Automatyzacja bioreaktorów Trzy bioreaktory – od laboratorium po produkcję

Na targach Analytica firma Festo pokazuje, w jaki sposób można zautomatyzować bioreaktory do hodowli alg, bakterii i drożdży. Przedsiębiorstwo prezentuje komponenty i rozwiązania w zakresie obsługi gazów, obsługi cieczy oraz techniki sterowania – od pojedynczego zaworu po gotową do montażu szafę sterowniczą.

Procesy biotechnologiczne stanowią zrównoważoną alternatywę dla tradycyjnych procesów produkcyjnych i umożliwiają wytwarzanie nowych produktów. Na targach Analytica firma Festo w ramach sekcji „Biotech Automation” przedstawia przegląd dostępnych już komponentów i rozwiązań na przykładzie wybranych procesów hodowli. Firma zaprezentuje trzy bioreaktory: bioreaktor pętlowy do hodowli glonów na przykładzie Chlorella vulgaris, reaktor ze stali nierdzewnej do hodowli mikroorganizmów, takich jak E. coli, oraz laboratoryjny reaktor stołowy przeznaczony do celów edukacyjnych i szkoleniowych.

Bioreaktor ze stali nierdzewnej do biotechnologii przemysłowej

Numer 1: bioreaktor ze stali nierdzewnej. Aby mikroorganizmy, takie jak bakterie, glony i drożdże, mogły się idealnie rozwijać i wytwarzać dużą ilość biomasy, w bioreaktorze muszą panować warunki środowiskowe dokładnie dostosowane do ich potrzeb. Wymaga to pomiaru, rejestracji i regulacji wielu parametrów procesowych. Oprócz temperatury i wartości pH kluczową rolę odgrywa stałe dostarczanie składników odżywczych (pożywki płynne), a także precyzyjne natlenianie powietrzem, tlenem lub innymi gazami oraz ich równomierne rozprowadzanie w reaktorze. W tym celu firma Festo oferuje elementy wykonawcze i czujniki, a także rozwiązania z zakresu obsługi gazów, obsługi cieczy, napędów i techniki sterowania (Control) – aż po gotową do montażu szafę sterowniczą.

Bioreaktor ze stali nierdzewnej nadaje się m.in. do hodowli mikroorganizmów, takich jak E. coli, i jest często stosowany w biotechnologii przemysłowej. Do dozowania gazów stosuje się regulatory przepływu masowego VEMD. Oprócz powietrza system dozuje również azot, CO₂ oraz tlen.

W przypadku mediów płynnych firma Festo stosuje metodę „Pressure-Over-Liquid”: proporcjonalny zawór regulacji ciśnienia VEAB wytwarza ciśnienie wstępne w zbiorniku z medium. Dzięki nadciśnieniu medium trafia do reaktora. Zgodnie z informacjami podanymi przez producenta, oddzielony od medium zawór elektromagnetyczny VYKA precyzyjnie reguluje nawet najmniejsze ilości i nadaje się również do substancji agresywnych, takich jak ługi, kwasy i inne chemikalia.

Do regulacji temperatury w reaktorze firma Festo stosuje zawór kulowy VZBD zgodny z wymogami FDA, którego położenie jest regulowane przez siłownik obrotowy DFPD i pozycjoner CMSX. Sterownik CPX-E kontroluje wszystkie elementy reaktora oraz automatycznie reguluje wartość pH, temperaturę i inne czynniki wpływające na wzrost mikroorganizmów. Możliwe jest podłączenie do systemu sterowania za pomocą standardu MTP.

Reaktor algowy wykorzystuje fotosyntezę

Numer 2: reaktor do hodowli glonów. Fotosynteza stanowi kluczowy szlak metaboliczny w procesie wzrostu glonów. W jej trakcie CO₂ przekształca się w cukier, a tlen jest uwalniany. Dwa fotobioreaktory typu Flat-Panel-Airlift (FPA) firmy Subitec, każdy o pojemności sześciu litrów, umożliwiają wydajną hodowlę mikroglonów dzięki optymalnemu wykorzystaniu światła, CO₂ i składników odżywczych. Aplikacja przedstawia dwa sposoby kontrolowanego wprowadzenia gazów: z jednej strony każdy z regulatorów przepływu masowego VEMD – jeden dla powietrza, a drugi dla CO₂ – doprowadza do reaktora dokładnie odpowiednią ilość gazu. Z drugiej strony regulacja dopływu gazów odbywa się za pomocą regulatora ciśnienia VEAA w połączeniu z czujnikiem przepływu SFAH. Czujnik ten mierzy rzeczywistą ilość CO₂ i powietrza.

Pneumatyczny zawór zaciskowy VZQA, przystosowany do kontaktu z żywnością, służy do napełniania i opróżniania reaktora lub do pobierania próbek. Zawory te są sterowane za pomocą nowej wyspy zaworowej VTUX. Moduł CPX-E zapewnia sterowanie i regulację komponentów w reaktorze oraz automatycznie reguluje wartość pH, temperaturę, napowietrzanie i oświetlenie.

Reaktor szkoleniowy do biomechatroniki

Numer 3: „Lernreaktor”. Firma Festo nie tylko z technicznego punktu widzenia stawia czoła wyzwaniom związanym z biologizacją. Jako ważny podmiot wspierający kształcenie i doskonalenie zawodowe w dziedzinie techniki, firma zwraca również uwagę na kwalifikacje, które będą niezbędne w przyszłości. Reaktor edukacyjny stanowi modułową koncepcję obejmującą oprogramowanie i sprzęt edukacyjny służący do nauki podstaw technicznych w dziedzinie biomechatroniki. Na przykładzie procesu biologicznego system przekazuje wiedzę z zakresu elektrotechniki, mechaniki, informatyki oraz procesów biologicznych.

Rozwiązania systemowe dostosowane do indywidualnych potrzeb

Oprócz poszczególnych komponentów firma Festo oferuje również dostosowane do indywidualnych potrzeb rozwiązania systemowe dla bioreaktorów. W ten sposób z wybranych komponentów powstają dostosowane rozwiązania automatyzacyjne, np. w postaci kompletnych szaf sterowniczych. Ponadto możliwe jest tworzenie oprogramowania dostosowanego do potrzeb klienta – od układu sterowania aż po chmurę. Dzięki płynnej integracji systemów oraz możliwości analizy danych w czasie rzeczywistym możliwe jest wydajne i przejrzyste sterowanie procesami.

Analytica 2026: hala B2, stoisko 309