Bioreaktorowe kompendium – przemysłowa produkcja półciągła

Bioreaktor, określany również jako biofermentor, to zaawansowane urządzenie technologiczne, w którym prowadzone są kontrolowane procesy chemiczne i biochemiczne, mające na celu przekształcenie substratów w pożądane produkty końcowe przy udziale mikroorganizmów, enzymów lub komórek zwierzęcych bądź roślinnych.

Bioreaktory przemysłowe z odgrywają ważną rolę w nowoczesnym przemyśle kosmetycznym, umożliwiając produkcję wysokiej jakości składników aktywnych na skalę przemysłową. Dzięki zaawansowanym technologiom, bioreaktory pozwalają na kontrolowane przeprowadzanie procesów biologicznych, co jest niezbędne do uzyskania pożądanych właściwości produktów kosmetycznych.

Rodzaje bioreaktorów przemysłowych

W przemyśle kosmetycznym stosuje się różne typy bioreaktorów przemysłowych, w zależności od specyfiki procesu produkcyjnego. Najczęściej wykorzystywane są bioreaktory typu:

• cykliczny,
• półciągły,
• ciągły.

W tym artykule skupimy się na bioreaktorach z produkcją półciągłą – w wykonaniu ze stali nierdzewnej.

Bioreaktory z produkcją półciągłą

Bioreaktory z produkcją półciągłą umożliwiają powtarzalną produkcję składników kosmetycznych lub farmaceutycznych w ściśle określonych wcześniej cyklach.

Niewątpliwie ich zaletą jest:

• Stała jakość produktu: w zależności od zapotrzebowania dostarczane są składniki odżywcze, co zapewnia stałą jakość produkowanych składników kosmetycznych.
• Wysoka wydajność: poprzez zaawansowane algorytmy użyte do sterowania procesem produkcja pozwala na maksymalizację wydajności, co jest szczególnie istotne w przemyśle, gdzie wymagane są duże ilości składników aktywnych.
• Optymalizacja warunków procesowych: bioreaktory z produkcją półciągłą zaopatrzone są w precyzyjną kontrolę parametrów, co przekłada się na optymalne warunki wzrostu mikroorganizmów.

Pomimo indywidualnego podejścia do każdego z projektów, bioreaktory zwykle posiadają standardowe wyposażenie, z którymi łączą się podstawowe funkcje ich pracy:

• W dennicy dolnej zamontowany jest czujnik temperatury. W zależności od fazy pracy, kontroluje on temperaturę sterylizacji zbiornika lub temperaturę podczas procesu produkcji. Odczyt z czujnika temperatury kontroluje pracę układu grzewczo-chłodzącego, będącego integralną częścią bioreaktora. Dane z czujnika automatycznie włączają sekcję chłodzenia lub grzania, tak aby temperatura wewnątrz bioreaktora była równa temperaturze zadanej przez operatora.
• Biorekatory standardowo wyposażone są również w czujniki do pomiaru pH. Czujniki te przystosowane do CIP (Clean in Place) i SIP (Sterilization in Place). Programowo odczyt z czujni- ka pH skorelowany jest z układem dozowania kwasu lub zasady. Jeżeli podczas produkcji pH będzie niższe od zadanego, program automatycznie uruchomi dozowanie zasady, analogicznie jest w przypadku gdy odczyt będzie wyższy od zadanego, wówczas do bioreaktora automatycznie podawany jest roztwór zasado- wy. Czujniki pH zainstalowane w bioreaktorach mają możliwość dwuetapowej kalibracji zewnętrznej CP 1 i CP 2 oraz jednopunktowej kalibracji CP 6.
• Zainstalowane w bioreaktorach czujniki tlenu pozwalają na po- miar i kontrolę zawartości tlenu wewnątrz produktu podczas produkcji. Odczyt z czujników tlenu umożliwia sterowanie 3- lub 4- stopniowym procesem saturacji. Sterując automatycznie napływem powietrza, obrotami mieszadła lub nadciśnieniem w zbiorniku, program jest w stanie utrzymywać stały poziom tlenu w czasie trwania fermentacji. Czujniki te również przy- stosowane są do mycia w systemie CIP jak SIP oraz posiadają kalibracje CP1 ; CP2 lub CP6.
• Każdy z bioreaktorów wyposażony jest również w inteligentny czujnik piany. Czujniki te „uczone” są przez specjalistów, na ja- ką pianę mają reagować, aby uruchomić dozowania roztworu anypiennego.
• Bioreaktory są standardowo przystosowane do pracy przy ciśnieniu w zakresie od -1 do 3 barów. Ciśnienie mierzone jest za pomocą zainstalowanego czujnika ciśnienia. Czujnik kontroluje system zaworów zainstalowanych na instalacji oddechowej zbiornika.
• W tej instalacji zamontowany jest również dwukierunkowy filtr mikrobiologiczny. Standardowo na oddechu montowane są filtry wyposażone w kapsuły 0,2 mikrona. Filtry są przystosowane do procesu SIP, a zainstalowane na nich niezależne czujniki temperatury, monitorują temperaturę sanityzacji, której czas jest kontrolowany programowo.
• Poza czujnikiem ciśnienia każdy z bioreaktorów, wyposażony jest również w zabezpieczenie mechaniczne chroniące zbiornik przed wzrostem ciśnienia. To zabezpieczenie działa niezależnie od systemu automatyki i składa się z zaworów lub płytek bezpieczeństwa.
• Bioreaktor wyposażony jest w trzypoziomowe mieszadło typu Rushton. Obroty mieszadła regulowane są bezstopniowo, a ich maksymalna wydajność, w zależności od potrzeb klienta może wynosić od 300 do nawet 750 obrotów na minutę. Obroty minimalne są zależne od obrotów maksymalnych, jednakże za- stosowanie napędów z obcym chłodzeniem umożliwia zejście do dość niskich wartość. Standardowo mieszadło wyposażone jest w podwójne uszczelnienie mechaniczne, w którym barierę między produktem a napędem stanowi para czysta bądź kondensat powstały z tej pary.
• Bioreaktor posiada również automatyczny układ podawania powietrza do bełkotki. W zależności od potrzeb produkcji określa się wydajność podawania powietrza 1 – 2 vvm. Zastosowany regulator przepływu, niezależnie od ciśnienia podawanego powietrza, zawsze będzie utrzymywał zadaną wartość w litrach na minutę. Przed wejściem powietrza do bioreaktora, przechodzi on przez filtr mikrobiologiczny, który podobnie jak w przypadku filtra umieszczonego na instalacji oddechowej, przystosowany jest do sterylizacji parą czystą. Zainstalowany czujnik temperatury umożliwia kontrole temperatury SIP, natomiast program zarządza czasem sterylizacji.
• Bioreaktory są również wyposażone w zawory probiercze, połączone z instalacją pary czystej, oraz króćce z automatycznymi zaworami do podawania pożywki i zaszczepienia.
• W zależności od potrzeb produkcyjnych klienta wyposaża się bioreaktor w dodatkowe czujniki do pomiaru glukozy, czujniki gęstości optycznej czy czujniki redoks. Program automatyki jest dostosowywany do obsługi tych czujników, zapewniając pełną integrację z systemem produkcyjnym.

Nie ma dwóch jednakowych bioreaktorów, gdyż każdy klient ma inny produkt i inne potrzeby. Opierając się na bazach i doświadczeniu, dostosowuje się rozwiązania do indywidualnych potrzeb obsługujących.

Zastosowanie bioreaktorów z produkcją półciągłą w przemyśle kosmetycznym

Bioreaktory z produkcją półciągłą są wykorzystywane do produkcji różnorodnych składników kosmetycznych o innej charakterystyce zastosowania:

• Biosurfaktanty: naturalne surfaktanty, takie jak surfaktyna, ramnolipidy i soforolipidy, wykazują działanie przeciwdrobnoustrojowe oraz przeciwutleniające. Są one stosowane w produktach do pielęgnacji skóry i włosów, gdzie pełnią funkcję środków myjących i stabilizujących emulsje.
• Polisacharydy: dekstrany syntetyzowane przez bakterie są stosowane jako środki nawilżające i modyfikatory reologii. W kosmetykach, takich jak kremy i balsamy, poprawiają one teksturę i stabilność produktów, a także zwiększają ich właściwości nawilżające.
• Karotenoidy: beta-karoten i likopen są wykorzystywane jako naturalne barwniki i składniki o działaniu przeciwutleniającym. W kosmetykach, takich jak kremy przeciwsłoneczne i produkty do pielęgnacji skóry, karotenoidy chronią skórę przed szkodliwym działaniem promieni UV i wolnych rodników.
• Kwasy organiczne: kwas mlekowy i kwas cytrynowy są stosowane jako składniki złuszczające i nawilżające. W produktach do pielęgnacji skóry, takich jak peelingi i toniki, kwasy te pomagają usuwać martwe komórki naskórka i poprawiają nawilżenie skóry.
• Aminokwasy i peptydy: składniki o działaniu przeciwstarzeniowym i regenerującym są wykorzystywane w kremach przeciwzmarszczkowych i serum. Stymulują produkcję kolagenu i elastyny, poprawiając elastyczność i jędrność skóry.

W związku z coraz częstszym stosowaniem produktów zawierających biofermenty, przewiduje się dalszy rozwój tej kategorii. Szukanie innowacji w fermentacji, stosowanie nowych szczepów probiotycznych, lepsze dostosowanie się do indywidualnych potrzeb będą skutkować kolejnymi generacjami produktów fermentowanych. Dodatkowo obecne trendy naturalności i ekologii, aby unikać konserwantów i składników syntetycznych, powodują, że można śmiało stwierdzić, że inwestycja w bioreaktor to świetny ruch, jeśli jesteś zarządcą zakładu przemysłowego w branży kosmetycznej.