ำหมัก

แต่การตรึงเซลล์ต้องคำนึงถึงข้อจำกัดด้านการถ่ายเทมวลสาร ที่จะต้องส่งสารอาหาร ออกซิเจน และผลิตภัณฑ์ให้ถ่ายเทเข้าออกสู่อาหารเลี้ยงเชื้อได้

วิธีการตรึงเซลล์

ไม่ต้องมีตัวกลาง

  • การรวมกลุ่มของเซลล์ Floculation
  • Cross-linking ด้วย glutaraldehyde, toluenediisocyanate

มีตัวกลาง

  • Co-valent binding เช่น silica beads ที่ cross-link ด้วยสารเคมี
  • Adsorption to ion-exchange resin
  • Biofilm formation

การกักกัน (Entrapment)

  • Organic polymer
  • Inorganic polymer
  • Semi-permeable membrane

ตัวอย่างของ polymer เช่น calcium alginate, polyacrylamide, k-carrageenan, agar

ภาพประกอบ

About these ads

ไม่ให้ใส่ความเห็น

Filed under Biotech

ความเห็นถูกปิด