Farmacja
i Biotechnologia
WĘZEŁ BIOSYNTEZY SKŁADAJĄCY SIĘ Z:
Fermentorów o objętości 30L-300L-3000L, zbiornika na pożywkę o objętości 1000L, zbiorników do korekty pH oraz linii łączącej fermentory ze zbiornikiem zasilającym i stacją mycia CIP.
Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na produkty mikrobiologiczne, które mogą zastąpić nawozy mineralne i środki ochrony roślin w rolnictwie Klient zdecydował się zainwestować w linię biotechnologiczną. Ta inwestycja ma zwiększyć istniejącą produkcję, poprawić wydajność i umożliwić utrzymanie konkurencyjnych cen produktów.
ROLA BIOSTYMULANTÓW W ROLNICTWIE
JAKIE KORZYŚCI NIESIE TAKI PRODUKT
1. Dzięki swoim właściwościom organicznym mogą częściowo zastąpić konwencjonalne nawozy mineralne i chemikalia do ochrony roślin. To oznacza mniej substancji chemicznych w środowisku i zdrowsze, bardziej naturalne produkty rolnicze.
2. Poprawiają jakość gleby: Produkty biologiczne mają pozytywny wpływ na strukturę i skład gleby, zwiększając jej żyzność i zdolność do zatrzymywania wody. To sprawia, że rośliny są bardziej odporne na suszę i ekstremalne warunki pogodowe.
3. Redukują emisję CO2 i zwiększają zawartość węgla organicznego: Poprzez promowanie zdrowej roślinności i poprawę struktury gleby, produkty biologiczne pomagają wychwytywać i magazynować dwutlenek węgla, przyczyniając się do redukcji emisji CO2 i poprawy jakości powietrza.
4. Krótsze łańcuchy dostaw: Ponieważ niektóre produkty biologiczne nie wymagają importu surowców z krajów trzecich, ich produkcja i wykorzystanie skracają łańcuchy dostaw, co zwiększa niezależność i bezpieczeństwo.
LINIA BIOREAKTORÓW
Podstawą projektu było stworzenie linii bioreaktorów składającą się z trzech fermentorów o pojemnościach: 30 L, 300 L i 3000 L, odpowiednio przystosowanych do hodowli różnych gatunków grzybów. Układ pozwala na prowadzenie fermentacji półciągłej w kontrolowanych warunkach wzrostu mikroorganizmów.
Systemy automatyczne monitorują i sterują parametrami takimi jak pH, temperatura i natlenienie, zapewniając optymalne warunki do wzrostu mikroorganizmów. Cała instalacja jest wyposażona w system monitorowania awarii i błędów, umożliwiający szybką reakcję na nieprawidłowości w procesie produkcyjnym. Dodatkowym atutem jest możliwość zdalnego monitorowania i sterowania parametrami pracy linii.
Warto zwrócić uwagę na kompleksowość rozwiązania. Dostarczyliśmy prefabrykowane skidy składające się z bioreaktorów oraz zapewniliśmy asystę przy montażu i uruchomieniu instalacji. To rozwiązanie pozwoliło na szybką implementację technologii oraz optymalizację procesów produkcyjnych.
Ponadto, projekt przewiduje wykorzystanie zaawansowanych metod czyszczenia i sterylizacji, zapewniając higieniczne warunki produkcji. Stacja mycia CIP oraz możliwość sterylizacji parą (SIP) są głównymi elementami utrzymania czystości i bezpieczeństwa produkcji.
PROCES
Proces produkcji będzie opierał się na fermentacji półciągłej, co oznacza, że w trakcie trwania procesu dodawane będą kolejne składniki lub będą odbierane produkty. Istnieją trzy rodzaje procesów fermentacji: nieciągła, półciągła i ciągła. W przypadku fermentacji nieciągłej, wszystkie składniki dodawane są na początku procesu, a następnie wszystkie produkty są odbierane na końcu. Natomiast w fermentacji ciągłej, dodawane są i pobierane składniki równocześnie, przy zachowaniu stałej objętości reaktora. Fermentacja półciągła, która ma być zastosowana w tej instalacji, polega na dodawaniu składników w trakcie procesu bez jednoczesnego pobierania produktów lub na odwrotnie, tj. na pobieraniu produktów bez jednoczesnego dodawania składników.
Instalacja składa się z trzech bioreaktorów o pojemnościach odpowiednio 30 L, 300 L i 3000 L, oraz zbiornika o pojemności 1000 L na pożywkę. Proces przygotowania i sterylizacji pożywki odbywać się będzie w ostatnim wymienionym zbiorniku, który pełnić będzie funkcję dokarmiania dla pozostałych bioreaktorów. W zależności od potrzeb mikroorganizmów, pożywka może być przygotowywana z różnych rodzajów cukrów, zazwyczaj glukozy.
Cykl produkcyjny rozpoczyna się od przygotowania instalacji, która musi być czysta, sterylna i pusta. Następnie w zbiorniku przeznaczonym na pożywkę rozrabiana i sterylizowana jest odpowiednia ilość pożywki. Pożywka jest następnie przepompowywana do bioreaktorów w odpowiednich proporcjach, uwzględniając wymagania procesowe każdego z nich.
W laboratorium przygotowywane jest także „inoculum”, czyli zastrzyk mikroorganizmów do hodowli, o bardzo dużym stężeniu. Początkowo fermentacja rozpoczyna się od małych objętości, które stopniowo zwiększane są do kolejnych większych bioreaktorów. Jest to konieczne, ponieważ bezpośrednie rozpoczęcie hodowli w większych objętościach nie pozwoli na odpowiedni wzrost i rozmnażanie się mikroorganizmów.
Po dodaniu „inoculum” do zawartości najmniejszego bioreaktora, rozpoczyna się proces fermentacji. Zawartość bioreaktora jest stale mieszana i napowietrzana za pomocą sterylnego sprężonego powietrza, jeśli jest to wymagane przez dany gatunek mikroorganizmów, zapewniając odpowiednie warunki do wzrostu grzybów i produkcji pożądanych substancji. Instalacja wyposażona jest także w stację mycia CIP (Clean-in-Place), która umożliwia skuteczne oczyszczenie i dezynfekcję wszystkich elementów po zakończeniu procesu produkcyjnego. Dodatkowo, system regulacji pH oraz inne urządzenia kontrolno-pomiarowe zapewniają optymalne warunki procesowe i monitorują postęp produkcji.
Następnie zawartość jest ogrzewana do określonej temperatury, najczęściej około 37 stopni, przy użyciu modułu grzewczo-chłodzącego TCU. Moduł ten wyposażony jest w wymiennik ciepła na parę grzejną i w wymiennik ciepła na wodę chłodzącą. Monitoring procesu obejmuje kontrolę natlenienia za pomocą sondy tlenowej O2, kontrolę pH oraz temperatury. Główne parametry procesu są monitorowane i kontrolowane, aby zapewnić optymalne warunki dla wzrostu mikroorganizmów.
W przypadku konieczności korekty pH, stosowany jest system kontroli pH, który dostarcza rozcieńczony kwas lub zasadę w zależności od wymagań procesowych. System ten składa się z dwóch zbiorników po 200 L z kwasem i zasadą, które krążą w pętli pod ciśnieniem. W momencie, gdy występuje potrzeba korekty pH w którymś z bioreaktorów, otwierany jest zawór, umożliwiając dozowanie odpowiedniej ilości kwasu lub zasady.
Całość procesu jest kontrolowana za pomocą systemu automatyki, który skupia się w jeden system z dużym panelem dotykowym HMI. System ten umożliwia wizualizację procesu, wybór programów oraz informowanie o błędach i awariach. Dodatkowo, istnieje opcja monitorowania procesu zdalnie przez telefon.
System automatyki będzie monitorował i kontrolował różne aspekty procesu, takie jak napowietrzenie, ilość dostarczanego powietrza, szybkość obrotów mieszadeł czy ilość pożywki. Będzie dostosowywał te parametry w zależności od potrzeb procesu i rodzaju mikroorganizmów.
Proces fermentacji trwa przez wiele dni, ponieważ biologiczne procesy zachodzą powoli. Cały cykl produkcyjny, czyli jedna szarża, trwa tydzień, co oznacza, że technolog nie będzie dostępny 24 godziny na dobę. Klient życzy sobie otrzymywać informacje o ewentualnych problemach o dowolnej porze dnia i nocy, dlatego system będzie wysyłał powiadomienia na komórkę, a pracownicy danej zmiany będą odpowiedzialni za monitorowanie procesu i podejmowanie decyzji w razie potrzeby.
Stacja kontroli pH oraz środek antypienny będą czuwać nad odpowiednimi parametrami procesu. Środek antypienny będzie dozowany zarówno na początku procesu, aby zapobiec pienieniu się, jak i w trakcie mieszania i napowietrzania, w zależności od sygnału czujnika piany.
Po zakończeniu hodowli w bioreaktorze, gdzie komórki mikroorganizmów się rozmnożyły, Klient będzie mógł pobrać próbkę do analizy w dowolnej chwili, korzystając z zaworu probierczego. Przesył zawartości z bioreaktora mniejszego do większego będzie dokonywany ciśnieniowo, a nie za pomocą pompy, aby uniknąć uszkodzenia mikroorganizmów.
W kolejnym, większym bioreaktorze proces będzie kontynuowany, przy wzroście objętości, bez konieczności dodawania inoculum, ponieważ zawartość zostanie przeniesiona z mniejszego bioreaktora. Cały proces będzie monitorowany i kontrolowany w celu zapewnienia optymalnych warunków dla wzrostu mikroorganizmów i efektywnej produkcji.
GŁÓWNE FUNKCJE
Dodatkowe funkcje systemu bioreaktorów obejmują:
- Pomiar napełnienia zbiorników na podstawie wagi: Każdy z 4 zbiorników jest umieszczony na wagach tensometrycznych, co pozwala na dokładne określenie poziomu napełnienia. To zapewnia wysoką precyzję w procesie odważania i pomiaru, co jest kluczowe w takich procesach.
- Pośrednie ogrzewanie bioreaktora parą poprzez wymiennik ciepła: Dzięki tej funkcji para nie będzie bezpośrednio podawana do płaszcza podczas podgrzewania zawartości bioreaktora podczas procesu. Eliminuje to gwałtowne różnice temperatur, które mogą zaszkodzić mikroorganizmom. Jest to istotne w przypadku fermentacji, gdzie temperatura musi być kontrolowana równomiernie, aby zapobiec uszkodzeniu mikroorganizmów.
- Możliwość sterylizacji zawartości w bioreaktorze: Klient wymagał możliwości sterylizacji zawartości bioreaktora poprzez bezpośrednie podawanie (nastrzyk) pary na płaszcz, co umożliwia sterylizację zawartości w odpowiedniej temperaturze(ok. 121 stopni) przez odpowiedni czas.
- Stacja mycia CIP (Clean-in-Place): System obejmuje stację mycia CIP, która umożliwia automatyczne czyszczenie całej instalacji, w tym zbiorników procesowych, rurociągów transferowych oraz zbiorników na środki myjące (kwas i zasada).
- Recyrkulacja popłuczyn: System umożliwia zbieranie popłuczyn i ich recyrkulację, co pozwala na oszczędność wody poprzez ponowne jej wykorzystanie w kolejnym procesie mycia.
- Możliwość sterylizacji za pomocą pary (SIP – Steam-in-Place): Cała instalacja ma możliwość sterylizacji za pomocą pary, co jest standardową procedurą w biotechnologicznych instalacjach.
Te dodatkowe funkcje zapewniają wysoką kontrolę procesu oraz efektywność operacyjną całej instalacji, spełniając wymagania klienta oraz standardy branżowe. Dodatkowo, system został zoptymalizowany pod kątem oszczędności energii i wody, co wpływa pozytywnie na zrównoważony charakter działalności.
KORZYŚCI DLA KLIENTA
- Zwiększenie skali produkcji: Pozwala na zwiększenie produkcji nawozów i innych dodatków, co przyczynia się do rozwoju biznesu klienta.
- Automatyzacja i skrócenie czasu produkcji: Proces został zautomatyzowany, co skraca czas produkcji i zwiększa efektywność operacyjną.
- Testowanie większych objętości: Instalacja umożliwia skalowanie do większych objętości produkcji nowych szczepów i produktów, co wspiera badania i rozwój klienta.
- Optymalizacja procesów: Dzięki możliwości przesłania zawartości z bioreaktora 300 L bezpośrednio na wirówkę i suszarnię rozpyłową przy pominięciu bioreaktora 3000 L, proces produkcji jest bardziej elastyczny i optymalny.
- Standardowe procedury czyszczenia i sterylizacji: Po każdym procesie produkcji instalacja jest automatycznie czyszczona i poddawana sterylizacji, co zapewnia zachowanie wysokich standardów higienicznych.
- Innowacyjne rozwiązania techniczne: Zbiorniki na pożywkę i bioreaktor 3000 L są wyposażone w płaszcz grzewczo-chłodzący typu Pillow Plate dla lepszej wymiany ciepła, a także dostępne są różne mechanizmy otwierania i dostępu, takie jak włazy rewizyjne, automatyczne podnoszenie pokrywy czy pomost obsługowy, co ułatwia obsługę i utrzymanie instalacji.
- Czysta para: Dostarczony filtr oczyszczający konwertuje parę techniczną na parę czystą, co pomaga w utrzymaniu czystości i jakości procesów bez konieczności inwestowania w drogie generatory pary czystej.
Te korzyści sprawiają, że instalacja nie tylko poprawia wydajność i efektywność produkcji, ale także zapewnia wysokie standardy higieniczne oraz elastyczność w dostosowywaniu się do zmieniających się potrzeb i warunków rynkowych
