ग्लास फ़र्मेंटेशन टैंक चुनने की गाइड

बायो-फ़र्मेंटेशन के फ़ील्ड में, ग्लास फ़र्मेंटेशन टैंक हमेशा से प्रोसेस ऑप्टिमाइज़ेशन करने वालों के लिए पसंदीदा इक्विपमेंट रहे हैं, खासकर लैबोरेटरी और छोटे लेवल के स्टेज में। ग्लास फ़र्मेंटेशन टैंक ट्रांसपेरेंट और आसानी से समझ में आने वाले, साफ़ करने में आसान, और काफ़ी सस्ते होते हैं, साथ ही ज़्यादातर माइक्रोऑर्गेनिज़्म की कल्चर ज़रूरतों को पूरा करते हैं। 5L ग्लास फ़र्मेंटेशन टैंक खास तौर पर पॉपुलर हैं।

I. टैंक मटीरियल

एक सही ग्लास फ़र्मेंटेशन टैंक चुनना टैंक मटीरियल पर विचार करने से शुरू होता है। हाई बोरोसिलिकेट ग्लास को अभी सबसे अच्छा ऑप्शन माना जाता है क्योंकि इसमें केमिकल स्टेबिलिटी, थर्मल प्रॉपर्टीज़ और फ़िज़िकल ट्रांसपेरेंसी होती है। फर्मेंटेशन प्रोसेस असल में एक आर्टिफिशियल माहौल में माइक्रोऑर्गेनिज्म की मेटाबोलिक एक्टिविटी है। फर्मेंटेशन ब्रॉथ की बनावट कॉम्प्लेक्स होती है, जिसमें इनऑर्गेनिक सॉल्ट, बफर सिस्टम, और माइक्रोऑर्गेनिज्म से निकलने वाले ऑर्गेनिक एसिड, एंजाइम और मेटाबोलाइट शामिल होते हैं। हाई बोरोसिलिकेट ग्लास, अपनी मैन्युफैक्चरिंग प्रोसेस के दौरान बड़ी मात्रा में बोरॉन ट्राइऑक्साइड के आने की वजह से, एक बहुत स्टेबल सिलिकॉन-ऑक्सीजन नेटवर्क स्ट्रक्चर बनाता है, जिससे यह पानी, एसिड, एल्कली और अलग-अलग ऑर्गेनिक सॉल्वेंट के लिए बहुत मज़बूत रेजिस्टेंस देता है। यह इनर्ट टैंक न तो फर्मेंटेशन ब्रॉथ में एक्स्ट्रा एलिमेंट लीक करता है और न ही इसके असरदार कॉम्पोनेंट को सोखता है, इस तरह डेटा ऑथेंटिसिटी और बैच कंसिस्टेंसी सुनिश्चित करता है।

थर्मल प्रॉपर्टीज़ के बारे में, हाई बोरोसिलिकेट ग्लास ग्लास मटीरियल के लिए सबसे ज़रूरी रिलायबिलिटी प्रॉब्लम को सॉल्व करता है। फर्मेंटेशन टैंक लगभग हमेशा हाई-टेम्परेचर स्टेरिलाइज़ेशन से गुज़रते हैं, और टैंक को रूम टेम्परेचर, स्टेरिलाइज़ेशन टेम्परेचर और कल्टीवेशन टेम्परेचर के बीच साइकल करना पड़ता है। ये बहुत ज़्यादा टेम्परेचर बदलाव मटीरियल के थर्मल शॉक के रेजिस्टेंस पर बहुत ज़्यादा डिमांड डालते हैं। हाई बोरोसिलिकेट ग्लास का थर्मल एक्सपेंशन कोएफिशिएंट आम ग्लास के मुकाबले सिर्फ़ एक-तिहाई होता है, जिससे यह बिना किसी नुकसान के सैकड़ों डिग्री सेल्सियस के तापमान के अचानक होने वाले अंतर को झेल सकता है।

प्रोसेस देखने के नज़रिए से, हाई बोरोसिलिकेट ग्लास की ट्रांसपेरेंसी इसे एक खास वैल्यू देती है जिसकी जगह कोई मेटल नहीं ले सकता। ऑपरेटर्स को टैंक की कंडीशन में होने वाले बदलावों पर लगातार नज़र रखने की ज़रूरत होती है, और हाई बोरोसिलिकेट ग्लास में न सिर्फ़ ज़्यादा लाइट ट्रांसमिशन होता है, बल्कि लंबे समय तक इस्तेमाल करने पर यह आसानी से पीला भी नहीं पड़ता, जिससे देखने का फील्ड लगातार अच्छा बना रहता है। टैंक की दीवारों के ज़रिए, टेक्नीशियन सीधे यह पता लगा सकते हैं कि हिलाना एक जैसा है या नहीं, फ़ोम की परत बहुत ऊँची है या नहीं, माइक्रोऑर्गेनिज़्म जमा हो रहे हैं या चिपक रहे हैं या नहीं, और रंग बदलने से मेटाबोलिक स्थिति का भी पता लगा सकते हैं। यह आसान दिखने वाली जानकारी अक्सर सेंसर डेटा से ज़्यादा सीधी होती है।

II. वॉल्यूम

5L ग्लास फ़र्मेंटर का नॉमिनल वॉल्यूम टैंक के कुल 5 लीटर वॉल्यूम को बताता है, लेकिन असल लिक्विड भरने को आम तौर पर लगभग 70% पर कंट्रोल किया जाता है, जो लगभग 3.5L कल्चर मीडियम होता है। अगर इसे बहुत ज़्यादा भरा जाए, तो हिलाते समय झाग ओवरफ्लो हो सकता है, एग्जॉस्ट फिल्टर को ब्लॉक कर सकता है, और कंटैमिनेशन भी हो सकता है; अगर इसे बहुत कम भरा जाए, तो यह इकोनॉमिक्स पर असर डालता है। डायमीटर-टू-हाइट रेश्यो को अक्सर नज़रअंदाज़ कर दिया जाता है, और सबसे मेनस्ट्रीम डिज़ाइन लगभग 1:2.2–1:2.5 का पतला आकार होता है। यह रेश्यो लिक्विड में हवा के बुलबुलों के रहने का समय बढ़ा सकता है और ऑक्सीजन ट्रांसफर कोएफिशिएंट (kLa वैल्यू) को बेहतर बना सकता है, जो खास तौर पर E. कोलाई, यीस्ट, या बैसिलस सबटिलिस जैसे एरोबिक माइक्रोऑर्गेनिज्म के हाई-डेंसिटी कल्चर के लिए सही है। अगर आपका एक्सपेरिमेंट शियर-सेंसिटिव है (जैसे कुछ फंगी या एनिमल सेल्स), तो आप थोड़ा छोटा और चौड़ा रेश्यो चुन सकते हैं, लेकिन कुल मिलाकर 1:2.5 सबसे बैलेंस्ड चॉइस है।

III. स्टेरिलाइज़ेशन के तरीके

लेबोरेटरी के ग्लास जार चुनने में स्टेरिलाइज़ेशन का तरीका एक ज़रूरी फैक्टर है। ऑफ-साइट स्टेरिलाइज़ेशन अभी लेबोरेटरी में 5L ग्लास फर्मेंटर के लिए मेनस्ट्रीम चॉइस है। इस प्रोसेस में सबसे पहले रिएक्टर का स्टेनलेस स्टील टॉप कवर हटाना, पहले से तैयार कल्चर मीडियम डालना, टॉप कवर को सील करना, और आखिर में पूरे फर्मेंटर (जिसमें टैंक बॉडी, इलेक्ट्रोड, फीड बॉटल, ट्यूबिंग और दूसरी एक्सेसरीज़ शामिल हैं) को स्टेरिलाइज़ेशन के लिए एक ऑटोक्लेव में रखना शामिल है। इसके फायदे हैं एक सिंपल रिएक्टर स्ट्रक्चर और कम मैन्युफैक्चरिंग कॉस्ट (इन-सीटू स्टेरिलाइज़ेशन से 30%–100% सस्ता); यह ज़्यादातर टीचिंग, स्ट्रेन स्क्रीनिंग और रूटीन रिसर्च सिनेरियो के लिए सही है। नुकसान यह है कि हर एक्सपेरिमेंट से पहले और बाद में इसे अलग करना, असेंबल करना और हैंडल करना ज़रूरी है, जिसमें टाइम लगता है। हालांकि ऑफ-साइट स्टेरिलाइज़ेशन थोड़ा ज़्यादा मुश्किल है, लेकिन यह ज़्यादा कॉस्ट-इफेक्टिवनेस देता है; जब तक ऑटोक्लेव 5L टैंक और एक्सेसरीज़ को अकोमोडेट कर सकता है, ऑफ-साइट स्टेरिलाइज़ेशन सबसे अच्छा सॉल्यूशन है।

इन-सीटू स्टेरिलाइज़ेशन में, इक्विपमेंट में पहले से बनी स्टीम पाइपिंग, वाल्व और कंट्रोल सिस्टम के ज़रिए इंस्टॉलेशन के बाद सीधे फ़र्मेंटर और जैकेट में हाई-टेम्परेचर स्टीम डाली जाती है। इससे डिसअसेंबली की ज़रूरत खत्म हो जाती है और यह उन प्रोसेस के लिए खास तौर पर सही है जिनमें बार-बार बैच बदलने की ज़रूरत होती है या जिन्हें स्केल-अप वैलिडेशन के लिए बहुत ज़्यादा स्टेरिलिटी की ज़रूरत होती है। ग्लास फ़र्मेंटर के लिए, इन-सीटू स्टेरिलाइज़ेशन के दौरान तेज़ी से गर्म/ठंडा होने और प्रेशर में उतार-चढ़ाव से काफ़ी थर्मल स्ट्रेस पैदा होता है, जिससे आसानी से इंटरफ़ेस सील फेल हो सकती है या इलेक्ट्रोड डैमेज हो सकता है। इक्विपमेंट के लिए एक्स्ट्रा स्टीम जनरेटर, ऑटोमैटिक वाल्व, प्रेशर सेंसर और मज़बूत ग्लास डिज़ाइन की भी ज़रूरत होती है, जिससे लागत काफ़ी बढ़ जाती है। दिक्कत होने पर रिपेयर करना भी ज़्यादा मुश्किल होता है। इसलिए, ग्लास टैंक में इन-सीटू स्टेरिलाइज़ेशन काफ़ी कम होता है और यह मुख्य रूप से स्टेनलेस स्टील टैंक में पाया जाता है।

IV. स्टिरिंग सिस्टम

स्टिरिंग सिस्टम मिक्सिंग की एकरूपता, ऑक्सीजन ट्रांसफर और शियर फ़ोर्स कंट्रोल तय करता है, और यह फ़र्मेंटर का "दिल" है। माइक्रोबियल फर्मेंटेशन के लिए इस्तेमाल होने वाले 5L ग्लास रिएक्टर के लिए, स्टिरिंग के लिए आमतौर पर 100-300W DC सर्वो मोटर या AC वेरिएबल फ्रीक्वेंसी मोटर का इस्तेमाल किया जाता है। ये मोटर छोटी, कम आवाज़ वाली, मेंटेनेंस-फ्री होती हैं, और सटीक स्टेपलेस स्पीड रेगुलेशन देती हैं। वे डिजिटल PID कंट्रोल को भी सपोर्ट करती हैं, जिससे घुली हुई ऑक्सीजन और शियर फोर्स को एडजस्ट करने के लिए फर्मेंटेशन कंट्रोलर के साथ लिंकेज आसान हो जाता है। आम एसिंक्रोनस मोटरों से बचना चाहिए क्योंकि उनकी स्पीड रेगुलेशन एक्यूरेसी खराब होती है, जो स्पीड स्टेबिलिटी और रिपीटेबिलिटी के लिए फर्मेंटेशन की ज़रूरतों को पूरा नहीं कर सकती हैं।

ग्लास फर्मेंटर स्टिरिंग सिस्टम में मैकेनिकल सील एक आम डायनामिक सीलिंग तरीका है, जिसका इस्तेमाल मुख्य रूप से टॉप-एंट्री मैकेनिकल स्टिरिंग सिस्टम में किया जाता है। मैकेनिकल सील को सिंगल-एंड-फेस मैकेनिकल सील और डबल-एंड-फेस मैकेनिकल सील में बांटा जा सकता है। पहले वाले में रोटेटिंग रिंग (शाफ्ट के साथ घूमने वाली) और स्टेशनरी रिंग (टैंक के ढक्कन पर लगी हुई) का सिर्फ़ एक सेट होता है, जो टैंक के अंदर कल्चर मीडियम के सेल्फ-लुब्रिकेशन पर निर्भर करता है। इसका स्ट्रक्चर आसान है, कीमत कम है, और टॉर्क ट्रांसमिशन अच्छा है, जो इसे लैबोरेटरी ग्लास रिएक्टर के लिए सही बनाता है। बाद वाला सीरीज़ में जुड़े एंड-फेस सील के दो सेट पर निर्भर करता है, जो बीच में एक फ्लशिंग चैंबर बनाते हैं, जिसके ज़रिए एक खास सीलिंग फ्लूइड डाला जाता है, जिससे एक डबल बैरियर बनता है। अगर अंदर थोड़ा सा भी लीक हो, तो बाहरी गंदगी अंदर नहीं जा सकती, जिससे ज़्यादा हाइजीन रहती है।

बॉटम मैग्नेटिक कपलिंग स्टिरिंग 5L ग्लास रिएक्टर माइक्रोबियल फर्मेंटेशन में एक आम एसेप्टिक स्टिरिंग सॉल्यूशन है। सबसे बड़ा दिखने वाला अंतर यह है कि टॉप कवर पर मोटर नहीं है, जबकि रिएक्टर में एक एक्स्ट्रा बेस है। मोटर नीचे लगी होती है, और बाहरी मैग्नेटिक रिंग मोटर के साथ घूमती है, जिससे अंदर की मैग्नेटिक रिंग (स्टिरिंग शाफ्ट और इम्पेलर के साथ जुड़ी हुई) मज़बूत मैग्नेटिक फील्ड कपलिंग से चलती है। एजिटेटर शाफ्ट को किसी भी टैंक की दीवार या ढक्कन में घुसने से रोकता है, जिससे मैकेनिकल सील या पैकिंग की ज़रूरत खत्म हो जाती है, और पूरी तरह से कॉन्टैक्टलेस एजिटेशन होता है। मैग्नेटिकली कपल्ड एजिटेशन के फ़ायदों में बहुत ज़्यादा स्टेरिलिटी, शाफ्ट पेनिट्रेशन से जुड़े डेड ज़ोन और लीकेज के खतरे को पूरी तरह खत्म करना, सील का घिसना नहीं, रेगुलर O-रिंग बदलने या लुब्रिकेशन की ज़रूरत नहीं, और लंबी सर्विस लाइफ़ शामिल हैं। इसके अलावा, यह नीचे से ऊपर तक एक्सियल और रेडियल मिक्सिंग बनाता है, जिससे गैस का डिस्ट्रीब्यूशन ज़्यादा एक जैसा होता है (जब एनुलर जेट के साथ इस्तेमाल किया जाता है), और अक्सर ज़्यादा डिज़ॉल्व्ड ऑक्सीजन ट्रांसफर (kLa) होता है, खासकर कम-वॉल्यूम या ज़्यादा-विस्कोसिटी वाले मीडिया में। शियर फ़ोर्स काफ़ी हल्का होता है, जिससे यह सेंसिटिव स्ट्रेन (जैसे कुछ फ़िलामेंटस फंगी) के लिए ज़्यादा फ्रेंडली हो जाता है। इसका नुकसान यह है कि मैग्नेटिक कपलिंग में डीकपलिंग का खतरा होता है। अगर कल्चर मीडियम विस्कोसिटी बहुत ज़्यादा हो जाती है, रोटेशन स्पीड बहुत ज़्यादा हो जाती है, या लोड बहुत ज़्यादा हो जाता है, तो अंदर और बाहर के मैग्नेटिक रिंग कुछ देर के लिए अलग हो सकते हैं, जिससे स्टिरिंग रुक सकती है। हाई-डेंसिटी फ़र्मेंटेशन या हाई-विस्कोसिटी (जैसे, सॉलिड पार्टिकल्स वाले) एप्लीकेशन के लिए हाई-टॉर्क मैग्नेटिक ड्राइव सिस्टम का ध्यान से चुनाव करना ज़रूरी है।

माइक्रोबियल फर्मेंटेशन के लिए इस्तेमाल होने वाले ज़्यादातर लैब 5L ग्लास रिएक्टर के लिए, सिंगल-एंड मैकेनिकल सील के साथ मैकेनिकल स्टिरिंग सबसे सस्ता और प्रैक्टिकल ऑप्शन है। यह सिंपल, भरोसेमंद और मेंटेन करने में आसान है, और इसे कई ब्रांड्स ने वैलिडेट किया है। इसका इस्तेमाल सिर्फ़ तब किया जाता है जब हाई स्टेरिलिटी की ज़रूरत होती है, हाई-रिस्क स्ट्रेन के साथ, या स्पेशल प्रोसेस के लिए। ज़्यादा सेफ्टी के लिए डुअल-एंड मैकेनिकल सील या बॉटम मैग्नेटिक कपलिंग एजिटेटर में अपग्रेड करने पर विचार करें।

V. इम्पेलर्स

इम्पेलर एक मुख्य कम्पोनेंट है जो मिक्सिंग यूनिफॉर्मिटी, ऑक्सीजन ट्रांसफर कोएफिशिएंट (kLa), शियर फोर्स और पावर कंजम्प्शन पर असर डालता है। इम्पेलर मटीरियल 316L स्टेनलेस स्टील है जिसकी सतह इलेक्ट्रोपॉलिश्ड है। मुख्य सिलेक्शन प्रिंसिपल हाई ऑक्सीजन ट्रांसफर (एरोबिक माइक्रोऑर्गेनिज्म के लिए ज़रूरी) को लो शियर (सेल को बचाने के लिए) के साथ बैलेंस करना है।

टर्बाइन इम्पेलर्स माइक्रोबियल फर्मेंटेशन के लिए सबसे मेनस्ट्रीम ऑप्शन हैं, जो मुख्य रूप से रेडियल फ्लो बनाते हैं, बबल्स को तोड़ते हैं, और kLa वैल्यू को काफी बढ़ाते हैं। ये हाई-डेंसिटी फर्मेंटेशन के लिए सही हैं, जिसमें ज़्यादा ऑक्सीजन की ज़रूरत होती है (जैसे E. coli और यीस्ट)। इसके मज़बूत गैस डिस्पर्शन और हाई ऑक्सीजन ट्रांसफर एफिशिएंसी को कई स्टडीज़ और ब्रांड्स ने वेरिफाई किया है। एक कमी यह है कि यह तेज़ स्पीड पर फिलामेंटस फंगी या सेंसिटिव स्ट्रेन्स को नुकसान पहुंचा सकता है।

ओब्लिक-ब्लेड प्रोपेलर के ब्लेड लगभग 45° पर लगाए जाते हैं, जो रेडियल और एक्सियल दोनों फ्लो बनाते हैं, जिससे टर्बाइन प्रोपेलर की तुलना में ज़्यादा यूनिफॉर्म मिक्सिंग, कम शियर फोर्स और बेहतर ऑक्सीजन ट्रांसफर होता है। यह मीडियम-विस्कोसिटी कल्चर मीडिया या माइक्रोऑर्गेनिज्म के लिए सही है जो शियर के प्रति कुछ हद तक सेंसिटिव होते हैं। जब इसे कम टर्बाइन प्रोपेलर के साथ इस्तेमाल किया जाता है, तो यह ओवरऑल सर्कुलेशन को बेहतर बना सकता है और डेड ज़ोन को कम कर सकता है। एक कमी यह है कि इसकी गैस डिस्पर्शन एबिलिटी प्योर टर्बाइन प्रोपेलर की तुलना में थोड़ी कमज़ोर होती है।

एक्सियल फ्लो प्रोपेलर मुख्य रूप से एक्सियल फ्लो बनाता है, इसमें सबसे कम शियर फोर्स होता है, और यह कम-विस्कोसिटी मीडिया के लिए सही है। कम शियर की ज़रूरत वाली खेती के लिए, एक्सियल फ्लो इम्पेलर कम बिजली की खपत और ज़्यादा एनर्जी एफिशिएंसी देते हैं, जिससे वे फिलामेंटस फंगस या शियर के प्रति बहुत ज़्यादा सेंसिटिव स्ट्रेन के लिए सही होते हैं। स्टिरिंग प्रोसेस काफ़ी आसान होता है, जिसमें कम झाग बनता है और एनर्जी की खपत भी कम होती है। नुकसान यह है कि गैस का फैलाव और kLa वैल्यू काफ़ी कम होते हैं, जिससे वे बहुत ज़्यादा ऑक्सीजन की ज़रूरत वाले तेज़ी से बढ़ने वाले फर्मेंटेशन के लिए सही नहीं होते।

5L ग्लास फर्मेंटर के लिए सबसे आम और सुझाया गया कॉन्फ़िगरेशन 2-3 लेयर वाला कॉम्बिनेशन इम्पेलर है: निचला टर्बाइन इम्पेलर गैस के फैलाव के लिए ज़िम्मेदार होता है, जो आने वाली गैस को माइक्रोबबल्स में तोड़ता है; ऊपरी झुका हुआ ब्लेड इम्पेलर एक्सियल सर्कुलेशन के लिए ज़िम्मेदार होता है, जो सेल सेडिमेंटेशन को रोकता है और नीचे की लेयर से फैले हुए बुलबुलों को पूरे टैंक में बराबर बांटता है; एक और मैकेनिकल डीफोमिंग इम्पेलर जोड़ा जा सकता है।