In de biofermentatie zijn glazen fermentatietanks altijd de voorkeursapparatuur geweest voor procesoptimalisatie, met name in laboratoria en op kleine schaal. Glazen fermentatietanks zijn transparant en intuïtief, gemakkelijk schoon te maken en relatief betaalbaar, terwijl ze voldoen aan de kweekbehoeften van de meeste micro-organismen. Glazen fermentatietanks van 5 liter zijn bijzonder populair.
I. Tankmateriaal
De keuze voor een geschikte glazen fermentatietank begint met de overweging van het tankmateriaal. Hoog borosilicaatglas wordt momenteel beschouwd als de beste keuze vanwege de combinatie van chemische stabiliteit, thermische eigenschappen en fysieke transparantie. Het fermentatieproces is in essentie de metabolische activiteit van micro-organismen in een kunstmatige omgeving. De fermentatievloeistof heeft een complexe samenstelling, waaronder anorganische zouten, buffersystemen en organische zuren, enzymen en metabolieten die door micro-organismen worden afgescheiden. Hoogborosilicaatglas, door de toevoeging van een grote hoeveelheid boortrioxide tijdens het productieproces, vormt een zeer stabiele silicium-zuurstofnetwerkstructuur, waardoor het extreem bestand is tegen water, zuren, basen en diverse organische oplosmiddelen. Deze inerte tank laat geen extra elementen in de fermentatievloeistof lekken en adsorbeert ook geen werkzame stoffen, waardoor de authenticiteit van de gegevens en de consistentie van de batches gewaarborgd zijn.
Wat betreft de thermische eigenschappen lost hoogborosilicaatglas het meest kritieke betrouwbaarheidsprobleem voor glasmaterialen op. Fermentatietanks ondergaan vrijwel altijd sterilisatie bij hoge temperaturen en de tanks moeten cyclisch wisselen tussen kamertemperatuur, sterilisatietemperatuur en kweektemperatuur. Deze drastische temperatuurschommelingen stellen extreem hoge eisen aan de thermische schokbestendigheid van het materiaal. Hoogborosilicaatglas heeft een thermische uitzettingscoëfficiënt van slechts ongeveer een derde van die van gewoon glas, waardoor het bestand is tegen momentane temperatuurverschillen van honderden graden Celsius zonder beschadiging.
Vanuit het oogpunt van procesobservatie biedt de transparantie van hoogborosilicaatglas een unieke waarde die door geen enkel metaal kan worden vervangen. Operators moeten de toestand van de tank constant in de gaten houden, en hoogborosilicaatglas heeft niet alleen een hoge lichtdoorlatendheid, maar vergeelt ook niet snel bij langdurig gebruik, waardoor een constant goed zichtveld behouden blijft. Door de tankwanden heen kunnen technici direct beoordelen of het roeren gelijkmatig verloopt, of de schuimlaag te hoog is, of de micro-organismen samenklonteren of aan elkaar hechten, en zelfs de metabolische toestand waarnemen aan de hand van kleurveranderingen. Deze intuïtieve visuele informatie is vaak directer dan sensorgegevens.
II. Volume
Het nominale volume van een glazen fermentor van 5 liter verwijst naar het totale tankvolume van 5 liter, maar de daadwerkelijke vulling wordt doorgaans gecontroleerd op ongeveer 70%, wat neerkomt op ongeveer 3,5 liter kweekmedium. Als de tank te vol is, kan er tijdens het roeren schuim ontstaan dat overloopt, waardoor het uitlaatfilter verstopt raakt en zelfs contaminatie kan optreden; als de tank te weinig gevuld is, heeft dit gevolgen voor de economie. De verhouding tussen diameter en hoogte wordt vaak over het hoofd gezien, en het meest gangbare ontwerp is een slanke vorm met een verhouding van ongeveer 1:2,2–1:2,5. Deze verhouding kan de verblijftijd van luchtbellen in de vloeistof verlengen en de zuurstofoverdrachtscoëfficiënt (kLa-waarde) verbeteren, wat met name geschikt is voor de kweek van aerobe micro-organismen met een hoge dichtheid, zoals E. coli, gist of Bacillus subtilis. Als uw experiment gevoelig is voor schuifkrachten (zoals bij bepaalde schimmels of dierlijke cellen), kunt u een iets kortere en bredere verhouding kiezen, maar over het algemeen is 1:2,5 de meest evenwichtige keuze.
III. Sterilisatiemethoden
De sterilisatiemethode is een cruciale factor bij de keuze van glazen laboratoriumpotten. Sterilisatie buiten de locatie is momenteel de meest gangbare keuze voor glazen fermentoren van 5 liter in laboratoria. De procedure omvat eerst het verwijderen van de roestvrijstalen bovenklep van de reactor, het erin gieten van het voorbereide kweekmedium, het afsluiten van de bovenklep en ten slotte het plaatsen van de gehele fermentor (inclusief de tank, elektroden, voedingsflessen, slangen en andere accessoires) in een autoclaaf voor sterilisatie. De voordelen zijn een eenvoudige reactorstructuur en lage productiekosten (30%–100% goedkoper dan sterilisatie ter plaatse); het is geschikt voor de meeste onderwijs-, stamselectie- en routineonderzoeksscenario's. Het nadeel is dat demontage, montage en hantering vóór en na elk experiment nodig zijn, wat tijdrovend is. Hoewel sterilisatie buiten de locatie iets omslachtiger is, biedt het een hoge kosteneffectiviteit; zolang de autoclaaf de 5L-tank en accessoires kan bevatten, is sterilisatie buiten de locatie de optimale oplossing.
Sterilisatie ter plaatse houdt in dat na installatie direct hogetemperatuurstoom in de fermentor en de mantel wordt gebracht via de ingebouwde stoomleidingen, kleppen en het besturingssysteem van de apparatuur. Dit maakt demontage overbodig en is bijzonder geschikt voor processen die frequente batchwisselingen vereisen of processen die extreme steriliteit vereisen voor validatie bij opschaling. Bij glazen fermentoren genereren de snelle opwarming/afkoeling en drukschommelingen tijdens in-situ sterilisatie aanzienlijke thermische spanning, wat gemakkelijk kan leiden tot defecten aan de interfaceafdichting of beschadiging van de elektroden. De apparatuur vereist ook extra stoomgeneratoren, automatische kleppen, druksensoren en een versterkte glasconstructie, wat de kosten aanzienlijk verhoogt. Reparatie in geval van problemen is ook lastiger. Daarom wordt in-situ sterilisatie relatief zelden toegepast in glazen tanks en voornamelijk in roestvrijstalen tanks.
IV. Roersysteem
Het roersysteem bepaalt de uniformiteit van de menging, de zuurstofoverdracht en de regeling van de schuifkracht, en is het "hart" van de fermentor. Voor glazen reactoren van 5 liter die worden gebruikt voor microbiële fermentatie, wordt doorgaans een DC-servomotor van 100-300 W of een AC-frequentiegestuurde motor gebruikt voor het roeren. Deze motoren zijn klein, geluidsarm, onderhoudsvrij en bieden een nauwkeurige traploze snelheidsregeling. Ze ondersteunen ook digitale PID-regeling, waardoor koppeling met de fermentatiecontroller mogelijk is om het opgeloste zuurstofgehalte en de schuifkracht aan te passen. Gewone asynchrone motoren moeten worden vermeden vanwege hun geringe nauwkeurigheid in snelheidsregeling, waardoor ze niet voldoen aan de eisen van fermentatie op het gebied van snelheidsstabiliteit en herhaalbaarheid.
Mechanische afdichtingen zijn een veelgebruikte dynamische afdichtingsmethode in roersystemen van glazen fermentoren, met name in systemen met een boveninlaat. Mechanische afdichtingen kunnen worden onderverdeeld in enkelvoudige en dubbele afdichtingen. De eerste bestaat uit slechts één set roterende ringen (die meedraaien met de as) en een stationaire ring (vastgemaakt aan het deksel van de tank), die afhankelijk zijn van de zelfsmering van het kweekmedium in de tank. Deze afdichting heeft een eenvoudige structuur, lage kosten en een efficiënte koppeloverdracht, waardoor ze geschikt zijn voor glazen laboratoriumreactoren. De tweede afdichting maakt gebruik van twee sets eindafdichtingen die in serie zijn geschakeld en een spoelkamer in het midden vormen, waardoor een speciale afdichtingsvloeistof wordt ingebracht en een dubbele barrière ontstaat. Zelfs bij een klein lek aan de binnenkant kunnen externe verontreinigingen niet binnendringen, wat resulteert in een hogere hygiëne.
Roeren met een magnetische bodemkoppeling is een veelgebruikte aseptische roeroplossing in microbiële fermentatiereactoren van 5 liter. Het meest opvallende visuele verschil is de afwezigheid van een motor op de bovenklep, terwijl de reactor een extra bodem heeft. De motor is aan de onderkant gemonteerd en de buitenste magnetische ring draait mee met de motor, waardoor de binnenste magnetische ring (geïntegreerd met de roeras en waaier) via een sterk magnetisch veld wordt aangedreven. Hierdoor hoeft de roeras geen tankwand of deksel te doorboren, zijn mechanische afdichtingen of pakkingen nodig en wordt volledig contactloos geroerd. De voordelen van magnetisch gekoppeld roeren zijn onder andere extreme steriliteit, het volledig elimineren van dode zones en lekkagerisico's die gepaard gaan met het doorboren van de as, geen slijtage van de afdichtingen, geen noodzaak tot regelmatige vervanging van O-ringen of smering en een lange levensduur. Bovendien genereert het axiale en radiale menging van onder naar boven, wat resulteert in een gelijkmatigere gasverdeling (bij gebruik met een ringvormige jet) en vaak een hogere overdracht van opgeloste zuurstof (kLa), vooral in media met een laag volume of een hoge viscositeit. De schuifkracht is relatief laag, waardoor het geschikter is voor gevoelige stammen (zoals bepaalde draadvormige schimmels). Het nadeel is dat magnetische koppeling het risico van ontkoppeling met zich meebrengt. Als de viscositeit van het kweekmedium te hoog wordt, de rotatiesnelheid te hoog is of de belasting te zwaar is, kunnen de binnenste en buitenste magnetische ringen tijdelijk loskomen, waardoor het roeren stopt. Zorgvuldige selectie van een magnetisch aandrijfsysteem met een hoog koppel is noodzakelijk voor fermentatie met een hoge dichtheid of toepassingen met een hoge viscositeit (bijv. met vaste deeltjes).
Voor de meeste laboratoriumglazen reactoren van 5 liter die worden gebruikt voor microbiële fermentatie, is mechanisch roeren in combinatie met een mechanische afdichting aan één uiteinde de meest kosteneffectieve en praktische keuze. Het is eenvoudig, betrouwbaar en gemakkelijk te onderhouden en is door tal van merken gevalideerd. Het wordt alleen gebruikt wanneer hoge steriliteitseisen gelden, bij risicovolle stammen of voor speciale processen. Overweeg een upgrade naar een roerder met dubbele mechanische afdichting of een roerder met magnetische bodemkoppeling voor extra veiligheid.
V. Roerwerken
Het roerwerk is een belangrijk onderdeel dat de menguniformiteit, de zuurstofoverdrachtscoëfficiënt (kLa), de schuifkracht en het energieverbruik beïnvloedt. Het roerwerk is gemaakt van 316L roestvrij staal met een elektrolytisch gepolijst oppervlak. Het belangrijkste selectieprincipe is het vinden van een balans tussen een hoge zuurstofoverdracht (vereist door aerobe micro-organismen) en een lage schuifkracht (ter bescherming van de cel).
Turbine-roerwerken zijn de meest gangbare keuze voor microbiële fermentatie. Ze genereren voornamelijk radiale stroming, breken bellen af en verhogen de kLa-waarde aanzienlijk. Ze zijn geschikt voor fermentatie met een hoge dichtheid en een hoge zuurstofbehoefte (zoals E. coli en gist). De sterke gasverspreiding en hoge zuurstofoverdrachtsefficiëntie zijn bevestigd door talrijke studies en merken. Een nadeel is dat ze draadvormige schimmels of gevoelige stammen bij hoge snelheden kunnen beschadigen.
De bladen van de schuine propeller staan onder een hoek van ongeveer 45°, waardoor zowel radiale als axiale stroming ontstaat. Dit resulteert in een gelijkmatigere menging, een lagere schuifkracht dan bij een turbinepropeller en een betere zuurstofoverdracht. Deze propeller is geschikt voor kweekmedia met een gemiddelde viscositeit of micro-organismen die enigszins gevoelig zijn voor schuifkrachten. In combinatie met een turbinepropeller kan de algehele circulatie verbeterd worden en dode zones verminderd worden. Een nadeel is dat de gasverspreiding iets minder sterk is dan bij een turbinepropeller.
De axiale propeller genereert voornamelijk axiale stroming, heeft de laagste schuifkracht en is geschikt voor media met een lage viscositeit. Voor kweek met lage schuifkrachtvereisten bieden axiale propellers een lager energieverbruik en een hogere energie-efficiëntie, waardoor ze geschikt zijn voor draadvormige schimmels of stammen die zeer gevoelig zijn voor schuifkrachten. Het roerproces is relatief zacht, met minder schuimvorming en een lager energieverbruik. De nadelen zijn de relatief lage gasverspreiding en kLa-waarden, waardoor ze ongeschikt zijn voor fermentatie met snelle groei en een extreem hoge zuurstofbehoefte.
De meest gangbare en aanbevolen configuratie voor een glazen fermentatievat van 5 liter is een combinatie van twee of drie roerwerken: het onderste turbineroerwerk zorgt voor de gasverspreiding door het binnenkomende gas in microbellen te splitsen; het bovenste roerwerk met schuine bladen zorgt voor axiale circulatie, waardoor celbezinking wordt voorkomen en de verspreide bellen vanuit de onderste laag gelijkmatig door het vat worden verdeeld; een extra mechanisch ontluchtingsroerwerk kan worden toegevoegd.