Volume utile, organismo, ossigeno, automazione e convalida: le cinque domande che ti aiuteranno a scegliere il bioreattore o il fermentatore più adatto al tuo processo.
Quando si confrontano le caratteristiche tecniche di un bioreattore, il dato che di solito salta maggiormente all’occhio è il volume nominale. Tuttavia, è proprio quello che incide meno sul successo di un progetto.
Un impianto ben progettato si definisce in base a cinque fattori: di quanto volume utile hai bisogno, quale organismo coltivi, di quanto ossigeno ha bisogno la tua coltura, quale livello di controllo richiedi e quale tipo di convalida ti verrà richiesta dal tuo settore.
Noi di Techmi Group produciamo bioreattori e fermentatori con capacità da 0,25 L a 30.000 L. In questo articolo esaminiamo le cinque domande e indichiamo quale apparecchiatura della nostra gamma risponde a ciascuna di esse. Dal laboratorio all’impianto industriale.
1. Qual è il tuo volume di lavoro effettivo e in quale fase di espansione ti trovi?
Il volume nominale di un serbatoio non corrisponde al volume utile. La schiuma, l’aerazione e lo spazio libero in testa al serbatoio limitano la quantità di prodotto che è possibile caricare. Techmi Bio 500 funziona con un volume compreso tra 200 e 400 L; Techmi Bio 1000, tra 800 e 900 L; mentre i fermentatori per solidi funzionano con un riempimento compreso tra il 30% e il 50%. Dimensionare sempre in base al volume di lavoro.
La seconda parte della domanda è: a che punto della catena di scalabilità ti trovi, perché ogni fase richiede un team diverso:
- Sviluppo e laboratorio (da 0,25 a 10 L). Il Techmi Bio Lab con vasca in vetro è il punto di partenza. Se hai bisogno di confrontare le condizioni, la versione a doppia vasca consente di gestire due colture in parallelo o separatamente, mentre la stazione a più provette permette di effettuare lo screening dei ceppi e ottimizzare i terreni di coltura con un controllo indipendente per ciascuna provetta.
- Scala pilota (20, 30 e 50 L). Il Techmi Bio Pilot e il Techmi Bio Pharma, realizzati in acciaio inossidabile 316L, riproducono i processi di fermentazione in condizioni simili a quelle industriali. Rappresentano il primo passo di un processo di scalabilità.
- Produzione su piccola o media scala (da 500 a 1.000 L). Sono adatti sia alla produzione vera e propria sia come fase intermedia verso volumi maggiori. Il Bio 1000 può essere fornito in versione doppia, con due fermentatori.
- Produzione industriale (fino a 30.000 L). Il fermentatore industriale Techmi Bio da 30.000 L è progettato su misura per il processo.
Laboratorio → Impianto pilota → Produzione industriale
Se il tuo processo è destinato a crescere, è opportuno definire l’intera catena fin dall’inizio. Una linea di fermentazione scalabile integra fermentatori da 20 a 30.000 L, in modo che ogni fase sia progettata per alimentare quella successiva e non sia necessario riprogettare il sistema tra una fase e l’altra. Se vuoi approfondire l’argomento, te ne parliamo nell’articolo Qual è l’importanza di scegliere il bioreattore adeguato per il futuro dei tuoi bioprocessi?
2. Quale organismo coltivi e quali requisiti richiede alla squadra?
I batteri, i lieviti, i funghi filamentosi o le cellule hanno esigenze diverse. La viscosità del brodo, la sensibilità allo sforzo di taglio e la tendenza a formare schiuma determinano il tipo di agitazione, la sigillatura e la strategia antischiuma.
Ad esempio, il Techmi Bio Lab viene utilizzato per coltivare microrganismi quali il Bacillus subtilis, il Trichoderma harzianum, il Bradyrhizobium japonicum o il Rhizobium phaseoli, con applicazioni nel campo degli enzimi, dei bio-input e dei biofertilizzanti.
Le scelte progettuali che variano a seconda dell’organismo sono le seguenti:
- Materiale della vasca. Vetro con fondo ovale e camicia d’acqua per uso di laboratorio (da 0,25 a 10 L); acciaio inossidabile 316L a partire da 20 L.
- Sistema di agitazione. Il Bio Lab agita a una velocità compresa tra 50 e 2.000 giri/min con una precisione di ±1 giro/min. Nei modelli da 20 a 50 L è possibile scegliere tra azionamento diretto dall’alto o accoppiamento magnetico dal basso, che evita che l’albero attraversi la parete del serbatoio: un vantaggio quando la coltura è di lunga durata e il rischio di contaminazione deve essere ridotto al minimo.
- Tipo di fermentazione. Se il tuo organismo cresce meglio su un substrato solido piuttosto che in un mezzo liquido, ti serve un altro tipo di reattore.
Per la fermentazione allo stato solido, il Techmi Bio Fes FSS è un fermentatore orizzontale a tamburo agitato con pale interne a flusso assiale e radiale, che ruota a una velocità compresa tra 0 e 22 giri/min grazie a un motore reversibile. Controlla la temperatura, la velocità di agitazione e l’umidità; è realizzato in acciaio inossidabile 316L ed è disponibile in dimensioni da 10 a 1.000 L e su misura. È la soluzione ideale per la sporulazione di Trichoderma, enzimi, probiotici e biofertilizzanti su cereali, bucce di cereali o altri residui agricoli.
La domanda fondamentale è semplice: il tuo organismo viene coltivato in sospensione o su un substrato solido? Da questo dipende la categoria di apparecchiature che devi prendere in considerazione.
3. Di quanto ossigeno ha bisogno la tua coltivazione nel momento di picco della domanda?
Il trasferimento dell’ossigeno rappresenta il collo di bottiglia più comune quando un processo aerobico passa dal laboratorio all’impianto. La velocità con cui è possibile fornire ossigeno disciolto al brodo è espressa come segue:
OTR = kLa · (C* – CL)
Dove C* è la solubilità dell’ossigeno nelle condizioni operative e CL è la concentrazione di ossigeno disciolto nel brodo. Il coefficiente kLa dipende dall’agitazione, dalla portata d’aria, dalla pressione, dalla geometria del serbatoio e dalle proprietà del mezzo.
Ciò che l’impianto deve soddisfare non è il fabbisogno medio della coltura, bensì il fabbisogno di picco, che solitamente si verifica alla fine della fase esponenziale o durante l’alimentazione in fed-batch.
Quando valuti un bioreattore, verifica tre aspetti:
- Intervallo di agitazione. I nostri sistemi di scalabilità coprono un intervallo compreso tra 50 e 1.000 giri/min a seconda delle dimensioni del serbatoio, mentre il Bio Lab raggiunge i 2.000 giri/min in laboratorio.
- Pressione di esercizio. Nei fermentatori su larga scala è regolabile fino a 3 bar, il che aumenta la solubilità dell’ossigeno.
- Controllo dell’ossigeno disciolto (DO). I sistemi di gradazione lo regolano da 0 a 100% con una precisione di ±0,1%.
Chiedi sempre al produttore il valore OTR massimo o il kLa dell’impianto nelle tue condizioni di processo e effettua una misurazione su piccola scala prima di procedere al ridimensionamento. Il Bio Lab a doppio serbatoio è progettato, tra le altre cose, per studi di cinetica, di trasferimento dell’ossigeno (kLa) e di ridimensionamento, in modo da poter ottenere i dati di partenza prima di decidere le dimensioni definitive dell’impianto.
4. Di quale livello di automazione hai bisogno?
L’automazione non è un optional: determina la riproducibilità tra i lotti e la quantità di lavoro manuale richiesta da ciascuna fermentazione. Il livello adeguato dipende dalla fase:
- Laboratorio. Il Bio Lab e il Bio Lab a doppio serbatoio integrano il controllo della temperatura, del pH, dell’ossigeno disciolto e dell’agitazione, con quattro pompe peristaltiche per il dosaggio di acido, base, antischiuma e terreno di coltura. Supportano processi in batch e fed-batch, e il loro display touchscreen a colori registra i dati con tracciabilità. La stazione a più beute aggiunge il controllo indipendente per ciascuna beuta e ricette di processo memorizzabili.
- Pilota. Gli impianti da 20 a 50 L sono dotati di PLC Siemens con schermo tattile da 10″, controllo PID con autoregolazione e setpoint a curve sezionate. Includono allarmi di livello e di schiuma con ripristino e aggiunta automatica di antischiuma, registro degli eventi, rapporti sui lotti e gestione delle password.
- Industriale. Gli impianti da 500 e 1.000 L sono dotati di cinque elettrodi per il controllo automatico, pompe peristaltiche di ricarica, coperchio a sollevamento automatico e PLC Siemens serie S7-1200. Nei fermentatori industriali e per solidi vengono aggiunti il monitoraggio a distanza e l’automazione su misura.
Prima di scegliere, rispondi a tre domande: il tuo processo è di tipo batch o fed-batch? Hai bisogno della completa tracciabilità dei dati di ogni lotto ai fini di un audit? E l’apparecchiatura deve integrarsi con il sistema SCADA o con il sistema di controllo del tuo impianto? Una risposta affermativa alla seconda o alla terza domanda ti porta a un livello di automazione superiore a quello di un semplice controllore da tavolo.
5. Quali requisiti di convalida e documentazione sono richiesti nel tuo settore?
Un insumo agricolo non viene valutato allo stesso modo di un processo farmaceutico, e il costo di un errore di classificazione emerge solo alla fine del progetto, quando l’impianto è già stato installato.
Per quanto riguarda il design, ecco i punti da verificare:
- Acciaio inossidabile 316L e assenza di angoli morti nel serbatoio, che facilitano la pulizia e riducono il rischio di contaminazione.
- Valvole speciali di campionamento e scarico, sia nel serbatoio che nelle tubazioni di trasferimento.
- Pulizia e sterilizzazione in loco (CIP/SIP) nelle linee di confezionamento.
- Costruzione conforme alle norme GMP. Techmi Bio Pharma, da 20 a 50 L, è progettato per laboratori e processi che richiedono la conformità alle norme GMP.
Per quanto riguarda la documentazione e la qualificazione, definisci fin dall’URS, e non solo alla fine, ciò che il tuo revisore o il tuo cliente ti chiederà: il pacchetto documentale dell’apparecchiatura, i test di accettazione in fabbrica e in impianto (FAT e SAT) e le qualifiche di installazione, funzionamento e prestazione (IQ, OQ e PQ). Se il tuo processo è di tipo farmaceutico, verifica inoltre in che modo il sistema di controllo gestisce l’integrità dei dati: accesso per utente con password, registrazione di eventi e allarmi e tracciabilità di ogni lotto.
Chiedi sempre al produttore, per iscritto, quale documentazione fornisce e quali norme si applicano a ciascuna apparecchiatura specifica.
Quale modello della gamma corrisponde a ciascuna fase?
Panoramica della gamma di bioreattori e fermentatori di Techmi Group in base alle dimensioni e all’utilizzo.
| Squadra | Scala | Uso principale | Controllo e automazione |
|---|---|---|---|
| Techmi Bio Lab | da 0,25 a 10 L (vetro) | Ricerca e sviluppo, avvio dei processi, enzimi e bio-materie prime | Agitazione da 50 a 2.000 giri/min, quattro pompe peristaltiche, batch e fedbatch |
| Bio Lab a doppio serbatoio | 0,25 a 10 L | Prove comparative in parallelo, studi sul kLa e dimensionamento | Temperatura ±0,1 °C, pH, OD e agitazione, registrazione e tracciabilità |
| Stazione di fermentazione a vasche multiple | Diversi bicchieri di piccolo volume | Screening dei ceppi e ottimizzazione dei terreni di coltura | Controllo indipendente per ogni vaso, da 0 a 1.000 giri/min, ricette memorizzabili |
| Techmi Bio Pilot | 20, 30 e 50 L (316L) | Coltivazione, ottenimento dei parametri, amplificazione del seme | PLC Siemens, display da 10″, PID con regolazione automatica, rapporti di lotto |
| Techmi Bio Pharma | 20, 30 e 50 L (316L) | Processi che richiedono GMP, farmaceutici e biotecnologici | Curve per tratto, allarmi di livello e schiuma, registro degli eventi |
| Techmi Bio 500 | 500 L (da 200 a 400 L di capacità operativa) | Piccola produzione e fase intermedia dei treni | Cinque elettrodi, PLC Siemens S7-1200, coperchio con sollevamento automatico |
| Techmi Bio 1000 | 1.000 L (da 800 a 900 L di capacità operativa) | Produzione su piccola o media scala, versione doppia con due serbatoi | Cinque elettrodi, PLC Siemens S7-1200, coperchio con sollevamento automatico |
| Impianto di scale-up della fermentazione | 20 a 30 000 L | Catena completa di scalabilità con CIP/SIP | Temperatura ±0,1 °C, pH da 2 a 12 (±0,01), ossigeno disciolto da 0 a 100 %, fino a 3 bar |
| Industrial 30.000 L | Fino a 30.000 L, su misura | Grandi produzioni industriali | Automazione e flussi personalizzati, monitoraggio a distanza |
| Bio Fes FSS | Da 10 a 1.000 L e su misura (solidi) | Fermentazione allo stato solido dei funghi | Temperatura, umidità e velocità (da 0 a 22 giri/min), SCADA e monitoraggio a distanza |
Lista di controllo per il tuo URS
Prima di richiedere un preventivo, verifica che le tue specifiche soddisfino i seguenti requisiti:
- Volume di lavoro (non nominale) e fase della catena di produzione in cui verrà utilizzata l’attrezzatura.
- Organismo, tipo di fermentazione (immersa o allo stato solido) e requisiti relativi all’agitazione, alla forza di taglio e alla formazione di schiuma.
- Fabbisogno di ossigeno al picco (OUR) e valori di OTR o kLa garantiti dal produttore.
- Modalità operativa (batch o fed-batch), livello di automazione, registrazione dei dati e integrazione con SCADA.
- Materiale, progettazione igienica, CIP/SIP e normativa applicabile (GMP o altra).
- Documentazione e qualifiche richieste: FAT, SAT, IQ, OQ e PQ.
- Documentazione e qualifiche richieste: FAT, SAT, IQ, OQ e PQ.
Rispondere a queste domande prima di richiedere un preventivo evita di sovradimensionare l’attrezzatura, riduce il numero di iterazioni di progettazione e accorcia i tempi necessari per arrivare al primo lotto.
Perché scegliere bene un bioreattore non significa scegliere quello più grande: significa scegliere quello che meglio si adatta al tuo processo, oggi e a qualsiasi scala.
Stai valutando l’acquisto di un bioreattore o hai bisogno di scalare un processo esistente? Il nostro team può esaminare il tuo caso e aiutarti a definire la soluzione più adatta per ogni fase. Scrivici all’indirizzo info@techmigroup.com oppure contattaci.