Tipologie di bioreattore a confronto
La tipologia di un bioreattore si sceglie su tre vincoli, in quest’ordine: la pressione e la temperatura a cui lavora il processo, lo sforzo di taglio che la coltura regge, e il modo in cui si ottiene e si convalida la sterilità. Questa pagina mette a confronto agitato, airlift, bubble column, fotobioreattore, letto fisso e monouso, con i limiti dichiarati di ciascuno.
Le sei tipologie, una per riga
I limiti in tabella sono quelli dichiarati nei datasheet delle serie corrispondenti: sono il criterio di scelta più solido, perché si possono verificare. Le due tipologie che Vinci non produce restano in tabella perché un confronto che le omette non è un confronto.
| Tipologia | Come miscela | Limiti dichiarati | Quando conviene |
|---|---|---|---|
| Agitato in vetro | Meccanica, con girante | 0,5 – 12 L · fino a 1 bar · 80 °C a camicia, 60 °C a coperta · sterilizzazione in autoclave | Sviluppo di processo e screening, quando serve vedere la coltura |
| Agitato in acciaio, da banco | Meccanica, con girante | 1 – 15 L · serie XLP fino a 1 barg e 70 °C, serie XVP e XHP fino a 10 barg e 135 °C | Processi in pressione o ad alta temperatura già al banco, per esempio la fermentazione gassosa |
| Agitato in acciaio, sterilizzabile in situ | Meccanica, con girante | Da 30 L a oltre 1.000 L di volume totale · cicli SIP e CIP integrati · kLa ≥ 200 h⁻¹ | Processi microbici ad alto fabbisogno di ossigeno, ambienti GMP, scale-up verso la produzione |
| Airlift | Pneumatica, con il solo flusso di gas: nessuna girante | 0,5 – 12 L in vetro borosilicato, come configurazione del kit fotobioreattore | Colture che non tollerano lo sforzo di taglio: microalghe, cianobatteri, micelio |
| Fotobioreattore | Pneumatica (airlift) oppure meccanica, a scelta | 0,5 – 12 L · LED multicanale, PAR da 0 a 2.500 µmol/m²·s · da 2 a 70 °C · sensore PAR | Colture fotosintetiche, dove la luce è un parametro di processo come il pH |
| Monouso | Meccanica, con girante | 0,35 – 40 L di volume totale · da 0 a 0,5 barg · da +4 a +50 °C · fino a 12 reattori in parallelo | Cambio rapido fra progetti e nessuna convalida di pulizia: il percorso dei fluidi arriva già sterile |
| Bubble column non prodotto | Pneumatica, senza tubo di risalita: nessuna circolazione imposta | — | Processi a bassa richiesta di miscelazione; Vinci non produce questa tipologia |
| Letto fisso non prodotto | Il liquido attraversa un letto di supporti su cui le cellule aderiscono | — | Cellule adese e perfusione prolungata; Vinci non produce questa tipologia |
I volumi delle tipologie prodotte da Vinci sono volumi totali, come sulle pagine prodotto. Il volume di lavoro è inferiore: sulla pagina scale-up il percorso è espresso in volume di lavoro.
Tre domande, in quest’ordine
A che pressione e a che temperatura lavora il processo?
È il primo filtro, e il più netto: elimina intere tipologie prima di ogni altra considerazione. Oltre 1 bar il vetro esce di scena; oltre 0,5 barg o 50 °C esce il monouso; sopra i 70 °C restano le serie in acciaio progettate per la pressione.
Quanto sforzo di taglio regge la coltura?
Una coltura che non lo regge esclude la girante e porta all’airlift, dove a muovere il liquido è il solo flusso di gas. Una coltura robusta guadagna invece dalla miscelazione più energica di un agitato.
Come si ottiene la sterilità, e chi la convalida?
L’autoclave vincola il volume a quello che ci entra. Il SIP sterilizza il sistema già montato e collegato, ed è la sola strada oltre certi volumi. Il monouso sposta la questione a monte: arriva sterile, e al posto della convalida di pulizia ci sono i certificati di lotto del fornitore.
Quanto ne regge una coltura
Lo sforzo di taglio si quantifica in due modi, che vanno letti insieme: la potenza specifica dissipata nel liquido, in watt per metro cubo, e la velocità periferica della girante, in metri al secondo. Gli intervalli qui sotto non sono valori Vinci: sono ordini di grandezza di letteratura, utili a inquadrare una coltura prima di dimensionare. Ogni ceppo ha la sua sensibilità, e una misura di coppia sul sistema reale dice più di qualsiasi intervallo.
| Coltura | Potenza specifica · velocità periferica | Fonte |
|---|---|---|
| Cellule di mammifero (CHO, HEK293) | 10 – 100 W/m³ · 1 – 2 m/s tipica | Nienow, Cytotechnology 50 (2006) 9–33 |
| Batteri e lieviti | 1 – 5 kW/m³ · 3 – 7 m/s tipica | Doran, Bioprocess Engineering Principles, 2nd ed. |
| Microalghe | La sensibilità varia troppo da specie a specie perché un intervallo unico sia onesto: è la ragione per cui qui si usa l’airlift, che toglie la girante dall’equazione. | |
Sui sistemi Vinci lo sforzo di taglio si misura con il modulo opzionale di coppia, previsto per il monitoraggio di viscosità e shear durante il processo.
Dicci come lavora il processo
Pressione, temperatura, coltura e quantità per lotto: con questi quattro dati la tipologia si restringe a una o due, e il nostro team di ingegneri risponde entro 24 ore.
Domande frequenti
Il volume non si sceglie per primo: si ricava dalla quantità di prodotto per lotto e dalla resa attesa del processo, e si verifica che la tipologia regga pressione, temperatura e sforzo di taglio richiesti. Il percorso Vinci copre da 250 mL a oltre 1.000 L di volume di lavoro su quattro stadi che condividono la piattaforma di controllo, quindi un processo sviluppato al banco si trasferisce senza riscrivere l’automazione.
Entrambi miscelano con il solo flusso di gas, senza girante. L’airlift ha un tubo di risalita che separa la zona in cui il gas sale da quella in cui il liquido ridiscende, e questo impone una circolazione definita: il liquido percorre sempre lo stesso anello. La bubble column non ce l’ha, quindi la miscelazione è meno prevedibile. Vinci produce airlift, non bubble column.
I limiti decidono prima della convenienza: oltre 40 L di volume totale, oltre 0,5 barg o sopra i 50 °C il monouso non è un’opzione e si passa all’acciaio. Sotto quei limiti il monouso conviene dove si cambia spesso progetto, perché elimina la pulizia e la sua convalida; l’acciaio conviene dove lo stesso processo gira a lungo e il costo dei vasi di consumo si accumula.
Per Vinci bioreattore è il termine generale e fermentatore indica un bioreattore configurato per microrganismi: aerazione più spinta, giranti Rushton, più potenza specifica. La differenza sta nella configurazione, non nella macchina — tanto che lo stesso controllore governa entrambi i casi, e i vasi monouso portano le due sigle SUB e SUF sullo stesso recipiente.