کوتاه پژوهشي

طراحي و ساخت راکتور زيستي لرزشي يکبار مصرف
در مقياس نيمه صنعتي

هوتن گلدوست، قاسم عموعابديني*+، حميد راشدي تهران، دانشگاه تهران، پرديس دانشکدههاي فني، دانشکده مهندسي شيمي

ابراهيم عموعابديني، عماد ايمنيپور، مهدي پسران حاجي عباس
تهران، دانشگاه تهران، مرکز پژوهشي فناوريهاي نوين در مهندسي علوم زيستي، گروه بيوراکتورهاي مينياتوري و مهندسي غربالگري

چكيده:در اين مقاله طراحي و ساخت راکتور زيستي لرزشي يکبار مصرف در مقياس نيمه صنعتي مورد مطالعه قرار گرفت. ترکيب فناوري ساده و پر استفادهي راکتورهاي زيستي لرزشي با راکتورهاي يکبار مصرف استوانهاي يک گزينهي ايدهآل براي کشت سلول هاي گياهي و جانوري به منظور توليد در مقياس نيمه صنعتي ايجاد کرد .
در اين مطالعه، راکتور زيستي يکبارمصرف تا حجم 05 ليتر در مقياس نيمه صنعتي طراحي و ساخته شد و به کمک سامانه اکسايش سولفيت از نظر پارامترهاي مهم مهندسي افزايش مقياس مانند اختلاط، توان مصرفي و سرعت انتقال اکسيژن با ميليراکتورهاي زيستي مدل در مقياس آزمايشگاهي داراي حجم055 ميليليتر مقايسه شد. بهترين بازدهي در سرعت گردش rpm005 و حجم عملياتي %05 به دست آمد. با افزايش دور لرزاننده از 055 به rpm005 و در نتيجه کاهش زمان اختلاط به اندازهي % 31، توان مصرفي %05 افزايش يافت که اين مسئله انتخاب شرايط مناسب براي توليد اقتصادي فراورده را ضروري ميکند. به منظور تأييد نهايي عملکرد راکتورهاي زيستي، بيشينه و کمينهي OTRmax در راکتورهاي زيستي محاسبه شد. اين مقدارها به ترتيب mol/L/h 500/5 و 550/5 )در rpm 005 و 355( بود.
کمينهي OTRmax به دست آمده، دو برابر بيشينهي مورد نياز گزارش شده در منابع براي رشد انواع سلولهاي گياهي و جانوري بوده و در نتيجه قابليت کشت اين سلولها را در راکتوهاي زيستي جديد با عملکرد ميانهي آن به خوبي تأييد ميکند.

واژههاي كليدي: راکتورهاي زيستي يکبارمصرف، ميليراکتور زيستي، فناوري لرزشي، سامانه سولفيت.

KEY WORDS: Disposable Bioreactor, Millibioreactor, Shaken Technology, Sulfite System.

مقدمه
قابليت استفاده از راکتورهاي زيستی يکبار مصرف براي اولينبار توليد پروتئين از مرحلهي پژوهشی تا مرحلهي توليد فراورده در مقالهاي توسط Falch و Heden بيان شد که در آن از کيسههاي مورد استفاده قرار گرفته است] 0،3[. استفاده از سامانههاي تتراهدرونی به حجم 033 ميلیليتر براي کشت سلولهاي يکبار مصرف، برتريهاي زيادي از جمله صرفه جويی در زمان و ميکروبی بهره جسته بودند] 1[. در سالهاي اخير راکتورهاي زيستی هزينهي سرمايهگذاري را به همراه دارد؛ زيرا نيازي به تميز کردن و يکبارمصرف پلاستيکی با موفقيت براي کشت سلولها به منظور معتبر سازي در آنها نمیباشد. اثبات شده است که با استفاده از

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
101
سامانههاي يکبارمصرف میتوان هزينهي سرمايهگذاري اوليه را تاL/min 433 وجود دارد. شکل 1 شمايی از راکتور زيستی لرزشی تا% 03 نسبت به فرمانتورهاي استاندارد از جنس استيل ضد زنگ يکبار مصرف ساخته شده را نشان میدهد.
کاهش داد] 4[. افزون بر آن، هزينههاي تميزکاري و استريل به منظور بررسی پارامترهاي افزايش مقياس و مقايسهي
در محل تا% 00 کاهش میيابد]0،6[. عملکرد راکتور زيستی نيمهصنعتی با مقياس آزمايشگاهی، اختلاط لرزشی به طور گستردهاي در مقياس کوچک در ميلیراکتور زيستی پيوستهي ساخته شده توسط عموعابدينی و آزمايشگاههاي زيستفناوري و صنعت مورد استفاده قرار گرفته است همکاران، مطابق شرايط مورد نياز اصلاح و بازسازي شده ]2،7،3[. عملکرد آسان، حمل آسان و هزينهي کم برخی از و به عنوان مدل در مقياس آزمايشگاهی مورد استفاده قرار گرفت .
يا جانوري بسيار مناسبتر هستند. اين موضوع توسط Liu و همکاران با حضور کاتاليست کبالت بهره جسته شد. در اين روش مخزن که انواع سلولهاي گياهی و جانوري را در راکتورهاي زيستی لرزشی مورد آزمايش با حجم مشخصی از محلول استاندارد 6/3 مولار
برتريهاي اصلی اين سامانهها میباشد .Buechs و همکاران مطالعههاي بسياري در مورد مخزنهاي لرزشی مخروطی )مخزنهاي ارلن ماير( تا اندازه 6 ليتر انجام دادهاند ]11-9[. آنها نشان دادند که انرژي ورودي و توان مصرفی در اختلاط لرزشی به طور يکنواخت تري نسبت به اختلاط با همزن توزيع میشود ]13[. در نتيجه کنش هيدرومکانيکی در اختلاط لرزشی نسبت به اختلاط با همزن کمتر میباشد. بنابراين راکتورهاي زيستی لرزشی بهطور عموم براي کشت سلولهاي حساس به تنش هيدرومکانيکی مانند سلولهاي گياهی تفاوت نمونهي آزمايشگاهی با دستگاه نيمه صنعتی، قابليت انجام چهار آزمايش به صورت همزمان در مقياس آزمايشگاهی بود .
به منظور يکسان سازي شرايط براي تحليل پارامترهاي افزايش مقياس، راکتورهاي زيستی ساخته شده در مقياس آزمايشگاهی، همانند راکتورهاي زيستی در نظر گرفته شده در مقياس نيمه صنعتی، نسبت طول به قطر همانند، برابر با 6/1 داشتند.
به منظور ارزيابی عملکرد دستگاه و تعيين سرعت انتقال اکسيژن
(OTR) در مخازن کشت زيستی، از روش اکسايش سولفيت
استوانهاي در مقياس نيمه صنعتی کشت دادهاند، تأييد شده است]3[.
در اين مقاله نوع ويژهاي از راکتورها زيستی لرزشی استوانهاي در مقياس نيمه صنعتی بر پايهي سامانه يکبار مصرف طراحی و ساخته شد. سپس عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفته و تأييد شد .

بخش تجربي
ظرفهاي استوانهاي مورد استفاده از جنس پلیاتيلن انتخاب شده و از شرکت نکا پلاستيک خريداري شد. اين ظرفها به صورت مخزنهاي پيش ساخته در حجمهاي گوناگون موجود بوده و
افزون بر قيمت کم، در صورت نياز قابليت استريل کردن را نيز دارند.
قطر و ارتفاع مخزن 63 ليتري مورد استفاده به ترتيب cm 00 در cm 66
میباشد. به دليل حجم زياد مخزنهاي مورد استفاده ، به يک لرزاننده اتاقکدار نيمه صنعتی نياز بود. به دليل قيمت بسيار بالاي لرزاننده هاي نيمه صنعتی موجود در بازارهاي جهانی و همچنين تحريمهاي موجود عليه ايران، با توجه به نياز عملياتی، لرزاننده اتاقکدار نيمه صنعتی در داخل کشور و در شرکت فرايند پرديس سينا طراحی و ساخته شد. لرزاننده اتاقکدار نيمه صنعتی ساخته شده توانايی لرزش163 کيلوگرم بار ازrpm 03 تاrpm 333 با دامنهي نوسان 0 يا 6 سانتیمتر را دارد. کمپرسور هوا از شرکت
Hailea خريداري شد. توسط اين کمپرسور امکان هوادهی
101
سديم سولفيت )سديم سولفيت )0Na3SO( 6/3 مولار ،کبالت سولفيت )4CoSO( 7-13 مولار، بروموتيمولبلو x13-6 (BTB)4/3 مولار ،
بافر فسفات )2 Na3HPO4/NaH3PO4 ،pH =( 313/3 مولار ،سولفوريک اسيد به ميزانی که pH نهايی 2 بشود( پر شد]13[.
مواد مورد نياز براي آزمايش از آزمايشگاه زيست فناوري و صنايع غذايی دانشکده مهندسی شيمی دانشگاه تهران تهيه شد. در اين روش سولفيت در حضور اکسيژن به سولفات که اسيديتر است ،اکسيده میشود که باعث کاهش pH در پايان اکسايش میشود.
کاهش pH با تغيير رنگ بروموتيمولبلو به عنوان نشانگر pH مشخص میشود. مدت زمان تغيير رنگ که وابسته به پارامترهاي بسياري از جمله ميزان هوادهی، دامنهي نوسان، دور گردش لرزاننده و حجم محلول دارد نشان دهندهي توانايی راکتور زيستی در پيشبري واکنش میباشد. اکسيژن وارد شده به محلول بیدرنگ در واکنش اکسيداسيون سولفيت مصرف میشود ،از اين رو سرعت اکسيداسيون سولفيت برابر خواهد بود با سرعت انتقال اکسيژن) OTRmax( و به عبارت ديگر زمان انجام واکنش براي تبديل تمام سولفيت به سولفات که میتوان آن را با استفاده از معادلهي 1 حساب کرد]13[.
622390127316

2 CNa SO23 .O)1( OTRmaxtr که در آن OTRmax سرعت انتقال اکسيژن] mol/L/h[، 3 2CNa SO غلظت سديم سولفايت] O2 ،]mol/L ضريب استوکيومتري براي اکسيژن و tr زمان واکنش براي اکسيداسيون کامل] h[ میباشد.
به دليل استفاده از بروموتيمولبلو، رنگ اوليهي محلول سولفيت آبی رنگ بود. پس از گذشت چندين ساعت و اکسيداسيون مقدارهايی از 0SO به 4SO، رنگ محلول به تدريج به سمت سبز متمايل شد. پايان واکنش اکسيداسيون با تغيير رنگ کامل محلول از سبز به زرد مشخص میشود. در نتيجه با ثبت زمان تغيير رنگ محلول از آبی به زرد، زمان انجام واکنش اکسيداسيون ثبت شد.
اثر پارامترهاي سرعت گردش، حجم عملياتی و هوادهی بر زمان اختلاط به صورت همزمان و در شرايط يکسان براي مدل آزمايشگاهی و دستگاه نيمهصنعتی مورد بررسی قرار گرفت تا افزون بر تأييد عملکرد راکتور زيستی نيمه صنعتی جديد، پارامترهاي مهندسی افزايش مقياس در راکتورهاي زيستی به دست آيد.
براساس مقالهي Büchs و همکاران ]10[، توان مصرفی مخزنهاي همزندار را می توان به صورت عدد اصلاح شدهي نيوتون) Ne’( تعريف کرد.

شکل 1ـ شمايي از مجموعهی راکتور زيستي لرزشي يکبار مصرف نيمه صنعتي؛) 1(: راکتور زيستي يکبار مصرف) ،2(: لرزاننده اتاقکدار نيمه صنعتي ساخته شده،
)4(: پمپ هوادهي به سطح سيال درون راکتور زيستي، )3(: پمپ تزريق خوراک برای سامانه نيمه پيوسته و پيوسته )در صورت نياز.(
)3( /1 3Ne’ 

.n .d .V3 P4L
Ne’ را میتوان به عنوان تابعی از عدد رينولدز (Re) به صورت زير نشان داد] 13[،
)0( 6.0- 1-Ne’=1.5·Re + 3.5·Re که در آن عدد رينولدز برابر خواهد بود با:
2.n.d)4( Re 

 در معادلههاي 3 تا 4 میتوان ديد که توان مصرفی تابع شرايط فيزيکی دور لرزاننده، قطر مخزن استوانهاي و ويژگیهاي فيزيکی سيال است.
Kato و همکاران معادلهي کلی بين KLa و توان مصرفی را میتوان به صورت زير ارايه کردند] 14[:
)6( k aL  a.P .uV gb c که در آن ،kLa ضريب حجمی انتقال جرم) c ،b ،a ،)1/s ثابتها ،PV توان مصرفی در واحد حجم) 0ug ،)W/m سرعت ظاهري گاز میباشد. در راکتورهاي زيستی لرزشی، هواي وارد شده
101
89348-1926263

410

400

210

200

110

100

10

0
110

130

120

100

10

10

30

20

0

10

10

10

30

40

20

10

0

اختلاط

زمان
(
)
h

90

10

10

10

10

30

40

20

10

0

زمان

اختلاط

(
)
h

(
عملياتي

آزمايشگاهي

حجم
100

ميلي
ليتر
)

(

صنعتي

نيمه

عملياتي
حجم
10

ليتر
)

هوادهي

بدون

هوادهي

با

410



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید