機械式消泡装置が化学薬品を使わずにバイオリアクターの容量を拡大する方法

バイオリアクターの容量を増やすことは、単により大きな槽を使用するという問題ではない。作業容積が増加するにつれて、通気要求、泡の形成、排気処理、および液損失の管理がより困難になる可能性がある。好気性発酵では、持続的な泡が貴重なヘッドスペースを占め、排気接続部に到達し、栄養豊富な培養液の液滴を槽外に運び出す可能性がある。これらの問題は、バイオリアクター自体が十分な公称容量を持っている場合でも、運転の柔軟性を制限する可能性がある。

メカニカル消泡器は、化学消泡剤のみに依存するのではなく、物理的に泡を破壊することで対処する実用的な方法を提供する。適切に設計された発酵システムに統合されると、泡の制御、同伴液の回収、および利用可能な槽容量のより効果的な利用を支援することができる。

泡がスケールアップの制約となる理由

大規模な生産スケールでは、発酵性能は酸素要求、ガス分散、撹拌、微生物活性の間の関係に依存する。酸素移動を支援するために通気量を増やすと、特に培地にタンパク質、ペプチド、界面活性様物質、またはその他の泡安定化成分が含まれている場合、泡の形成が激しくなる可能性がある。

結果として生じる泡は、使用可能なヘッドスペースを減少させ、排気配管への液持ち出しのリスクを高める可能性がある。オペレーターは、作業容積を減らす、通気を調整する、または化学消泡剤を追加するなどの対応を取る可能性がある。各対応には潜在的なトレードオフがある。充填レベルを下げると生産能力が制限される可能性があり、通気を変更すると酸素供給に影響を与える可能性がある。化学消泡剤は、その組成と投与量に応じて、酸素移動に影響を与えたり、下流の分離を複雑にしたりする可能性もある。

生産量の増加を計画している発酵プラントでは、泡の制御は、生産上の問題が発生した後の是正措置としてではなく、バイオリアクターの設計とスケールアップの際に考慮されるべきである。

メカニカル消泡器がより高い作業容積をどのようにサポートするか

BODFシリーズのメカニカル消泡器は、高速回転子を使用してせん断力により泡を破壊する。泡が回転子の作業領域に入り、回転部品が気泡を破壊する。次に遠心力により解放された液体が装置の壁に向かって押し出され、液体が集まって発酵槽に戻ることを可能にする。

回収された液体の一部は直接槽内に戻り、別の一部は多孔質壁構造を通って渦巻きコレクターに入り、その後パイプラインを通って戻る。この構成は、泡の持ち出しによって失われる可能性のある液体の回収を支援する。

泡を機械的に制御することにより、プロセス条件が適切な場合、システムは化学消泡剤への依存を減らすことができる。また、オペレーターが作業容積を直ちに減らしたり、発酵レシピを変更したりすることなく、泡を管理するのに役立つ可能性もある。

ただし、メカニカル消泡器が自動的にバイオリアクター容量を増加させるわけではない。達成可能な作業容積は、槽の形状、酸素移動要件、泡の挙動、排気容量、プロセスの生物学的限界など、いくつかの相互作用する要因に依存する。消泡器は、利用可能な槽スペースをより有効活用するための、より広範な戦略の構成要素の一つである。

完全な発酵システムへの泡制御の設計

効果的なスケールアップには、消泡器とバイオリアクター設備の残りの部分との間の調整が必要である。取り付け位置、排気経路、液戻り接続、メンテナンスアクセス、および制御構成は、まとめて考慮されるべきである。

BODFシリーズは、泡の制御と液体回収が重要な発酵システムに統合することができる。高い通気速度で運転されるプロセスの場合、排気ガス凝縮システムを組み込んで、液体損失を減らすための追加サポートを提供することもできる。

このシステムレベルのアプローチは、既存の発酵ラインをアップグレードする場合に特に関連性が高い。設置前に、エンジニアは泡がどこに蓄積するか、ピーク通気時に液持ち出しが発生するかどうか、排気管と戻り配管が追加機器に対応できるかどうかを評価する必要がある。これらのチェックは、メカニカル消泡器が単にプラントに別の構成要素を追加するだけでなく、実際のボトルネックに対処することを確実にするのに役立つ。

バイオリアクターに適した構成の選択

BODFシリーズは、異なる槽構成向けに2つのタイプを提供する。

密閉式メカニカル消泡器 BODF-I は、完全密閉型槽を対象としている。これは、バイオリアクターが密閉システムとして運転され、設置が既存の槽および排気構成に適合する必要がある場合に評価すべき該当構成である。

開放槽型メカニカル消泡機 BODF-II は、開放型槽またはタンク向けに設計されている。その適合性は、プロセスレイアウト、ならびに開放槽内での泡の発生方法および収集方法に依存する。

両モデルとも、公開されている技術パラメータ範囲は同じである。したがって、一方のモデルが本質的に優れた処理能力を持つと想定するのではなく、槽構成、泡の特性、運転条件、および設置要件に基づいて選択する必要がある。

このシリーズは、304または316Lステンレス鋼構造、EPDM、シリコーンゴム、またはフッ素ゴムシール、および標準型または防爆型モーターオプションで利用可能である。電解研磨もオプションとして利用可能である。材料とモーターの選択は、培地、洗浄薬品、運転環境、および該当するプラント要件を反映する必要がある。

プロセス制御を損なわずに化学物質依存度を低減

すべての発酵プロセスにおいて化学消泡剤を排除することが適切であるとは限らない。機械的に制御することが難しい泡を生成する培養液もあり、特定の運転条件では依然として併用アプローチが必要な場合がある。実際的な目標は、泡の封じ込め、酸素供給、またはプロセス安定性を損なうことなく、実行可能な範囲で化学薬品の使用を減らすことである。

この区別は、酵素、微生物バイオマス、有機酸、アミノ酸、その他の発酵由来製品を生産する発酵システムにおいて重要である。製品と下流プロセスに応じて、消泡剤の添加を減らすことはプロセス制御を簡素化し、濾過、分離、または精製への影響を評価する必要性を制限する可能性がある。

したがって、メカニカル消泡は実際の生産要件に照らして評価されるべきである。エンジニアは、設置前後の泡の挙動、消泡剤消費量、排気設備で回収された液体、発酵パフォーマンスを監視することができる。これらの観察結果は、機器がより高い作業容積とより一貫した運転をサポートするかどうかを判断するための、より信頼性の高い基礎を提供する。

スケールアップ時の容量増加の検証

成功するスケールアッププロジェクトには、測定可能な運転基準が必要である。作業容積を増やす前に、プロセスチームは泡の形成、液持ち出し、通気、消泡剤添加頻度のベースラインを確立する必要がある。設置後、同じ指標を用いて、同等の条件下で泡の制御が改善されたかどうかを判断することができる。

提案された運転容積が、酸素移動要件、除熱、混合性能、生産微生物の生物学的ニーズと依然として互換性があることを確認することも重要である。泡の低減だけでは、より高い充填レベルが同じ収率または製品品質を維持することを証明するものではない。

化学消泡剤の使用を自動的に増やすことなく生産量の拡大を目指すプラントにとって、BODFメカニカル消泡器は、泡の破壊と培養液回収のための物理的アプローチを提供する。適切な槽設計、排気処理、プロセス監視と統合することで、より大きな生産能力への制御された道筋を支援しながら、バイオリアクター利用に関する実際的な制約の一つに対処することができる。