FERM -- Chapter 7: Fermentor Design

Question 1

geschiedenis van fermentaties.

Answer 1

• begin 20ste eeuw: problemen i.v.m. bacteriofagen
• voor 1940: vooral fermentaties die gebeuren in zeer selectieve milieus zoals een zure pH of anaerobe conditities omdat hier minder risico is op contaminatie
• Na ontdekking van penicilline: om penicilline op grote schaal te kunnen produceren was de ontwikkeling van bewuste en zorgvuldig ontworpen reactoren van start gegaan

Question 2

Wat zijn de basisfuncties van fermentoren?

Answer 2

• Moet aseptisch werken en ook zo lang mogelijk aseptisch blijven
• Mogelijkheid voor voldoende beluchting en agitatie (mengen) zonder daarbij de cellen te beschadigen naargelang de vereisten van de cellen
• Zo laag mogelijk verbruik (power)
• T en pH controle
• Staalname tijdens proces moet mogelijk zijn
• Minimale verdampingsverliezen
• Makkelijke werking, leegmaken, schoonmaken en onderhoud
• geschiktheid voor een heel deel processen
• smooth oppervlakken (vermijd voegen door bv. lassen)
• zelfde geometrie als de pilot plant [proeffabriek] (om upscaling te vergemakkelijken)
• Zo goedkoop mogelijk materialen
  {- Elke plant moet beschikken over voldoende service voorzieningen (bv. watertoevoer (koud/warm), elektriciteit, perslucht, …)} -> wat er rond de fermentor nodig is

1 en 2 zijn het belangrijkst

Question 3

Wat is de meest gebruikte fermentor en beschrijf deze (teken eventueel)?

Answer 3

rechtopstaande cilinder met aeratie en agitatiesysteem (kan enkele liters tot enkele duizenden liters zijn)

Vaak mechanische agitatie door 1 tot 3 impellers met meerdere blades

Question 4

Wat zijn de typische dimensies voor fermentoren?

Answer 4

• benchtop voor lab research: 1 tot 30L
• kleine proef (small pilot): 30-75L
• proef (standard pilot): 75-500L
• productie: >500L

Question 5

Aseptische werking.

Answer 5

beschermen tegen contaminatie

Question 6

Containment

Answer 6

Voorkomen van het ontsnappen van levensvatbare cellen uit de fermentor of downstream apparatuur

Question 7

Hoe kunnen we containment analyseren?

Answer 7

• risk assessment: what can go wrong, where are potential hazards and what are these hazards. Procedure ook afhankelijk van soort organisme (vb. normale organismen vs GMO)
• classificatie van het gebruikte organisme in een risicogroep gebasseerd op volgende criteria:
  1. pathogeniciteit
  2. ernstigheid van ziekte
  3. hoeveelheid nodig om ziekte te veroorzaken
  4. wegen langswaar de ziekte kan optreden
  5. frequentie van voorkomen in de gemeenschap
  6. hoeveelheid gebruikt
  7. gebruikte technieken/processen
  8. preventie/behandeling makkelijk of moeilijk
• De juiste vereisten toepassen (voor personeel, omgeving, lab, plant, …)
  Belangrijkste is de veiligheid van het personeel

Question 8

Welke risicoklassen zijn er voor niet-GM-organismen?

Answer 8

Groep 1 tot 4

Question 9

Wat is risicogroep 1 en wat zijn de containment vereisten?

Answer 9

laag risico, microorganisme zal zeer waarschijnlijk geen ziekte veroorzaken in mens/dier.

vereiste: GILSP (Good Industrial Large-Scale Practice) -> dienen aseptisch te gebeuren maar er zijn geen containmentstappen nodig

Question 10

Wat is risicogroep 2 en wat zijn de containment vereisten?

Answer 10

gemiddeld individueel risico. Pathogeen die wel ziekte kan veroorzaken maar zeer waarschijnlijk geen gevaar is voor het personeel. In het lab kan het wel potentieel voor serieuzere infectie zorgen maar er is goede behandeling voor en preventieve maatregelen zijn beschikbaar. Kans op besmetting van anderen is vrij tot zeer klein. (vb. salmonella)

containment level 1

Question 11

Wat is risicogroep 3 en wat zijn de containment vereisten?

Answer 11

Hoog individueel risico. Pathogeen dat serieuze ziekte veroorzaakt maar die niet zo besmettelijk is. En/of waar er eventueel behandelingen voor zijn

containment level 2

Question 12

Wat is risicogroep 4 en wat zijn de containment vereisten?

Answer 12

hoog individueel EN community risico. Pathogeen dat serieuze en besmettelijke ziekte veroorzaakt waarvoor geen goede behandeling of cure bestaat zoals ebola-virus

containment level 3

Question 13

Hoe kan men GMO’s classificeren?

Answer 13

groep I: onschadelijk

groep II: potentieel schadelijk

Deze 2 kunnen we dan nog onderverdelen in kleine schaal A (<10L) en grote schaal B (> 10L)

Dus I-A, I-B, II-A, II-B

De containment levels zijn dan

B1 GILSP (voor I-B); B2, B3 en B4 (voor II-B)

Question 14

Materiaalkeuze concstructie van het vat.

Answer 14

Afhankelijk van de vereisten en de dimensies:

• vereisten: strenge aseptische maatregelen betekent dat het materiaal bv. tegen de hoge temperatuur van de stoom moet kunnen.
• dimensies: bv. glas kan gebruikt worden op kleine schaal maar op grotere schaal is dit te gevaarlijk in verband met de drukken die het moet weerstaan.

Voor grotere schaal wordt er RVS gebruikt al dan niet met coating van bv. epoxy met dikte van de wand afhankelijk van het volume van de tank en de drukken.

Question 15

Verschil temperatuur op verschillende schalen.

Answer 15

Microbiele activiteit en mechanische agitatie zorgen voor warmte. Soms is deze warmte goed genoeg, maar vaak is er teveel of te weinig warmte.

Op kleine schaal: warmteproductie te laag dus moet warmte toegevoegd worden

Op pilot en industriele schaal wordt er wel veel warmte geproduceert en zal koeling nodig zijn door bv koelmantels of coils met bv. water.

Question 16

manieren om verbindingen dicht te maken zoals deksels en kleppen.

Answer 16

Voor glas-glas en glas-metaal aseptische te kunnen verbinden kan men gebruik maken van een rubberen ‘gasket’, een rubberen L vorm of een O-ring
Voor metaal metaal is het de O-ring die geschikt is

Question 17

Wat is het hoofddoel van aeratie?

Answer 17

organismen van voldoende zuurstof voorzien

Question 18

Wat is het hoofddoel van agitatie?

Answer 18

Uniforme verspreiding van de cellen in een homogeen nutrienten medium

Overbrengen van warmte/koude

Question 19

Welke types fermentoren zijn er op basis van hun agitatie?

Answer 19

1. niet-geagiteerde fermentaties – bubble aerators. Bij lage viscositeit zorgen gasbubbels voor agitatie en kan er elektriciteit uitgespaard worden. Typisch 5x hoger dan breed (5:1 H/D resp.)
2. mechanische agitatie.
   Vooral nodig bij viskeuzere media zoals fungale en actinomyceten fermentaties

Question 20

Welke componenten zijn nodig voor aeratie en agitatie?

Answer 20

Impeller
Bearings en afdichtingen
Baffles (panelen gebruikt om stromingen in bepaalde richting doen gaan ofzoiets)
beluchtingssysteem

Question 21

Welke 2 types en welke subtypes van agitators zijn er?

Answer 21

1. Turbines
   - > schijfturbine
   - > bladturbine
   - > variable pitch open turbine
2. propellers

Question 22

Beschrijf de schijfturbine.

Answer 22

een ronde schijf met rechthoekige platen die erop zitten. Deze steken zowel bovenaan als onderaan een beetje uit. Zorgt voor radiale (horizontale) flow die door de baffles worden gedirectioneerd

Question 23

Beschrijf de bladturbine.

Answer 23

Ook een schijf met aan de onderkant rechthoekige platen. Het principe is dat lucht de plaat langs de onderkant raakt waardoor de impeller de lucht radiaal verplaatst

Question 24

Beschrijf de variable pitch open turbine

Answer 24

De blades van de impeller zijn niet rechthoekig en zitten vast op de roerstaaf. Dus niet op een schijf. Het stuurt de vloeistof in de richting van de roerstaaf (axiaal) net zoals propellers

Question 25

Waarvoor zorgen de baffles?

Answer 25

Zodat er geen vortex ontstaat

Question 26

Wat is een sparger?

Answer 26

Toestel dat lucht in het medium brengt (vertaald betekent het sproeier ofzo) Een pijp met miniscule gaatjes (grootte afhankelijk van de viscositeit)

Question 27

Welke types spargers zijn er?

Answer 27

• plaat met porien
• geperforeerde pijpen
• Nozzle

Question 28

Waarvoor zijn aseptische condities nodig en wat zijn de maatregelen?

Answer 28

Om fermentor en zijn inhoud te kunnen steriliseren en steriel te houden.

• fermentor steriliseren
• luchttoevoer en uitlaatgassen steriliseren
• staalname
  (in dit HS)
• aeratie en agitatie
• schuimvorming onder controle houden
• controle over verschillende parameters
  (niet in dit HS)

Question 29

Axenisch

Answer 29

Beschrijft de toestand van een cultuur waarin maar 1 type organisme aanwezig is.

Question 30

Aseptische technieken/condities

Answer 30

Beschrijft de technieken de gebeuren bij steriele condities

Question 31

Hoe kan men aseptisch staal afnemen?

Answer 31

(Teken)
Systeem 1: 3 valves
a. alles toe
b. B en C open voor sterilisatie door stoom
c. B en C klein beetje open en A ook zodat het wat kan afkoelen
d. C dicht en de rest open -> staalname
dan A dicht en B en C terug open voor opnieuw sterilisatie

Systeem 2:
…

Question 32

Kleppen en ventielen (valves)

Answer 32

Verschillende soorten afhankelijk van vereisten.

ALLE valves moeten aseptisch kunnen werken en dus geen dode hoeken bevatten

Question 33

Wat zijn steam traps?

Answer 33

Voor optimale werking moet er steeds het condensaat van de stoom verwijderd worden voor optimale condities.
Steam traps doen exact dit. Dergelijke steam traps dienen geplaatst te worden op punten waar het nodig is.

Question 34

Welke fermentorvaten zijn er?

Answer 34

Klassieke tank
Torenfermentor (continu bierbrouwen)
cilindrokonische tanken (CKT’s worden gebruikt in moderne brouwerijen)
Airlift fermentor (ontworpen voor SCP)
Deep jet fermentor (voor gistproductie)
Cycloonkolom
Gepakte kolom
roterende schijffermentor (gebruikt in afvalwaterbehandeling)
Holle vezelreactor (voor dierlijke celculturen)
…