بیوراکتور

اندازه گیری دقیق پارامترها و اتوماسیون فرایند بیوراکتور


بیوراکتور چیست؟

یک بیوراکتور شیمیایی دستگاه یا سیستمی است که شرایط مناسب و استاندارد برای فعالیت ارگانیسم ها یا مواد فعال بیوشیمیایی، سلول ها و بافت ها و یا شرایط کشت سلولی را دارا می باشد. بیوراکتور ها معمولا از جنس استیل هستند و در ابعاد مختلف ساخته می شوند. به طور کلی هر دستگاه یا سیستمی که بتواند شرایط سازگار برای فعالیت بیولوژیکی ارگانیسم ها را فراهم کند به عنوان بیوراکتور شناخته می شود.

بیوراکتور چگونه کار می کند؟

محیط داخل یک بیوراکتور شیمیایی، بشدت کنترل شده است و باید به صورت پیوسته و بی وقفه تحت نظارت باشد. خارج شدن شرایط محیط بیوراکتور از وضعیت استاندارد می تواند باعث آسیب دیدن ارگانیسم ها و یا خراب شدن فرایند شود.

مثلا برای یک بیوراکتور که وظیفه اش فراهم کردن شرایط استاندارد برای محیط کشت سلولی است، باید پارامترهای دما و pH و فشار و همچنین غلظت گازهایی مانند اکسیژن که برای فعالیت زیستی ارگانیسم ها ضروری هستند، کاملا تحت کنترل باشند. علاوه بر موارد ذکر شده لازم است تا مواد مغذی که برای تغذیه ارگانیسم ها لازم است به صورت منظم وارد بیوراکتور شده و به طور همگن در محیط توزیع شود. همگن سازی برای توزیع متناسب مواد غذایی سلول ها در نقاط مختلف بیوراکتور و جلوگیری از غیر همسان بودن رشد سلول ها است. همگن کردن محیط راکتور توسط پروانه های مخصوصی انجام می شود که سرعت آنها در برخی فرایند ها باید تحت کنترل باشد زیرا نامساعد شدن محیط کشت می تواند باعث آسیب دیدگی، اصلاح ژنتیکی یا از بین رفتن ارگانیسم ها شود.

بیوراکتور ها بر اساس فرایند طراحی های مختلفی دارند

اهمیت دما در بیوراکتور

دما یکی از مهمترین پارامترها در محیط بیوراکتور شیمیایی است. تمامی ارگانیسم ها به دما حساس هستند و علاوه بر اینکه تنها در بازه های دمایی مشخصی می توانند فعالیت کنند و زنده بمانند، کیفیت فعالیت آنها نیز در دماهای مجاز مختلف، متفاوت است. بنابراین اندازه گیری دقیق و مستمر دما و همچنین کنترل دما برای تضمین کیفیت محصول خروجی بیوراکتور ضروری است.

به طور معمول دمای استاندارد برای فعالیت آنزیم های پستانداران حدود ۳۷ درجه سانتی گراد می باشد. سلول های گیاهان و حشرات و پستانداران در محدوده دمایی ۲۵ الی ۳۷ درجه فعال هستند. همچنین باکتری ها قارچ ها و انواع مخمرها هم در دمای مابین ۲۰ الی ۶۰ درجه سانتی گراد فعال هستند.

در بسیاری از موارد کاربردی دمای بیوراکتور در تمام طول فرایند باید ثابت بماند اما در فرایند های خاصی که در آنها مشتقات ارگانیک مانند پنی سیلین تولید می شود، دما در انتهای فرایند باید کاهش یابد تا محصول نهایی در شرایط پایدار نگهداری شود.

اهمیت pH در بیوراکتور

کنترل دقیق مقدار pH اهمیت بسیار ویژه ای در فرایندهای بیولوژیکی دارد. تغییر نامتعارف در مقدار pH می تواند باعث آسیب دیدگی محصولات و کشت سلولی شود و خواص و ماهیت محصول نهایی فرایند را دستخوش تغییرات مضر و ناخواسته کند. بنابراین pH محیط بیوراکتور باید به صورت پیوسته اندازه گیری شود و تحت کنترل باشد. برخی از بیوراکتورها دارای بافرهای مخصوصی هستند که از تغییرات pH جلوگیری کنند.

نمونه تصویر شماتیک یک بیوراکتور

تغذیه بیوراکتور

وجود مواد مغذی در فضای بیوراکتور و برای رشد و تغذیه ارگانیسم ها لازم است. به طور مثال برای محیط کشت سلولی مواد مغذی مانند نیتروژن، فسفر، آب، گلوکز، کربن، نمک ها، مواد معدنی، انواع ویتامین ها و اسیدهای آمینه مورد نیاز می باشد.

محیط های کشت سلولی برای رشد و نمو نیازمند انواع گازها هستند. به طور مثال گاز اکسیژن برای بسیاری از فعالیت های زیستی ارگانیسم ها ضروری می باشد. غلظت و فشار گاز اکسیژن در محیط بیوراکتور باید تحت کنترل باشد. لازم به ذکر است برای رشد و تکثیر ارگانیسم های بی هوازی نیازی به وجود گاز در محیط بیوراکتور نیست و تغذیه ارگانیسم ها از طریق مواد آلی تامین می شود.

انواع فرایندهای بیوراکتور

به طور کلی فرایندهایی که در داخل بیوراکتور انجام می شود ۴ دسته هستند.

فرایند Batch

فرایند Batch ساده ترین نوع فرایند های بیوراکتور است. در این نوع فرایند، حجم مشخصی (batch) از محیط کشت سلولی در بیوراکتور وارد شده و سلول ها نیز به بیوراکتور تلقیح می شوند. مواد مغذی مورد نیاز یک دوره کشت سولی هم وارد بیوراکتور شده و پس از طی دوره کشت حجم مشخصی از محصول نهایی تولید می شود.

فرایند Fed-Batch

در فرایند Fed-Batch مشابه فرایند Batch، ابتدا بیوراکتور با محیط کشت سلولی پر شده و سلول ها هم به داخل آن تلقیح می شوند. اما در ادامه فرایند و پس از انجام رشد سلولی و مصرف مواد مغذی موجود در بیوراکتور، مواد غذایی جدیدی به بیوراکتور اضافه می شوند تا رشد سلول ها بیشتر می شود و مدت زمان فعالیت و حجم محصول قابل تولید بیوراکتور هم افزایش می یابد.

فرایند Perfusion

در فرایند Perfusion از مکانیزم فیلتراسیون با جریان متقاطع (Tangential Flow Filters) برای حذف مواد ناخواسته ای مانند اسید لاکتیک استفاده می شود. و بخشی از محیط کشت سلول بازیافت می شود که باعث می شود این نوع فرایند از فرایند Fed-Batch بیشتر دوام بیاورد و بازده تولید محصول بیشتری داشته باشد.

فرایند Continuous

در فرایند های پیوسته بیوراکتور شیمیایی، عملیات های فرایند مانند تغذیه محیط و تخلیه محصول نهایی کنترل شرایط به صورت پیوسته و منظم در حال انجام است. در فرایند پیوسته لازم است که نرخ رشد سلول ها برابر با نرخ مرگ و میر آنها باشد تا در حجم سلول زنده موجود در محیط تغییر خاصی حاصل نشود. مواد مغذی مورد نیاز فرایند به طور پیوسته وارد بیوراکتور می شوند. و محصول نهایی هم به صورت پیوسته از آن خارج می شود. بدیهی است که ثابت و استاندارد نگه داشتن شرایط بیوراکتور در تمام طول فرایند باید به طور پیوسته انجام شود که کاری پیچیده و بسیار اساسی می باشد.

راه حل های برگ برای اتوماسیون فرایند های بیوراکتور

اندازه گیری دما

همانطور که ذکر شد، اندازه گیری دقیق دما در کنترل دقیق محیط بیوراکتور اهمیت اساسی دارد. برای اندازه گیری دقیق دما در این فرایند ترانسمیترها، مبدل ها و نمایشگرهای دمای PR Electronics پیشنهاد می شود. ترانسمیترهای دمای PR Electronics دارای دقت 0.05% بازه اندازه گیری و زمان پاسخ سریع هستند. برای مشاهده اطلاعات بیشتر روی تصویر زیر کلیک کنید.

ترانسمیتر، ایزولاتور، مبدل و نمایشگر صنعتی PR Electronics

اندازه گیری فشار

اندازه گیری دقیق و پایدار فشار بیوراکتور برای اطمینان از استاندارد بودن گازهای موجود در محیط ضروری است. برای اندازه گیری دقیق فشار فرایند ترانسمیتر فشار مدل Burkert 8323 پیشنهاد می شود.

ترانسمیتر فشار ۸۳۲۳ بورکرت

اندازه گیری فلو (جریان)

اندازه گیری مقدار مواد ورودی و خروجی از بیوراکتور به خصوص برای فرایندهای پیوسته بسیار ضروری است. مواد مغذی و مورد نیاز فعالیت بیوراکتور از طریق مجاری مخصوص وارد آن شده و محصولات مختلف حاصل از فرایند هم از مجاری مشخصی خارج می شوند. نظارت پیوسته و مستمر بر مقادیر ورودی و خروجی معمولا از طریق فلومترها انجام می شود. بسته به نوع سیال موجود در فرایند، فلومتر های مورد استفاده در بیوراکتور می توانند از انواع مغناطیسی، کوریولیس یا توربینی و .. باشند. برای فلومتر مغناطیسی مدل 8045 Burkert پیشنهاد می شود.

فلومتر الکترومغناطیسی مدل ۸۰۴۵ بورکرت

فلومترهای جرمی برند Burkert آلمان، دارای دقت بسیار بالا، پایداری دراز مدت کالیبراسیون و تکرار پذیری بسیار عالی هستند. مدل های خاصی از فلومترها مانند مدل ۸۷۵۶ و ۸۶۲۶ دارای قابلیت کنترل جریان سیال بوده و در واقع فلو کنترلر هستند. فلو کنترلر های بورکرت دارای تابع کنترلی PI می باشند. از فلومتر ها و فلو کنترلر های بورکرت برای اندازه گیری دقیق و مستمر فلو و کنترل میزان جرم و حجم مواد مصرفی و تولیدی استفاده می شود.برای اندازه گیری دقیق فلوی مایعات هم فلومتر جرمی ۸۷۵۶ بورکرت پیشنهاد می شود. این فلومتر دارای دقت بسیار بالا و مکانیزم اندازه گیری اثر کوریولیس است. همچنین برای اندازه گیری دقیق میزان گاز عبوری، فلومترهای جرمی مدل ۸۷۴۶ یا ۸۷۱۰ بورکرت پیشنهاد می شود.

فلومترها و فلوکنترلرهای جرمی بورکرت آلمان. برای مشاهده محصولات، روی تصویر کلیک کنید.

کنترل مسیرهای سیالات

در یک فرایند پیوسته، کنترل مستمر و دایمی مقادیر مواد ورودی و خروجی به بیوراکتور دارای اهمیت اساسی است. به طور معمول، کنترل مقدار مواد عبوری، از طریق کنترل مسیر عبور آنها و با کمک شیرهای کنترلی انجام می شود. شیرهای کنترلی با استفاده از پوزیشنرها و اکچویتورهای مخصوص می توانند میزان باز یا بسته بودن مسیر سیال را بر اساس سیگنال فرمان ورودی به پوزیشنر، کنترل کنند. برای این فرایند استفاده از شیرهای کنترلی Burkert 2301 پیشنهاد می شود.

شیرکنترلی مدل ۲۳۰۱ بورکرت

لازم به ذکر است که پوزیشنر های 8793 Burkert دارای تابع کنترل PID نیز هستند و می توانند بدون کمک PLC و به صورت مستقل و تنها با گرفتن فیدبک از فشار، دما یا فلوی سیال، میزان باز و بسته بودن مسیر را کنترل کنند.

پوزیشنر مدل ۸۷۹۳ بورکرت

کنترل PID

کنترل دقیق عملکرد پوزیشنرها وابسته به تولید سیگنال فرمان استاندارد می باشد. سیگنال فرمان در واقع تفاوت سیگنال ست پوینت کنترل و سیگنال متناظر با موقعیت شیر است. سیگنال متناظر با موقعیت شیر توسط پوزیشنر و بعضا با کمک انکودر های مخصوص تولید می شود. برای کنترل دقیق شیر لازم است که حلقه کنترلی PID در مدار اندازه گیری فرایند تشکیل شود. با توجه به بالا بودن هزینه استفاده از PLC می توان از PID کنترلر های مخصوص در این فرایند استفاده نمود.  برای این فرایند استفاده از کنترلر های CMC 141 پیشنهاد می شود. کنترلر های CMC 141 تولید برند Simex کشور لهستان بوده و دارای ۱ سال گارانتی شرکت برگ می باشند.

کنترلر و دیتالاگر CMC 141 برند Simex لهستان

CMC 141 می تواند تا ۳ حلقه کنترل PID را به صورت مستقل تحت کنترل در آورد و همچنین قابلیت ذخیره سازی داده ها و اتصال به شبکه صنعتی را داشته و با کمک نمایشگر لمسی خود حتی می تواند به عنوان یک HMI هم در فرایند به کار گرفته شود. این کنترلر همچنین می تواند به انواع ورودی/خروجی های دیجیتال و آنالوگ مجهز شود.

اسپیلیتر سیگنال

در ساختار بیوراکتور، سیگنال های خروجی ترانسمیترهای فشار، دما و فلومتر، علاوه بر سیستم کنترل یا اسکادا باید به کنترلر PID نیز ارسال شوند. در این حالت و برای دوگانه سازی سیگنال ها با حداقل تاخیر و تضعیف، اسپیلیترهای انالوگ PR 3108 پیشنهاد می شود.

اسپیلیتر سیگنال مدل PR 3108

جمعی از مصرف کنندگان تجهیزات PR Electronics و Burkert و Simex در صنایع کشور:

گروه ملی صنعتی فولاد ایران: فلو کنترلر جرمی Burkert 8626
سیمان زابل: شیر سلونوئیدی Burkert 0330 و سنسور فلومتر Burkert S030
نانو فناوران دارویی الوند: سنسور فلومتر Burkert S030 و سنسور pH و ORP مدل Burkert 8203 و فلو ترانسمیتر Burkert SE30 و ست تجهیزات جانبی Burkert 8200 و Burkert DN25 و SET5 و KE00
سیمان شاهرود: ایزولاتور – اسپیلیتر جریان مدل PR 3108 و مبدل Pt100 مدل PR 3102
کشت و صنعت دعبل خزایی: شیر سلونوئیدی آرمیچری Burkert 0330 و شیر زاویه ای نیوماتیک Burkert 2000
شیر خشک نوزاد پگاه: شیر سلونوئیدی پلانجری Burkert 6012 و شیر زاویه ای نیوماتیک Burkert 2000 و شیر سلونوئیدی پلانجری Burkert 6013
صنایع پودر شیر مشهد: شیر سلونوئیدی پلانجری Burkert 6012 و شیر سلونوئیدی نیوماتیک Burkert 5413 و شیر دیافراگمی نیوماتیک Burkert 2031 و شیر زاویه ای نیوماتیک Burkert 2000 و ست تجهیزات جانبی Burkert DN25 و SET5 و SET6
فولاد غرب آسیا: شیر سلونوئیدی پلانجری Burkert 6014 و شیر کنترلی نیوماتیک Burkert 8802 و ست تجهیزات جانبی Burkert 2518
سیمان آبیک: مبدل یونیورسال مدل PR 4114 و  مبدل – رله کنترلر یونیورسال مدل PR 4116 و مبدل – تقویت کننده یونیورسال PR 4184
انیستیتو پاستور ایران: شیر کنترلی نیوماتیک Burkert 8802
صنایع معدنی فولاد سنگان خراسان: پوزیشنر دیجیتال الکترونیوماتیک Burkert 8792
شیر پگاه زنجان: پوزیشنر دیجیتال الکترونیوماتیک Burkert 8793 و سنسور پوزیشن شیر کنترلی Burkert 8798 و شیر سلونوئیدی دیافراگمی Burkert 6524
شرکت خوشگوار تبریز: شیر دیافراگمی نیوماتیک Burkert 2031 و پوزیشنر دیجیتال الکترونیوماتیک Burkert 8792 و شیر زاویه ای نیوماتیک Burkert 2000 و ست تجهیزات جانبی Burkert DN25
آریا فسفریک جنوب: پوزیشنر دیجیتال الکترونیوماتیک Burkert 8793 و شیر کنترلی نیوماتیک Burkert 8805 و ست تجهیزات جانبی Burkert KT01
کشت و صنعت سلمان فارسی: پروب سنسور pH و ORP مدل Burkert 8203
سیمان اردستان: سنسور هدایت الکتریکی Burkert 8222
شیر پاستوریزه پگاه تهران: شیر زاویه ای نیوماتیک Burkert 2000 و شیر نیوماتیک Burkert 2006
خمیر مایه الکل رازی: شیر سلونوئیدی آرمیچری Burkert 0330 و شیر سلونوئیدی پلانجری Burkert 6014 و  شیر سلونوئیدی نیوماتیک Burkert 6519 و ست تجهیزات جانبی Burkert 2511
تیس چابهار: ترانسمیتر و مبدل دما مدل PR 5331A و ترانسمیتر ضد انفجار دما مدل PR 5331D و ترانسمیتر ترموکوپل مدل PR 5334A و ترانسمیتر دمای هارت PR 5335A
پالایش گاز پارسیان: دیتالاگر و کنترلر CMC-141
سیمان تیس چابهار: دیتالاگر و کنترلر CMC-99

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *