Introduction to Benchtop Bioreactor Lab Fermenter

Lab fermenter is a laboratory device used for biological processes (such as cell culture, fermentation, etc.), mainly used to control and simulate the environmental conditions in organisms to achieve specific biological reactions. The lab fermenter is a small, closed device that usually has adjustable parameters such as temperature, pH, oxygen content, stirring speed, etc. to meet the needs of different biological reactions.

The functions of a lab fermenter являются следующие:

1.Provide suitable environmental conditions: The lab fermenter can provide constant temperature, pH, oxygen content and other parameters to meet the requirements of different biological reactions. These parameters of benchtop bioreactor have a vital impact on cell growth, metabolite production and other biological processes.

2.Achieve control of biological processes: The lab fermenter can accurately control the progress of biological processes and the generation of products by adjusting parameters such as stirring speed, gas supply rate, and nutrient material concentration. This is of great significance for studying the dynamic changes of biological processes in the laboratory and optimizing product yield and quality.

3.Monitoring and sampling: The lab fermenter is usually equipped with sensors and monitoring equipment to monitor key parameters in biological reactions in real time, such as cell density, metabolite concentration, etc. In addition, the lab fermenter can also perform timed or quantitative sampling for further analysis and evaluation of the reaction.

4.Small-scale production and R&D: lab fermenters are often used in the initial R&D stage of biopharmaceutical production, and can be used for small-scale production and evaluation. The lab fermenters can be used to screen and optimize production strains, culture conditions and process parameters, and provide guidance for subsequent large-scale production.

The lab fermenter is a powerful experimental equipment designed to provide optimized environmental conditions for biological processes and control the reaction process. The lab fermenter is used in biological research, drug production, biofuel production, environmental remediation and other fields. The lab fermenter is one of the important tools for bioprocess and biotechnology research and has broad application prospects.

The main components of a lab fermenter usually include the following:

1. Реакторный сосуд: также известный как ферментер или культуральный резервуар, является основной частью реактора. Обычно он изготавливается из прозрачного стекла или пластика для облегчения наблюдения за процессом реакции. Реакторные сосуды имеют разные объемы и формы, и соответствующий размер контейнера выбирается в соответствии с различными экспериментальными потребностями.

2.Stirring system: A stirring system is installed in the lab fermenter,which produces shear and mixing effects in the reaction materials through a stirring paddle or agitator. This helps to maintain uniform temperature, gas distribution and uniform supply of nutrients, promote cell growth and production of metabolites.

3.Sensors and monitoring devices: lab fermenters are usually equipped with various sensors and monitoring devices for real-time monitoring of key parameters in the reaction process, such as temperature, pH, oxygen content, cell density, metabolite concentration, etc. These devices can provide real-time data of the reaction process, helping researchers understand the reaction dynamics and control the reaction.

4.Control system: The control system of a lab fermenter is usually controlled by a computer or similar instrument, which can adjust and control various parameters in the reactor, such as temperature, pH, stirring speed, gas supply rate, etc. This allows precise regulation of reaction conditions, making the reaction process stable and controllable.

5.Gas supply system: lab fermenter bioreactors usually require an appropriate amount of gas supply, including common air (oxygen), and some special gases such as carbon dioxide can also be used. The gas supply system can ensure that the appropriate amount of gas enters the reactor and maintains convection and uniform gas distribution through components such as gas filters, gas flow controllers and distributors.

6.Temperature control system: lab fermenters require stable temperature control to keep the biological reaction within the appropriate temperature range. The temperature control system usually consists of a temperature sensor and a heater, which can adjust and maintain the temperature inside the reactor according to the reaction requirements.

7.Data recording and control software: lab fermenters are usually connected to a computer or data recorder. Through special data recording and control software, various parameters in the reaction process can be recorded in real time, and data analysis and processing can be performed.

Настольные биореакторы можно классифицировать по разным стандартам классификации. Основные классификации включают следующие две категории:

1. Классификация по способу перемешивания:

Bubble stirring type lab fermenter: A gas inlet device is set at the bottom or side of the reactor. The gas enters the liquid to form bubbles, stir the liquid and provide oxygen supply. This stirring method is simple and low-cost, and is suitable for some biological reactions that require lower wave intensity.

Настольный биореактор с механическим перемешиванием: Реакционная жидкость перемешивается с помощью мешалки с электроприводом или лопастной мешалки для достижения равномерного смешивания жидкости и передачи кислорода. Этот метод перемешивания более гибкий и контролируемый и подходит для биологических реакций, требующих более высокой интенсивности волн и точного контроля.

2. Классификация по режиму работы:

Настольный биореактор дискретного типа: В реакторе выполняется периодическая реакция, то есть в реактор добавляется определенное количество питательной среды и организмов, и в течение определенного периода времени проводятся культивирование и реакция, а затем отбираются образцы для анализа. Этот режим работы часто используется для экспериментальных исследований небольшого масштаба и предварительного скрининга.

3. Непрерывный настольный биореактор: Реакционная операция осуществляется путем непрерывной подачи и сбора метаболитов. Реакционная жидкость непрерывно циркулирует в реакторе, непрерывно поставляет питательные вещества и собирает полученные метаболиты. Этот режим работы часто используется в крупномасштабном производстве и непрерывных исследованиях процесса.

Кроме того, в соответствии с различными конкретными областями применения и потребностями, настольные биореакторы могут быть далее подразделены и классифицированы в соответствии с функциями и размерами. Например, для конкретных приложений клеточной культуры или ферментации их также можно разделить на реакторы клеточной культуры, реакторы ферментации, реакторы культуры растительной ткани и т. д.

Lab fermenter имеют следующие преимущества:

1. Простота эксплуатации и обслуживания: по сравнению с крупными промышленными реакторами настольные биореакторы обычно меньше по размеру и проще в эксплуатации, что упрощает контроль и регулировку условий реакции. Кроме того, очистка и обслуживание относительно удобны, что снижает нагрузку на операторов.
2. Хорошая производительность управления биопроцессом: настольные биореакторы оснащены датчиками и устройствами мониторинга, которые могут отслеживать ключевые параметры в процессе реакции в режиме реального времени, а также регулировать и поддерживать целевые условия с помощью системы управления для достижения точного управления биопроцессом. Это помогает оптимизировать эффективность и качество получения биопродукта и предоставлять надежные данные для последующей трансформации процесса.
3. Более низкая стоимость и меньшая площадь: по сравнению с крупными промышленными реакторами, настольные биореакторы имеют более низкие производственные и эксплуатационные расходы. Кроме того, из-за их небольшого размера, требуемые лабораторные или производственные помещения также меньше, что снижает нагрузку на компоновку оборудования и инвестиции в ресурсы.

Хотя настольные биореакторы имеют много преимуществ, у них есть и некоторые ограничения:

1. Ограниченный масштаб реакции: Из-за небольшого размера настольных биореакторов количество реакционных материалов и количество переносимых клеток ограничены. Это делает его в основном пригодным для экспериментов малого масштаба и исследовательских стадий биопроцессов и не может удовлетворить потребности крупномасштабного промышленного производства.
2. Трудно достичь крупномасштабного производства: существуют определенные технические трудности в крупномасштабном производстве настольных биореакторов. В процессе масштабирования необходимо учитывать изменения в таких факторах, как перемешивание, массоперенос и теплоперенос жидкости в реакторе, чтобы поддерживать постоянство условий реакции и стабильность эффективности преобразования.
3. Ограничение массопереноса: Из-за ограничения объема настольного биореактора эффект массопереноса внутри жидкости ограничен, что может привести к недостаточному снабжению кислородом или другими газами, что повлияет на рост клеток и генерацию продукта. Поэтому необходимо оптимизировать производительность массопереноса при проектировании настольного биореактора для повышения эффективности реакции и качества продукта.

Хотя у настольного биореактора есть некоторые ограничения, он по-прежнему является очень полезным инструментом и оборудованием для лабораторных исследований и предварительного производственного масштаба. Для преобразования мелкомасштабных биологических процессов в крупномасштабные эти ограничения могут быть устранены посредством разумного инженерного проектирования и экспериментальной проверки, а результаты исследований и опыт настольных биореакторов могут быть применены к крупномасштабному промышленному производству.

Настольные биореакторы широко используются в различных областях. Ниже приводится подробное введение в их применение:

Биофармацевтическое производство: Настольные биореакторы играют важную роль в процессе производства биофармацевтических препаратов. Биофармацевтика — это метод производства лекарств или терапевтических агентов с использованием организмов в биореакторах. Обычные биофармацевтические препараты включают белковые препараты, препараты антител и препараты генной терапии. Настольные биореакторы обеспечивают среду для контроля и оптимизации процесса биореакции, гарантируя высокую производительность и качество лекарств.

Производство биотоплива: настольные биореакторы используются для производства биотоплива, включая биогаз (например, биогаз, водород), биоэтанол, биодизель и т. д. При производстве биотоплива используется способность микроорганизмов к ферментации и метаболизму для преобразования органических отходов или растительных материалов в возобновляемую энергию.

Восстановление окружающей среды и очистка отходов: настольные биореакторы играют ключевую роль в восстановлении окружающей среды и очистке отходов. Например, настольные биореакторы могут использоваться для очистки воды, чтобы преобразовывать вредные вещества, такие как тяжелые металлы и органические соединения, в безвредные вещества. Кроме того, настольные биореакторы могут также использоваться для восстановления почвы, где вредные вещества разлагаются, а качество почвы улучшается за счет действия бактерий или грибков.

Биоматериалы и биохимическое производство: Настольные биореакторы используются для производства биоматериалов и биохимикатов. Например, микроорганизмы в настольных биореакторах используются для синтеза полимеров, таких как биопластики и биоразлагаемые материалы. Кроме того, настольные биореакторы также используются для производства пищевых добавок, ферментов, аминокислот и других биохимикатов.

Применение настольных биореакторов в различных областях продолжает расширяться и совершенствоваться. С развитием технологий и требованиями устойчивого развития и охраны окружающей среды перспективы применения настольных биореакторов будут шире и многообещающе.