Di bidang bio-fermentasi, tangki fermentasi kaca selalu menjadi peralatan pilihan bagi personel optimasi proses, terutama di laboratorium dan tahap skala kecil. Tangki fermentasi kaca transparan dan intuitif, mudah dibersihkan, dan relatif terjangkau, sekaligus memenuhi kebutuhan kultur sebagian besar mikroorganisme. Tangki fermentasi kaca 5L sangat populer.
I. Material Tangki
Memilih tangki fermentasi kaca yang sesuai dimulai dengan mempertimbangkan material tangki. Kaca borosilikat tinggi saat ini diakui sebagai pilihan terbaik karena menggabungkan stabilitas kimia, sifat termal, dan transparansi fisik. Proses fermentasi pada dasarnya adalah aktivitas metabolisme mikroorganisme dalam lingkungan buatan. Cairan fermentasi memiliki komposisi yang kompleks, termasuk garam anorganik, sistem penyangga, dan asam organik, enzim, dan metabolit yang disekresikan oleh mikroorganisme. Kaca borosilikat tinggi, karena penambahan sejumlah besar boron trioksida selama proses pembuatannya, membentuk struktur jaringan silikon-oksigen yang sangat stabil, sehingga memberikan ketahanan yang sangat kuat terhadap air, asam, alkali, dan berbagai pelarut organik. Tangki inert ini tidak bocor ke dalam cairan fermentasi maupun menyerap komponen efektifnya, sehingga memastikan keaslian data dan konsistensi batch.
Mengenai sifat termal, kaca borosilikat tinggi memecahkan masalah keandalan paling kritis untuk material kaca. Tangki fermentasi hampir selalu menjalani sterilisasi suhu tinggi, dan tangki harus bersiklus antara suhu ruangan, suhu sterilisasi, dan suhu kultivasi. Perubahan suhu yang drastis ini menuntut ketahanan material terhadap guncangan termal yang sangat tinggi. Kaca borosilikat tinggi memiliki koefisien ekspansi termal hanya sekitar sepertiga dari kaca biasa, sehingga mampu menahan perbedaan suhu sesaat hingga ratusan derajat Celcius tanpa kerusakan.
Dari perspektif pengamatan proses, transparansi kaca borosilikat tinggi memberikan nilai unik yang tidak dapat digantikan oleh logam apa pun. Operator perlu terus memantau perubahan kondisi tangki, dan kaca borosilikat tinggi tidak hanya memiliki transmisi cahaya yang tinggi tetapi juga tidak mudah menguning dalam penggunaan jangka panjang, sehingga mempertahankan bidang pandang yang konsisten dan baik. Melalui dinding tangki, teknisi dapat langsung menilai apakah pengadukan seragam, apakah lapisan busa terlalu tinggi, apakah mikroorganisme menggumpal atau menempel, dan bahkan merasakan keadaan metabolisme melalui perubahan warna. Informasi visual intuitif ini seringkali lebih langsung daripada data sensor.
II. Volume
Volume nominal fermentor kaca 5L mengacu pada total volume tangki 5 liter, tetapi pengisian cairan aktual umumnya dikontrol sekitar 70%, yaitu sekitar 3,5L media kultur. Jika diisi terlalu penuh, busa cenderung meluap selama pengadukan, menyumbat filter pembuangan, dan bahkan menyebabkan kontaminasi; jika diisi terlalu sedikit, hal itu memengaruhi aspek ekonomi. Rasio diameter terhadap tinggi seringkali diabaikan, dan desain yang paling umum adalah bentuk ramping sekitar 1:2,2–1:2,5. Rasio ini dapat memperpanjang waktu tinggal gelembung udara dalam cairan dan meningkatkan koefisien transfer oksigen (nilai kLa), yang sangat cocok untuk kultur mikroorganisme aerobik dengan kepadatan tinggi seperti E. coli, ragi, atau Bacillus subtilis. Jika percobaan Anda sensitif terhadap geser (seperti jamur tertentu atau sel hewan), Anda dapat memilih rasio yang sedikit lebih pendek dan lebih lebar, tetapi secara keseluruhan 1:2,5 adalah pilihan yang paling seimbang.
III. Metode Sterilisasi
Metode sterilisasi merupakan faktor penting dalam memilih wadah kaca laboratorium. Sterilisasi di luar lokasi saat ini merupakan pilihan utama untuk fermentor kaca 5L di laboratorium. Prosedur ini melibatkan langkah pertama yaitu melepas penutup atas reaktor dari baja tahan karat, menuangkan media kultur yang telah disiapkan sebelumnya, menutup kembali penutup atas, dan akhirnya menempatkan seluruh fermentor (termasuk badan tangki, elektroda, botol pengumpan, selang, dan aksesori lainnya) ke dalam autoklaf untuk sterilisasi. Keuntungannya adalah struktur reaktor yang sederhana dan biaya produksi yang rendah (30%–100% lebih murah daripada sterilisasi in-situ); metode ini cocok untuk sebagian besar skenario pengajaran, penyaringan strain, dan penelitian rutin. Kerugiannya adalah perlunya pembongkaran, perakitan, dan penanganan sebelum dan sesudah setiap percobaan, yang memakan waktu. Meskipun sterilisasi di luar lokasi sedikit lebih rumit, metode ini menawarkan efektivitas biaya yang tinggi; selama autoklaf dapat menampung tangki 5L dan aksesorinya, sterilisasi di luar lokasi adalah solusi yang optimal.
Sterilisasi in-situ melibatkan pengenalan langsung uap bersuhu tinggi ke dalam fermentor dan jaket setelah pemasangan melalui pipa uap, katup, dan sistem kontrol bawaan peralatan. Hal ini menghilangkan kebutuhan untuk pembongkaran dan sangat cocok untuk proses yang membutuhkan perubahan batch yang sering atau yang menuntut sterilitas ekstrem untuk validasi peningkatan skala. Untuk fermentor kaca, pemanasan/pendinginan cepat dan fluktuasi tekanan selama sterilisasi in-situ menghasilkan tekanan termal yang signifikan, yang mudah menyebabkan kegagalan segel antarmuka atau kerusakan elektroda. Peralatan ini juga membutuhkan generator uap tambahan, katup otomatis, sensor tekanan, dan desain kaca yang diperkuat, yang secara signifikan meningkatkan biaya. Perbaikan jika terjadi masalah juga lebih sulit. Oleh karena itu, sterilisasi in-situ relatif jarang ditemukan pada tangki kaca dan terutama ditemukan pada tangki baja tahan karat.
IV. Sistem Pengadukan
Sistem pengadukan menentukan keseragaman pencampuran, transfer oksigen, dan kontrol gaya geser, dan merupakan "jantung" dari fermentor. Untuk reaktor kaca 5L yang digunakan untuk fermentasi mikroba, motor servo DC 100-300W atau motor frekuensi variabel AC biasanya digunakan untuk pengadukan. Motor-motor ini berukuran kecil, rendah kebisingan, bebas perawatan, dan menawarkan pengaturan kecepatan tanpa langkah yang presisi. Mereka juga mendukung kontrol PID digital, memfasilitasi keterkaitan dengan pengontrol fermentasi untuk menyesuaikan oksigen terlarut dan gaya geser. Motor asinkron biasa harus dihindari karena akurasi pengaturan kecepatannya yang buruk, yang tidak dapat memenuhi persyaratan fermentasi untuk stabilitas dan pengulangan kecepatan.
Segel mekanis adalah metode penyegelan dinamis yang umum dalam sistem pengadukan fermentor kaca, terutama digunakan dalam sistem pengadukan mekanis masuk atas. Segel mekanis dapat dibagi menjadi segel mekanis satu sisi dan segel mekanis dua sisi. Yang pertama hanya terdiri dari satu set cincin berputar (berputar dengan poros) dan cincin stasioner (terpasang pada tutup tangki), mengandalkan pelumasan sendiri dari media kultur di dalam tangki. Strukturnya sederhana, biayanya rendah, dan transmisi torsinya efisien, sehingga cocok untuk reaktor kaca laboratorium. Yang kedua mengandalkan dua set segel sisi yang terhubung secara seri, membentuk ruang pembilas di tengah, tempat cairan penyegel khusus dimasukkan, menciptakan penghalang ganda. Bahkan jika ada sedikit kebocoran di bagian dalam, kontaminan eksternal tidak dapat masuk, sehingga menghasilkan kebersihan yang lebih tinggi.
Pengadukan kopling magnetik bawah adalah solusi pengadukan aseptik umum dalam fermentasi mikroba reaktor kaca 5L. Perbedaan visual yang paling signifikan adalah tidak adanya motor pada penutup atas, sementara reaktor memiliki alas tambahan. Motor dipasang di bagian bawah, dan cincin magnet luar berputar bersama motor, menggerakkan cincin magnet dalam (terintegrasi dengan poros pengaduk dan impeler) melalui kopling medan magnet yang kuat. Hal ini menghindari poros pengaduk menembus dinding atau tutup tangki, menghilangkan kebutuhan akan segel mekanis atau kemasan, dan mencapai pengadukan tanpa kontak sama sekali. Keuntungan dari pengadukan kopling magnetik meliputi sterilitas ekstrem, sepenuhnya menghilangkan zona mati dan risiko kebocoran yang terkait dengan penetrasi poros, tidak ada keausan segel, tidak perlu penggantian O-ring atau pelumasan secara teratur, dan masa pakai yang lama. Selain itu, ia menghasilkan pencampuran aksial dan radial dari bawah ke atas, menghasilkan distribusi gas yang lebih seragam (bila digunakan dengan jet annular), dan seringkali transfer oksigen terlarut (kLa) yang lebih tinggi, terutama pada media bervolume rendah atau viskositas tinggi. Gaya gesernya relatif lembut, sehingga lebih ramah terhadap strain sensitif (seperti jamur berfilamen tertentu). Kekurangannya adalah kopling magnetik membawa risiko terlepas. Jika viskositas media kultur menjadi terlalu tinggi, kecepatan putaran terlalu tinggi, atau beban terlalu berat, cincin magnet dalam dan luar dapat terlepas sesaat, menyebabkan pengadukan berhenti. Pemilihan sistem penggerak magnet torsi tinggi yang cermat diperlukan untuk fermentasi dengan kepadatan tinggi atau aplikasi dengan viskositas tinggi (misalnya, mengandung partikel padat).
Untuk sebagian besar reaktor kaca 5L laboratorium yang digunakan untuk fermentasi mikroba, pengadukan mekanis yang dikombinasikan dengan segel mekanis satu ujung adalah pilihan yang paling hemat biaya dan praktis. Sistem ini sederhana, andal, dan mudah dirawat, serta telah divalidasi oleh banyak merek. Sistem ini hanya digunakan ketika persyaratan sterilitas tinggi diperlukan, dengan strain berisiko tinggi, atau untuk proses khusus. Pertimbangkan untuk meningkatkan ke segel mekanis dua ujung atau pengaduk kopling magnetik bawah untuk keamanan tambahan.
V. Impeller
Impeller adalah komponen kunci yang memengaruhi keseragaman pencampuran, koefisien transfer oksigen (kLa), gaya geser, dan konsumsi daya. Material impeller adalah baja tahan karat 316L dengan permukaan yang dipoles secara elektrolitik. Prinsip pemilihan inti adalah menyeimbangkan transfer oksigen tinggi (yang dibutuhkan oleh mikroorganisme aerobik) dengan gaya geser rendah (untuk melindungi sel).
Impeller turbin adalah pilihan paling umum untuk fermentasi mikroba, terutama menghasilkan aliran radial, memecah gelembung, dan secara signifikan meningkatkan nilai kLa. Impeller ini cocok untuk fermentasi dengan kepadatan tinggi dan kebutuhan oksigen tinggi (seperti E. coli dan ragi). Dispersi gas yang kuat dan efisiensi transfer oksigen yang tinggi telah diverifikasi oleh banyak penelitian dan merek. Kekurangannya adalah dapat merusak jamur filamen atau strain sensitif pada kecepatan tinggi.
Bilah baling-baling miring dipasang pada sudut sekitar 45°, menghasilkan aliran radial dan aksial, sehingga menghasilkan pencampuran yang lebih seragam, gaya geser yang lebih rendah daripada baling-baling turbin, dan transfer oksigen yang lebih baik. Ini cocok untuk media kultur dengan viskositas sedang atau mikroorganisme yang agak sensitif terhadap gaya geser. Bila digunakan bersamaan dengan baling-baling turbin bawah, dapat meningkatkan sirkulasi keseluruhan dan mengurangi zona mati. Kekurangannya adalah kemampuan dispersi gasnya sedikit lebih lemah daripada baling-baling turbin murni.
Baling-baling aliran aksial terutama menghasilkan aliran aksial, memiliki gaya geser terendah, dan cocok untuk media dengan viskositas rendah. Untuk budidaya dengan kebutuhan geser rendah, impeler aliran aksial menawarkan konsumsi daya yang lebih rendah dan efisiensi energi yang lebih tinggi, sehingga cocok untuk jamur filamen atau strain yang sangat sensitif terhadap geser. Proses pengadukan relatif lembut, dengan sedikit busa dan konsumsi energi yang lebih rendah. Kekurangannya adalah dispersi gas dan nilai kLa yang relatif rendah, sehingga tidak cocok untuk fermentasi pertumbuhan cepat dengan kebutuhan oksigen yang sangat tinggi.
Konfigurasi yang paling umum dan direkomendasikan untuk fermentor kaca 5L adalah impeler kombinasi 2-3 lapis: impeler turbin bawah bertanggung jawab untuk dispersi gas, memecah gas yang masuk menjadi gelembung mikro; Impeller bilah miring bagian atas bertanggung jawab untuk sirkulasi aksial, mencegah pengendapan sel dan mendistribusikan gelembung yang tersebar dari lapisan bawah secara merata ke seluruh tangki; impeller penghilang busa mekanis tambahan dapat ditambahkan.