A fermentációs technológiában a legelterjedtebbek a kevert típusú bioreaktorok, ezek méretüktől függően tartalmaznak egy vagy több keverőlapátot. A keverés céljai:

  • a komponensek azonos koncentrációjának a kialakítása, a tér minden pontján,
  • részecskék, sejtek szuszpendáltatása a folyadékban,
  • nem elegyedő folyadékokból emulzió készítése,
  • gázbuborékok diszpergáltatása a folyadékban, levegőztetés,
  • hőtranszport segítése a tartály fala és a folyadék között. [Hodúr Cecilia (2011)]

Keverőtípusokat három nagy csoportba sorolhatjuk, az általuk létrehozott áramlás orientációja szerint:

  • axiális,
  • radiális,
  • tangenciális.

Az axiális típusú keverők a folyékony halmazállapotú, kis viszkozitású anyagok viszonylag nagy sebességű keveredését a forgástengellyel párhuzamosan, tengelyirányú (axiális), áramoltással érik el. Ez a függőleges (vertikális) irányú mozgás a forgásiránytól és/vagy a keverőlapátok állásától függően felfelé vagy az edény aljának irányában, lefelé mutató folyadékmozgást biztosít, amely a folyadék oszlop alján és tetején visszafordul. [Dr. Dévay Attila (2013)]

  1. ábra: Négyszárnyú ferde síklapátos-keverő
2. ábra: Háromszárnyú propeller-keverő

radiális típusú keverők folyékony halmazállapotú, kisebb és nagyobb viszkozitású anyagok keverésére szolgálnak. A lapátok a forgási tengellyel párhuzamosak. A kevert közeg áramlása először sugárirányba, majd az edény oldalfalánál vertikálisan fel-, és lefelé irányul, majd visszafordul, szintén axiális irányba. Ezekkel keverőkkel, különösen a folyadék oszlop alsó zónájában nagyobb turbulencia és nyíróhatás érhető el, mint az axiális keverőkkel.[Dr. Dévay Attila (2013)]

3. ábra: Nyitott turbinakeverők 4. ábra: Tárcsás turbinakeverők 5. ábra: Dissolver tárcsás keverő

tangenciális keverők alkalmazása elsősorban kis sűrűségkülönbségű folyadékoknál a hőátadás javítására, szuszpenzióknál az ülepedés megakadályozására, valamint kristályosítás esetén kerülhet számításba.

6. ábra: Lapátkeverő

A fermentációs technológiában a legelterjedtebb keverőtípus a Rushton keverő (baktérium, gomba 0,5L felett), a hatlapfejű turbina keverő (baktérium, gomba 0,5L alatt) és a propeller-keverő főleg emlőssejteknél használatos.

A jFermi 300mL hasznos térfogatú fermentorokba hatlapfejű turbina keverő került, ennek elsősorban gyártástechnológia magyarázata van. CNC megmunkálással POM-C (Polioximetilén) rúdból, ezek a típusú keverők könnyen és gyorsan kivághatóak, így lényegében házon belül bármikor legyárthatóak. A 121oC-on történő gőz sterilizálást jól tűri, belőle inhibitor anyagok nem oldódnak a tápoldatba, a mikroorganizmusok életfolyamatait nem gátolja. Egyetlen hátránya, hogy 5.05 furattal készítve könnyen felszerelhető a keverőszárra, de a hőkezelés következtében a hőtágulás miatt lecsúszik róla, hiába a hernyócsavar. Ezt megelőzvén 4.90-4.95 mm-el furatoljuk, amivel ugyan elejét vesszük a lecsúszásnak, de a felhelyezését a szárra eléggé megnehezíti. Itt majd megvizsgálunk más műanyagokat is. Természetesen a 3D tervek alapján rozsdamentes, vagy saválló acélból is könnyen elkészíthető lenne, ami gyakorlatilag örök életűnek számít, de itt a költségek is megsokszorozódnak, nyilván ez egyedi igényektől, felhasználási területtől függ. 

A Rushton és a propeller típusú keverők 3 tengelyes CNC-vel való megmunkálása már egy kicsit bonyolultabb, így ezeknél SLA típusú 3D nyomtatás jön szóba elsődlegesen, vagy formaöntés. Mivel a bioreaktor prototípus egyes részei FDM nyomtatóval készültek, így adta magát a műszerpark és a technológiai tudás bővítése. SLA nyomtatót már 250-300€ -tól kapunk, ezek a maguk 25-30 μm felbontásukkal tökéletesen megfelelnek erre a célra. 

 

Rushton turbine

6. ábra: Rushton turbine

A fenti videóban egy nyomtatott Rushton turbinát látunk először 1200 rpm, majd 500 rpm keverési sebesség mellett. A legnagyobb probléma a rezinekkel kapcsolatban, hogy a gyártók lényegében semmilyen információt nem adnak meg az összetételükkel kapcsolatban, azonban felhasználási terület szerint tudunk válogatni, vannak hőmérséklet tűrők, rugalmasak, fogászati célra alkalmasak stb. Ezek a keverők egy Elegoo Mars (Resin 3D Printer) nyomtatóval és “Elegoo LCD UV 3D Printing Materials 405 nm Synthetic Rapid Liquid Resin for LCD 3D Printer 500 g Photopolymer, 500g” rezin felhasználásával készültek. A nyomtatási idő kb. 1.5 óra, a tálcán egyszerre kb. 10 keverőlapát fért el. Teszteltük is az elkészült keverőket, többszöri 121oC gőz sterilizációnak vetettük alá, majd több napig vízben 1200 rmp-en keverést végeztünk velük, lényegében semmilyen deformitást nem szenvedtek, a vízfázisba beoldódást nem láttunk. Minimál médiumban sterilizáltuk, majd ebben az oldatban E.coli sejteket növesztettük, a vakokkal összehasonlítva megállapítható volt, hogy a sejtnövekedésre nem volt hatással, a keverőből nem oldódtak ki a mikróbára káros anyagok.  

 

Rushton turbine

 

Rushton turbine

 

 

Hivatkozások

Biológiai rendszerek műszaki folyamatai, Hodúr Cecilia (2011), SZTE JGYPK

https://bioprocessintl.com/analytical/cell-line-development/which-impeller-is-right-for-your-cell-line-183538/

A gyógyszertechnológia alapjai,Dr. Dévay Attila (2013), Pécsi Tudományegyetem Gyógyszertechnológiai és Biofarmáciai Intézet
https://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2011-0016_02_gyogyszertechnologia_alapjai/ch10.html

Photopolymers in 3D printing applications

Leave a Reply

Your email address will not be published.