การป้อนสารอาหารอย่างต่อเนื่องและมีการควบคุมอย่างแม่นยำในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ
Continuous, precisely regulated nutrient supply in a bioreactor
ความท้าทายในกระบวนการหมัก
Challenges of the fermentation process
ในกระบวนการหมักแบบต่อเนื่อง สารตั้งต้นจะถูกป้อนเข้าสู่ถังปฏิกรณ์ชีวภาพอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะถูกสกัดออกมาอย่างต่อเนื่องเช่นกัน โดยมีระบบควบคุมแบบป้อนกลับ (Closed control loop) คอยกำกับเพื่อให้พารามิเตอร์ต่างๆ ที่ต้องการควบคุม มีค่าตรงตามเกณฑ์ที่กำหนด (Set-point values) ให้ได้แม่นยำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ยังมีโจทย์ความท้าทายบางประการ ดังนี้
ข้อจำกัดและอุปสรรคของวิธีการดั้งเดิม
Challenges and problems of conventional solutions
ระบบการเพาะเลี้ยงภายในถังหมักจำเป็นต้องได้รับสารอาหารอย่างต่อเนื่อง ซึ่งกระบวนการทางชีวเคมีนี้มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ต่าง ๆ เป็นอย่างมาก หมายความว่าปริมาณสารละลายสารอาหารที่เติมลงไปจะต้องไม่น้อยหรือมากจนเกินไปโดยเด็ดขาด หากกระบวนการหยุดชะงัก สารทุกชนิดที่เติมลงไปก่อนหน้าจะไม่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ ซึ่งส่งผลให้เสียค่าใช้จ่ายและเสียเวลาโดยไม่จำเป็น ทั้งนี้ มักมีการนำวาล์วไดอะแฟรม (Diaphragm valves) มาใช้ในการควบคุมการป้อนสารอาหารแบบต่อเนื่อง แม้ว่าวาล์วชนิดนี้จะไม่มีคุณลักษณะการควบคุมที่เหมาะสมที่สุดก็ตาม
A : การป้อนสารอาหารน้อยเกินไป
B : การป้อนสารอาหารในปริมาณที่ถูกต้อง
C : การป้อนสารอาหารมากเกินไป
เพื่อให้กระบวนการหมักดำเนินไปได้อย่างน่าเชื่อถือ สิ่งสำคัญคือต้องแยกวงจรการผลิตและวงจรการทำความสะอาดออกจากกันอย่างปลอดภัย เนื่องจากการปนเปื้อนจากเชื้อแปลกปลอมหรือน้ำยาทำความสะอาด (CIP media) จะทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการหมักทั้งชุดกลายเป็นของเสียทันที เพื่อหลีกเลี่ยงต้นทุนที่สูงเกินความจำเป็น ระบบแบบดั้งเดิมมักใช้เครื่องวัดอัตราการไหลแบบโคริโอลิส (Coriolis measuring devices) ในการควบคุมอัตราการไหล แต่โดยทั่วไปแล้วอุปกรณ์เหล่านี้มีน้ำหนักมาก เทอะทะ และส่งผลให้ต้นทุนด้านปั๊มสูงขึ้นตามไปด้วย
บ่อยครั้งที่อุปกรณ์วัดอัตราการไหล เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ วาล์วควบคุม และส่วนประกอบอื่น ๆ ถูกติดตั้งอยู่ในจุดที่เข้าถึงยากภายในระบบหรือตัวเครื่องจักร นอกจากนี้ อุปกรณ์เหล่านี้มักมีขนาดใหญ่และน้ำหนักมาก โดยเครื่องวัดอัตราการไหลแบบดั้งเดิมเมื่อรวมเข้ากับวาล์วที่มีลักษณะใกล้เคียงกันอาจมีน้ำหนักรวมกันได้ถึง 18 ถึง 20 กิโลกรัม เลยทีเดียว ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลให้ทั้งการติดตั้งและการซ่อมบำรุงในระหว่างกระบวนการผลิตจริงทำได้ยากลำบากยิ่งขึ้น
การตรวจสอบการป้อนกลูโคสให้ถูกต้องเหมาะสมอย่างสม่ำเสมอ มีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างความมั่นใจให้กับกระบวนการผลิต และรับประกันว่าระบบจะสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง (System availability) โดยใช้แรงงานคนน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในขณะเดียวกัน ระบบนี้ยังช่วยให้สามารถปฏิบัติตามกฎระเบียบและข้อบังคับต่าง ๆ ในอุตสาหกรรมยา ซึ่งกำหนดให้ต้องมีการจัดทำเอกสารพารามิเตอร์การวัดผลอย่างครบถ้วน เพื่อให้สามารถตรวจสอบย้อนกลับ (Traceability) ได้อย่างชัดเจน อย่างไรก็ตาม ระบบควบคุมกระบวนการในปัจจุบันไม่ใช่ทุกระบบที่จะสามารถตอบสนองความต้องการที่หลากหลายเหล่านี้ได้ครบถ้วน
การควบคุมถังปฏิกรณ์ชีวภาพอย่างปลอดภัย รวดเร็ว และอัตโนมัติด้วยระบบที่ปรับแต่งตามความต้องการ
Regulating bioreactors safely, quickly and automatically with customised systems
กระบวนการผลิตที่มีประสิทธิภาพและผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่มีคุณภาพสูงจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อวงจรควบคุม (Control loops) ทั้งหมดทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบเท่านั้น ซึ่งบ่อยครั้งที่การกำหนดขนาดวาล์วและการออกแบบวงจรควบคุมนั้นมีความซับซ้อนและต้องใช้เวลามาก
ในขั้นตอนแรก คุณสามารถใช้เครื่องมือออกแบบวาล์วของเราเพื่อตรวจสอบเบื้องต้นว่าโซลูชันวาล์วแบบใดที่เหมาะสมกับกระบวนการหมักของคุณ หลังจากนั้นเรามีความยินดีที่จะให้คำปรึกษาเป็นการส่วนตัว เพื่อคัดสรรและกำหนดขนาดผลิตภัณฑ์ให้เหมาะสมกับความต้องการของคุณอย่างสมบูรณ์แบบ
นอกจากนี้ เรายังมีโซลูชันระบบเบ็ดเสร็จ (Complete system solutions) ที่จะช่วยลดภาระงานในส่วนของวิศวกรรมและกระบวนการผลิต รวมถึงระบบอัตโนมัติ
ข้อดีของโซลูชันระบบจาก Bürkert
The advantages of the Bürkert system solution:
โซลูชันจาก Bürkert แตกต่างจากวิธีการแบบดั้งเดิมตรงที่มีระบบวงจรควบคุมเฉพาะจุด (Local control loop) ซึ่งช่วยให้เกิดการแลกเปลี่ยนข้อมูลโดยตรงระหว่างเครื่องวัดอัตราการไหลและวาล์วแบบเบลโลว์ โดยวาล์วจะทำหน้าที่ปรับปริมาณการจ่ายสารละลายสารอาหารตามข้อมูลที่ได้รับจาก FLOWave ขณะที่ระบบ PLC ที่เชื่อมต่ออยู่นั้นไม่เพียงแต่จะทำหน้าที่ตรวจสอบกระบวนการเท่านั้น แต่ยังทำการเปรียบเทียบปริมาณที่จ่ายจริงกับความต้องการที่แท้จริงของถังหมัก ซึ่งคำนวณมาจากค่าการวัดต่าง ๆ จำนวนมาก
คุณสามารถสร้างแนวคิดเครื่องจักรที่มีความยืดหยุ่นและใช้พื้นที่ติดตั้งน้อยที่สุดได้ด้วยส่วนประกอบที่กะทัดรัดจาก Bürkert และเพื่อเป็นการเตรียมความพร้อมสำหรับความท้าทายทั้งในปัจจุบันและอนาคต Bürkert ยังได้รวมเอาการเชื่อมต่อทางดิจิทัลที่ทันสมัยเข้าไว้ในชุดควบคุมตำแหน่งวาล์ว (Positioner controllers) ทุกรุ่น ตัวอย่างเช่น การเชื่อมต่อกับระบบบัสภาคสนามระดับสูง (High-level fieldbuses) หรือ IO-Link
ด้วยเหตุนี้ ส่วนประกอบต่าง ๆ จึงสามารถผสานรวมเข้ากับระบบควบคุมของคุณได้อย่างไร้รอยต่อ ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของระบบในหลากหลายมิติ
Conventional solution: DN1/2“: 460 x 177 x 75 mm; valve DN 1/2“: 242 x 327 x 147 mm
Bürkert solution: FLOWave (nominal diameter DN 1/2“): (50+92) x 250 x 158 mm; Bürkert valve (nominal diameter DN 1/2“): 65 x (157+38) x 110 mm
โซลูชันการควบคุมสำหรับกระบวนการของไหลโดย Bürkert ได้รับการปรับแต่งให้เหมาะสมกับข้อกำหนดเฉพาะด้านเสมอ เช่น สำหรับกระบวนการหมัก โดยสามารถเลือกได้ทั้งในรูปแบบของผลิตภัณฑ์เดี่ยวที่ผ่านการคัดสรรและกำหนดขนาดมาอย่างสมบูรณ์แบบ หรือในรูปแบบของวงจรควบคุมเบ็ดเสร็จ (Complete control loops) ที่ช่วยลดภาระงานของลูกค้าทั้งในด้านวิศวกรรมและกระบวนการผลิต ซึ่งโซลูชันระบบในลักษณะนี้มักจะช่วยลดต้นทุนรวมได้อย่างมาก เมื่อเทียบกับการจัดซื้อส่วนประกอบแยกชิ้น
การเริ่มต้นการทำงานของวงจรควบคุม (Control loop start-up) มักจะเป็นงานที่ต้องใช้เวลามาก แต่ยังมีวิธีที่ช่วยให้กระบวนการนี้รวดเร็วขึ้นได้ นั่นคือ ฟังก์ชัน Autotune ที่ถูกติดตั้งมาเป็นมาตรฐานในชุดควบคุมตำแหน่งวาล์ว (Position controllers) ส่วนใหญ่ของ Bürkert ซึ่งจะช่วยปรับค่าการควบคุมให้เข้ากับคุณลักษณะของระบบโดยอัตโนมัติเพียงแค่กดปุ่ม นอกจากนี้ น้ำหนักที่น้อยลงและการออกแบบที่กะทัดรัดของส่วนประกอบจาก Bürkert ยังช่วยให้การติดตั้งทำได้อย่างรวดเร็ว แม้ในจุดที่เข้าถึงได้ยากก็ตาม
ประหยัดพื้นที่การติดตั้งและลดน้ำหนัก
Save on installation space and weight
ในโซลูชันแบบดั้งเดิม น้ำหนักรวมของส่วนประกอบสองชิ้นที่ทำหน้าที่ควบคุมการป้อนสารละลายสารอาหารเข้าสู่ถังปฏิกรณ์ชีวภาพจะอยู่ที่ประมาณ 18.5 กิโลกรัม (เมื่อคำนวณจากขนาดท่อ DN ½ นิ้ว ทั้งสองชิ้น) ในทางตรงกันข้าม โซลูชันของ Bürkert ที่มีขนาด DN เท่ากัน มีน้ำหนักรวมเพียง 4.4 กิโลกรัม เท่านั้น
ดังนั้น วงจรควบคุมเฉพาะจุด (Local control loop) ของ Bürkert จึงสามารถช่วยลดน้ำหนักลงได้ถึงประมาณ 14 กิโลกรัม นอกจากนี้ โซลูชันดังกล่าวยังใช้พื้นที่ในการติดตั้งน้อยกว่ามาก ซึ่งส่งผลให้การออกแบบระบบมีความยืดหยุ่นมากขึ้น ใช้เวลาในการติดตั้งสั้นลง และช่วยลดต้นทุนของตัวเครื่องจักรลงได้
อ้างอิง : A Beginner’s Guide to Bioprocess Modes, BioReactor Process Control: A Deep Dive, Burkert Thailand

