Overview on Design Considerations for Development of Disposable Microbioreactor Prototypes

Abstract

Microbioreactors are a miniaturized scale bioreactor system normally designed for bioprocess development. Such a microbioreactor design offer a new platform in carrying out cheap fermentation experiments under well controlled conditions – comparable to that of typical bench scale bioreactors. Additionally, by adapting polymer technology, microbioreactor can for example be made disposable. Thus, eliminates the need for cleaning of the reactor at the end of every experiment. Since typical working volumes of microbioreactors are less than 1 mL, this furthermore reduces substrate and utility consumption per experiment. Additionally, often a microbioreactor system is interfaced with optical measurements to acquire a real-time experimental data and thus, increases the amount of information gained per experiment. To design a microbioreactor system, one must consider the design of the entire system that drives the reactor and not just restrict the design only to the mechanical aspects of the reactor. In this paper, important design considerations as well as technical challenges for establishment of a microbioreactor to facilitate a typical aerobic fermentation processes are discussed. These include reactor operating feature and size, reactor mechanics (materials, fabrications, and mixing), reactor fluidics (connections, aeration, evaporation and feeding strategy), process control of physical parameters (temperature, pH, and dissolved oxygen level) and detection methods for measuring the cells concentration. Mikrobioreaktor adalah sistem bioreaktor skala minatur yang kebiasaannya direkabentuk untuk pembangunan bioproses. Rekabentuk mikrobioreactor seperti ini memberikan pendekatan yang baru dalam menjalankan eksperimen-eksperimen fermentasi berkos rendah pada keadaan terkawal – menghampiri pada keadaan yang secara tipikalnya diperolehi di bioreaktor skala makmal. Malah, dengan mengadaptasikan teknologi polimer, mikrobioreaktor boleh dijadikan sebagai bahan pakai-buang. Secara tidak langsung ini membasmi langkah yang diperlukan untuk pembersihan reaktor di akhir setiap eksperimen. Oleh sebab isipadu kerja yang tipikal bagi mikrobioreaktor adalah kurang dari 1 mL, ini akan mengurangkan penggunaan bahan dan utiliti bagi setiap eksperimen. Sistem mikrobioreaktor juga sering dilengkapi dengan cara pengukuran optik untuk mendapatkan data-data eksperimen benar dan ini seterusnya meningkatkan maklumat-maklumat yang boleh diperolehi setiap eksperimen. Untuk merekabentuk sistem mikrobioreaktor, adalah perlu untuk menilai rekabentuk bagi keseluruhan sistem dan bukan menghadkan rekabentuk hanya pada cirri-ciri mekanikal reaktor sahaja. Dalam kertas kerja ini, dibincangkan penilaian rekabentuk yang penting dan ciri-ciri teknikal bagi penghasilan mikrobioreaktor untuk proses fermentasi aerobik. Ini termasuk saiz dan cara operasi reaktor, ciri-ciri mekanik reaktor (bahan-bahan, fabrikasi dan pengadukan), ciri-ciri bendalir reaktor (penyambungan, pengudaraan, pemeruapan dan strategi suapan), proses kawalan parameter fizikal (suhu, pH, dan oksigen terlarut) dan cara-cara untuk pengukuran kepekatan sel.