GRYF XBase bioSTAR 1

Malý laboratorní fermentor

je nový výrobek v jehož koncepci jsou zhodnoceny mnohaleté zkušenosti . Jeho návrh vzešel z praktické realizace a výroby obdobných jednoúčelových zařízení.

Spolehlivost

Biologický fermentor  bioSTAR je určen pro vědecké a výzkumné účely, pro kultivaci malých objemů. Jeho konstrukce vychází ze  zkušeností s konstrukcí obdobných jednoúčelových zařízení. Využívá časem prověřené materiály a postupy doplněné o nové moderní prvky,  především  software pro řízení, záznam a zpracování měřených dat který je rozšířenou verzí  měřicího systému  XBC. Fermentor je stavebnicový systém.

Všechny prvky použité na výrobu byly vybrány s velkou pečlivostí a snahou o zajištění  maximální spolehlivosti, dlouhé životnosti a jednoduché obsluhy. Všechny použité konstrukční prvky , jejich funkce, vč. funkce kompletního  zařízen,í prochází přísnou kontrolou.

Přehlednost

Zapojení fermentoru  bioSTAR je jednoduché a přehledné. Všechny průchody do fermentoru jsou v poklopu, propojovací kabely jsou nejkratší cestou zapojeny do panelu fermentoru a nebrání uživateli v obsluze. Kdykoliv lze vyjmout nádobu fermentoru bez nutnosti odstrojení příslušenství. Dávkovací čerpadla jsou součástí ovládacích panelů (bez vnějších připojovacích kabelů). Propojení čerpadel s nádobou fermentoru a zásobníky reagencií je provedeno silikonovými sterilizovatelnými a aoutoklávovatelnými hadičkami. Propojení počítače s panelem fermentoru je provedeno jedním signálním kabelem (RS485 + USB)

Všestranné využití

Jako většina výrobků  GRYF je i fermentor  bioSTAR stavebnicový systém.

Je možné:

• libovolně měnit počet  kombinovaných průchodů za jiné vč. změny průměrů
• přidat další dávkovací čerpadla, kombinovat jejich výkony (objem/čas, velikost dávky)
• měřit další elektrochemické nebo fyzikální veličiny, vč. složení výstupních plynů
• měnit aerační prvky a elementy zajišťující homogenizaci (míchání)
• změnit z rotačního systému homogenizace  na lineární s nastavitelným zdvihem, výměnou míchadla za aktuátor (šetrná homogenizace)
• měření hladiny fermentoru kapacitním snímačem umístěným vně nádoby

Fermentor lze využít pro vsádkový i kontinuální režim kultivace.

Zkušenosti firmy GRYF s vývojem speciálních jednoúčelových zařízení otvírá nové možnosti pro zvýšení užitné hodnoty fermentoru  a to na  vysoké technické úrovni.

Komfort obsluhy

Všechny procesy je možné ovládat přímo z PC buď v automatickém nebo manuálním režimu.

Proces fermentace je možné sledovat i mimo pracoviště v rámci místní počítačové sítě nebo internetu. Na základě požadavků lze doplnit stávající systém o další funkce nadstavbou hardwaru i softwaru. Některé funkce jako např. odvzdušnění a natažení kapaliny do dávkovacího čerpadla lze provést manuálně v předem nastavitelném režimu.

Popis fermentoru GRYF bioSTAR 1

Fermentor se skládá z několika základních částí:

• Sterilní nádoba fermentoru  vč. příslušenství
• Systém temperace pro topení a chlazení
• Míchadlo z pohonnou jednotkou
• Dva ovládací panely s čerpadly a dalším příslušenstvím
• Kompresor
• PC vč. řídícího sofrwaru
• Měřicí systém

Na ovládacích panelech jsou z přední strany umístěny všechny potřebné ovládací prvky.

Na zadní straně ovládacích panelů jsou umístěny prvky měření a automatizace, přístupné pod průhlednými dvířky (pouze pro servis). Ze zadní strany jsou přivedeny všechny přívody a kabelové přípoje.

Nádoba fermentoru - výrobce Kavalier Sázava.  Nádoba je vyrobena z borosilikátového skla, válcového tvaru s rovným dnem se zaoblenými hranami. Rovné dno zajišťuje dostatečný tepelný přechodu pro ohřev a chlazení fermentoru. Poklop je z nerez oceli, těsnění mezi nádobou  a nerez poklopem je silikon kaučukový O kroužek. Hermetické uzavření je zajištěno originální sponou z materiálu nerez dodávanou výrobcem nádoby.

Velikost nádoby (objem nádoby fermentoru) je dán jeho základnou – průměrem 112 mm a max. zástavnou výškou nádoby 280 mm. Základní verze využívá nádobu  s využitelným objemem 500 -1000 ml (čistý objem 1260 ml). Výška nádoby  je 175 mm. Nádoba má objemové značení po 250ml.

Poklop fermentoru je vybaven průchody z matriálu nerez nebo PVDF s těsnícím elementem ze silikon kaučuku  a převlečnou matkou pro utažení. V případě, že nejsou průchody osazeny příslušenstvím jsou zaslepeny ucpávkami. Těsnost průchodů je zajištěna s velkou rezervou do tlaku 8(nerez)/4(PVDF) barů. Všechny prvky průchodů je možné zatížit trvale do teploty  150°C.

Poklop fermentoru má celkem 6 průchodů.

3 samostatné průchody „A1, A2, A3“ pro osazení  a upevnění příslušenství o průměr 12 mm,  

• elektroda pro měření pH
• elektroda pro měření  pO2
• sonda pro měření zákalu

Po vložení sondy a jejím usazení ve správné úrovni je její tělo zaaretováno převlečnou matkou, která přitlačí silikonový těsnící element k sondě a hermeticky otvor uzavře.

 1 průchod „B1“ pro průměr 8mm/6mm

• odvod plynů vracení kondenzátu

1 kombinovaný průchod „C1“  6x 3,5 mm (5 nerezové kanyly pro kapaliny, 1x aerace)

• příkrm
• očkování
• sběr, odebírání vzorků
• dávkování přípravku antifoam
• aerace

1 kombinovaný průchod „C2“ 2x 5 (4)mm

• teplotní senzor
• 1x rezerva

Všechna vložená příslušenství se v průchodu zajistí utažením převlečné matky.

Uprostřed poklopu je umístěn dělicí element magnetické spojky, který zajišťuje hermetický náhon míchadla.

 Kompletní sestava nádoby vč. průchodů a dělicího elementu magnetické spojky je atoklávovatelná.

Kanyly

Jsou vyrobeny z nerezové tenkostěnné trubičky průměru 3-3,5 mm. Na konci jsou zakončeny olivkou s převlečnou matkou pro připojení hadičky. Materiál nerez/plast odolný teplotě min. 135°C. Na požadavek uživatele můžou být rozměry kanyl přizpůsobeny jeho potřebám.

Kanyly jsou autoklávovatelné společně s nádobou fermentor.

K1 - nejdelší kanyla končící u dna                 -  odběr vzorků (sklízení)

K2 - kanyla konec na úrovni hladiny             -  očkování

K3 - kanyla konec nad hladinou                    -  odpěňování

K4 - kanyla konec ve spodní části                 -  dávkování reagencie pro úpravu pH

K5 - volitelné                                                      -  příkrm

K6 - volitelné                                                      -  přívod aerace

Temperace

je zajištěna výkonným Peltierovým článkem. Možný teplotní rozsah 0 -70°C. Pracovní rozsah regulace teploty 10-60°C, nastavení s rozlišením 0,1°C. Rozdíl teploty v oblasti chlazení oproti okolní teplotě při plném výkonu je Δ t max. 19°C.  Při procesu chlazení je možné pro urychlení temperace do ustálení  teploty použít na nádobu fermentoru tepelně izolační materiál (pěnový kruh).  Přebytečné teplo vyráběné peltierovým článkem je odváděno aktivním odvětráním zadní částí podstavce fermentoru. Teplotní senzor pro řízení temperace je umístěn spolu s dalšími senzory uvnitř fementoru (průchod C2). Provední nerez. Autoklávovatelný.

Nastavená i skutečná teplota je zobrazena na monitoru počítače.

Míchání – homogenizace obsahu fermentoru.   Míchací zařízení je mechanické - nerezová hřídel, na kterou je možé umístit turbínky s radiálním i axiálním tlakem na kapalinu. Turbínky pracují v oblasti laminárním proudění. Typ turbínky a umístění závisí na rozhodnutí uživatele. Na jednu hřídel, při plném objemu (1000ml), je možné umístit až tři turbínky. Výkon motoru míchadla dodaný turbínce roste v závislosti na průměru  a jeho otáčkách.

Empirický vzorec pro orientační výpočet  příkonu míchadla pro laminární míchání kapalin:

                                        N = A . d3 . n2 .  η

N = příkon míchadla,  A = součinitel typu míchadla, d = průměr míchadla,  n = počet otáček,      

 η = viskozita kapaliny

 Max. průměr při použití jedné turbínky (standartní geometrický tvar) při 200ot/min je 70 mm. Míchadlo je možno doplnit o  nově uživatelsky navržené geometrické tvary turbínek (laserem vyříznutelné i složité tvary)

Všechny díly týkající se míchání umístěné uvnitř fermentoru jsou autoklávovatelné.

Hnací jednotka míchadla je DC motor s planetovou převodovkou, řízený  PWM (pulzně šířkovou modulací) v rozsahu 0 -240 ot/min.  Propojení hnací jednotky s míchadlem je magnetickou spojkou. Kroutící moment 1 Nm při 200 ot/min. S nižšími otáčkami díky řídící elektronice kroutící moment roste. Hnací jednotka je vybavena enkodérem pro přesné sledování  nastavených otáček.

Uživatel si může po konzultaci s dodavatelem vybrat jiný rozsah otáček míchadla.

Otáčky míchadla jsou zobrazeny na monitoru počítače.

Hnací jednotka míchadla je umístěna na vodící tyči a lze ji kdykoliv vysunout a odpojit od magnetické spojky. Propojení unašeče magnetické spojky s hřídelí hnací jednotky je mechanickou rychlospojkou.

Aerace – Zdrojem vzduchu je malý bezolejový tichý laboratorní kompresor (hlučnost pod 50 dB). Na výstupu je umístěn bakteriální filtr pro  filtrace pevných částic a případného malého množství suspendované kapaliny v plynu.  Provedení AA:  účinnost při úrovni filtrace 0,01m:  99,9999+%                                    

Objem dávkování vzduchu je řízen proporcionálním  ventilem s hmotnostním průtokoměrem. Průtokoměr s regulačním ventilem je součástí každého fermentoru. Uživatelsky nastavitelný rozsah  z oboru 0 -5 l/min. je regulován v rozsahu 0 - 100%.  Dávka je plynule řízená podle měřené a požadované hodnoty parciálního tlaku pO2nebo manuálně. Průtok je zaznamenáván měřicím systémem a je zobrazen na monitoru.

Aerační element je standartního provedení - kruh nebo membrána s tryskami umístěná ve spodní části nádoby. Materiál nerez, autoklávovatelný.

Systém aerace je možné doplnit o  nové aerační prvky navržené uživatelem.

Propojení zdroje regulovaného čistého vzduchu s nádobou fermentoru je silikonovou hadičkou. Z preventivních důvodů (pro zabránění případné kontaminace) je třeba na vstup fermentoru připojit jednorázový antibakteriální filtr.

Dávkování - peristaltická dávkovací čerpadla

WELCO - Japonský výrobce. Precizní čerpadla s opěrnou dráhou, s dvěma nebo čtyřmi rolnami, s dostatečně plynulou dávkou, řízené krokovým motorkem. Krokový motor umožňuje dávkovat i velmi malé dávky. Dávkovací čerpadla jsou zabudována přímo do panelu fermentoru.K dispozici je velký výběr hadiček různých průměrů a chemické odolnosti.Viz tabulka. V automatickém provozu lze čerpadla nastavit do dvou základních režimů:

1.  dávkování v rozsahu 0-100% v předem nastaveném oboru z max. rozsahu čerpadla    řízené z PC
2.  režimu „dávka“- nastavení opakovatelné dávky (např. dávkování odpěňovače aj..) řízené z PC

Dávkovací čerpadla jsou proporcionálně řízena z PC na základě vyhodnocení řídícího systému. Jedna otáčka =12 800 kroků.

Dávkovací čerpadla lze ovládat také manuálně (tlačítkem) s funkcí odvzdušnění a natažení kapaliny. Mechanickým přepínačem  na panelu lze nastavit 10 úrovní výkonu (otáček) pro manuální provoz. Spuštění manuálního provozu má přednost před automatickým řízením z PC a je nezávislé na stavu aut. řízení fermentoru.

Každému čerpadlu lze mimo jiné přiřadit funkci „Integrátor“ (nová funkce software  XBC). Tato funkce zajistí sledování spotřeby reagencií v daném časovém úseku.

Sledováním spotřeby reagencie pro úpravu pH je možné podle dané kultury nepřímo sledovat i objem růstu kultivovaných mikroorganismů a nahradit tím měření zákalu.

Hnací hadičky dávkovacích čerpadel jsou autoklávovatelné.

Podrobnější informace viz  příloha č. 10

Funkce dávkovacích čerpadel

DČ 1  krmení

20 ot/min, 12800 kroků/ot

Hadička typ:                          PHARMED BPT       světlost 3,2 mm

Max dávka/min                      10 ml/min

Dávka/otáčka                         0,5 ml

Předvolba                               10 ml/min

DČ 2  úprava pH

20 ot/min

Hadička typ: dle zadání

Max dávka/min

Dávka na jeden krok

Předvolba: podle zadání uživatele

DČ 3  dávkování přípravku antifoam

20 ot/min, 12800 kroků/ot.

Hadička typ: dle zadání

Max dávka/min

Dávka na jeden krok

Předvolba: výběr hadičky a nastavení bude přizpůsobeno požadavkům uživatele

DČ 4  rezerva

DČ 5  sběr, odběr vzorků

0-150 ot/min, 1600 kroků/ot.

Hadička typ: dle zadání

Max dávka/min

Dávka na jeden krok

Předvolba: výběr hadičky a nastavení bude přizpůsobeno požadavkům uživatele

Vývěva

Spouštění je prováděno manuálně, regulace sání je ovládáno regulačním ventilem. Při odsávání kapaliny z fermentoru do sběrné nádoby je třeba sledovat hladinu, aby nedošlo k vniknutí kapaliny do vývěvy.

Měření výšky hladin

Sledování výšky hladiny je prováděno nerezovými elektricky vodivými kanylami umístěnými v reaktoru. Nejníže umístěná kanyla (K1) je jeden kontakt „vodivostní elektrody“. Druhý kontakt tvoří kanyla (K2) umístěná ve výšce hladiny, Zakončení třetí kanyly (K3) je umístěno nad hladinou, ve výšce, kde je předpokládán vzestup pěny. Využité kanyly jsou vodivě propojeny jedním společným kabelem na panel reaktoru. Signál o úrovni hladiny je předán do PC k vyhodnocení.

Krmení, automatické udržování hladiny

Tyto funkce spolu přímo souvisí. Pokud není stanoveno jinak, je hladina fermentoru udržována doplňováním živného roztoku. Na základě informace z vodivostní sondy je řízeno dávkovací čerpado a doplňována hladina na danou úroveň. Tato funkce pracuje v režimu ON/OFF.

Automatické odpěňování (antifoam)

Obdobně jako při udržování hladiny je využívána třetí vodivostní sonda pro měření vzniku pěny. Při dosažení úrovně pěny k vodivostní elektrodě je vyhodnocen signál a automaticky sepne dávkovací čerpadlo, které dopraví do reaktoru předem definovaný objem odpěňovače. Pokud je použit vhodný selektivní odpěňovač, pěna poklesne a signál je neaktivní. Při dalším zvednutí pěny se proces opakuje. Odpěňování je možné také spustit manuálně podržením tlačítka na příslušném dávkovacím čerpadle. Tento zásah nemá vliv na proces automatické spuštění dávky.

Sklízení, odběr vzorku

Vybavení fermentoru umožňuje několik způsobů odběru kultivovaného media.

Odběr je prováděn z nejníže  položené kanyly.

1. s využitím peristaltického čerpadla
2. s využitím zdroje vakua (vakuové pumpy), který je součástí výbavy fermentoru

a)      odběr do pomocné nádobky s následným přepuštěním do cílové nádoby

b)      odběr přímo do odběrné cílové nádoby

1.  Manuální odběr do pomocné nádobky pomocí injekční stříkačky

Očkování

Je možné provádět kanylou 2, jejíž konec je umístěn na hladině  Na kanyle je šroubení se silikonovou ucpávkou bránící kontaminaci. Tuto přepážku je třeba překonat injekční jehlou. Po ukončení očkování je třeba kanylu opět uzavřít.

Odvod plynů z reaktoru

Je zajištěn samostatnou průchodkou v poklopu fermentoru (B1). Na výstupu je umístěn malý skleněný chladič zajišťující kondenzaci par a vracení kondenzátu do objemu reaktoru. Na chladič je možné připojit zdroj studené vody.  Pro běžný provoz může dostačovat povrch stěn chladiče a okolní teplota. Výstup z chladiče je třeba osadit antibakteriálním filtrem.

Výstup je možné využít pro měření složení výstupního plynu (měření O2, CO, CO2, CH2, H2S, aj..). Měření složení plynu není součástí základní výbavy (nadstandartní výbava).

Měřicí systém

Pro měření elektrochemických a fyzikálních veličin vč. akčních členů regulace je využit  hardware a software měřicího systému  XBC.

Podrobný popis: viz manuál

Měření pH  a řízení dávky regencií pro úpravu pH

pH elektroda je umístěna v reaktoru a upevněna v průchodu nerezového poklopu. Konektor elektrody je připojen do panelu fermentoru. Signál elektrody zpracovává modul měřicího systému  XBC (měřicí hlavice) jsou umístěný v panelu fermentoru.  Informace o naměřeném pH jsou předány do PC, kde jsou vyhodnoceny a podle nastavených kritérií je prováděn akční zásah čerpadlem DČ1  k úpravě pH, viz podrobný popis manuál  XBC /nastavení výstupů/.

Použitý typ pH elektrody: Mettler Toledo  InPro3253/120/Pt1000 -  elektroda je sterilizovatelná i autoklávovatelná.

Podrobný popis: viz příloha č.1

Měření parciálního tlaku pO2 a řízení aerace

Elektroda pro měření pO2  je umístěna ve fermentoru stejným způsobem jako pH elektroda.

Signál elektrody zpracovává modul měřicího systému  XBC (měřicí hlavice) umístěný v panelu fermentoru.  Informace o naměřeném koncentraci pO2 jsou předány do PC, kde jsou vyhodnoceny a podle nastavených kritérií je prováděn akční zásah. Řízení dávky vzduchu je pomocí proporcionálního ventilu s hmotnostním průtokoměrem, viz odstavec „Aerace“ podrobný popis manuál  XBC /nastavení výstupů/

Použitý typ elektrody: Mettler Toledo InPro6800/12/120 -  elektroda je sterilizovatelná i autoklávovatelná.

Podrobný popis: viz příloha č. 2.

Měření zákalu

Pro měření zákalu je použit stacionární přístroj se sondou od firmy Mettler Toledo

Transmitter typ TRB 8300

Sonda InPro8200/S/Kalrez-FDA/120 3.1

Podrobný popis: viz příloha č. 3 - manuál k měření zákalu

Sonda pro měření zákalu má průměr 12 mm a lze ji připojit k fermentoru pomocí univerzálního průchodu pro příslušenství 12mm, např, A3. V případě, že není sonda  umístěna na fermentoru od začátku procesu, je ji možné vsunout do fermentoru pomocí již výše zmíněné průchodky. I když je elektroda sterilizovatelná, hrozí zde při otevření průchodu kontaminace obsahu fermentoru. Druhou možností je odběr ztraceného vzorku, ve kterém je měření provedeno. Při trvalém připojení sondy zákalu je možné sondu připojit k měřicímu systému  XBC jako jiné sondy a elektrody s využitím plného komfortu tohoto měřicího systému s možností řídit hustotu kultivované biomasy.

Podrobný popis: viz příloha č. 4 – příručka Magic XBC

Software

Pro řízení fermentoru je využit měřicí systém  XBC s nadstavbami Klient – vzdálený dohled a Graphs – práce s grafy v reálném čase. Ke každému fermentoru je samostatné instalační CD s příslušným softwarem.

Seznam softwaru na jednom CD:

•  XBC                verze  0.93 a vyšší      1 licence
•  XBC klient      verze  1.0 a vyšší        multilicence
•  XBC graphs    verze   1.4 a vyšší       multilicence
• Textové soubory        manuály k příslušnému software
• Textový soubor          návod k obsluze a údržbě, pokyny pro servis

I když stávající software  XBC bezproblémově zvládne řízení fermentoru v daném rozsahu, bude zdarma doplněn o nadstavbu - funkce „integrátor“ a „dávka“ (funkce pro dokonalejší řízení a ovládání davkovacích čerpadel s vyhodnocením objemů dávek).

Vzhledem k tomu, že se základní software stále vyvíjí, může být dodána vyšší verze.

Součástí dodávky je  instalace software na dodané PC. Podrobný popis daného software viz přílohy č. 4, 5, 6

Seznam zobrazených veličin na monitoru

Na hlavním panelu                           podmíněně s nastavením                 jednotka

Měření teploty fermentoru                Nastavená teplota                              °C

Měření pH                                           Nastavené pH                                      pH

Měření pO2                                         Nastavený pO2                                    mg/l

Průtok vzduchu - aerace                   ml/min            

Zákal                                                                                                                    FTU

Otáčky míchadla                                                                                                n/min

Počítačová sestava

Jako dodavatel byl zvolen renomovaný výrobce počítačů společnost AT Computers. Tato firma dodává počítače pro dceřinou společnost Autocont a mnoho jiných po celé ČR. Díky tomuto dodavateli můžeme garantovat vysokou spolehlivost zařízení a rychlou reakci v případě problémů s hardwarem i softwarem. 

Provedení

Skříň midi InWin EA-009 černo/stříbrná (rozměry: 190š x 445h x 415v). základní deska s čipsetem P43.

Klávesnice USB

Myš optická USB

Karta RS485 pro komunikaci a ovládání fermentorů

Součástí dodávky PC od výrobce je následující software:

Originální Microsoft Windows 7 Professional CZ

Office Home and Business 2010 DOEM CZ

Podrobný technický popis viz příloha 7.

Monitor

22" LCD Acer E220HQb -50 000:1,5ms,Full HD,černý

Barva šasi: Černá

Podrobný technický popis viz příloha č.8 Autoklávování

Provádí se standardním postupem. Je třeba zajistit všechny neosazené průchody záslepkami, elektrody a čidla opatřit ochrannou krytkou konektorů, odstrojit komponenty, které se nadají autoklávovat.

Výrobce si vyhrazuje drobné rozměrové a dispoziční změny přístroje.