バイオプロセスのパイロットプラントでは、物質収支をどのように使用しますか？細胞回収量と液体排出量を計算してください

連続遠心分離では、物質収支によってバイオマスを保存成分として追跡し、細胞濃縮物を除いた残りの液体流量から液体排出量を決定します。 供給質量流量は、供給体積流量と密度から求められ、その後、細胞収支によって供給細胞濃度と濃縮生成物流が関連付けられます。続いて、全体収支または無細胞液体収支により、清澄液の排出流量が求められます。

重要な原則は、バイオマス細胞を基準成分として扱うことです。 遠心分離機に流入する細胞質量は、想定される回収効率を考慮すると、濃縮生成物として流出する細胞質量と等しくなければなりません。濃縮液の流量または濃度が分かれば、質量保存則から無細胞液体の排出量を求められます。

遠心分離収支の構成

連続流を定義する

パイロットスケールの遠心分離機は、1つの供給流と通常2つの出口流を持つ定常状態の装置としてモデル化されます。

供給流： 遠心分離機に流入する発酵ブロス
濃縮生成物： 遠心分離機から流出する細胞豊富なスラリー
液体排出流： 遠心分離機から流出する清澄化された細胞減少液

定常状態では、遠心分離機内部に物質が意図的に蓄積することはありません。

体積流量を質量流量に変換する

供給速度が体積で測定される場合、供給質量流量はブロスの密度を使用して計算されます。

[ \dot{m}_F = Q_F \rho_F ]

ここで：

(\dot{m}_F) は供給質量流量
(Q_F) は供給体積流量
(\rho_F) は供給密度

この変換が必要なのは、物質収支が通常、質量流量を基準に記述されるためです。

細胞を基準成分として使用する

細胞収支を設定する

(x_{c,F}) を供給流中の細胞質量分率、(x_{c,P}) を濃縮生成物中の細胞質量分率とします。細胞収支は次のようになります。

[ \dot{m}F x{c,F} = \dot{m}P x{c,P} ]

これは、すべての細胞が濃縮生成物として回収されるという理想的な仮定に基づきます。

ここで、(\dot{m}_P) は濃縮生成物の質量流量です。整理すると、次のようになります。

[ \dot{m}P = \frac{\dot{m}F x{c,F}}{x{c,P}} ]

この式により、供給流量と両方の細胞濃度が既知の場合、パイロットプラントの運転担当者は必要な濃縮液流量を計算できます。

濃縮液の細胞濃度を計算する

生成物流量が測定されている場合、濃縮液中の細胞濃度は次のように計算できます。

[ x_{c,P} = \frac{\dot{m}F x{c,F}}{\dot{m}_P} ]

これにより、回収されたスラリーの平均細胞質量分率が得られます。

濃度が質量分率ではなく単位体積当たりの質量として報告される場合も、同じ収支で単位を統一する必要があります。例えば、体積基準の細胞濃度は、質量収支を適用する前に、該当する流れの密度を使用して変換できます。

非理想的な細胞回収を含める

実際の遠心分離機では、一部の細胞が液体排出流に混入して失われる可能性があります。(η_c) を細胞回収率とすると、収支は次のようになります。

[ \dot{m}F x{c,F}\eta_c = \dot{m}P x{c,P} ]

したがって：

[ \dot{m}P = \frac{\dot{m}F x{c,F}\eta_c}{x{c,P}} ]

(100%) の回収率は (\eta_c=1) に相当します。(η_c<1) の場合、失われた細胞質量は液体排出流または別の損失流に割り当てられます。

液体排出量の計算

全体質量収支を適用する

供給流と濃縮生成物の質量流量が分かれば、全体収支は次のようになります。

[ \dot{m}_F = \dot{m}_P + \dot{m}_L ]

ここで、(\dot{m}_L) は液体排出流の質量流量です。したがって：

[ \dot{m}_L = \dot{m}_F - \dot{m}_P ]

これは、供給流、生成物流、液体排出流に、遠心分離機へ流入および流出するすべての物質が含まれる場合の最も簡単な計算方法です。

無細胞液体収支を適用する

より明示的な液体収支では、液体部分と細胞部分を分離します。供給流とともに流入する液体は次のようになります。

[ \dot{m}_{F,\text{liquid}} = \dot{m}F(1-x{c,F}) ]

濃縮生成物とともに流出する液体は次のようになります。

[ \dot{m}_{P,\text{liquid}} = \dot{m}P(1-x{c,P}) ]

液体排出流に細胞が含まれないと仮定すると、その流量は次のようになります。

[ \dot{m}_L = \dot{m}F(1-x{c,F})

\dot{m}P(1-x{c,P}) ]

この形式は、細胞質量が大きい場合、または濃縮液に高い固形分率が含まれる場合に有用です。

液体質量流量を液体体積に関連付ける

液体排出流の密度が分かっている場合、その体積流量は次のように計算できます。

[ Q_L = \frac{\dot{m}_L}{\rho_L} ]

質量流量ではなく体積流量を用いて供給流と排出流を比較する場合、密度差が重要になります。したがって、パイロットプラントの計算では、その仮定が妥当であることを確認せずに、密度が等しいと仮定することは避けるべきです。

パイロットプラントがこれらの収支を使用する理由

分離性能を定量化する

収支により、遠心分離機に流入するバイオマス量と、濃縮生成物として回収される量を比較できます。細胞回収率は次のように表せます。

[ \eta_c = \frac{\dot{m}P x{c,P}} {\dot{m}F x{c,F}} ]

これは、遠心分離機が発酵ブロスから細胞をどの程度効果的に捕捉しているかを示します。

清澄液の生成量を評価する

液体収支によって、細胞が減少したブロスが装置からどの程度流出するかを決定できます。これは、後段のろ過、精製、または廃液処理能力を評価するうえで重要です。

プロセス最適化を支援する

運転担当者は、供給速度、濃縮液流量、細胞濃度、または回収率の変化が分離に及ぼす影響を検討できます。これらの計算は、バイオマス回収率を向上させながら、液体排出量とスラリー流量を管理可能な範囲に維持できる運転条件の特定に役立ちます。

理論と測定値を結び付ける

パイロットプラントでは、流量、密度、細胞濃度が測定されることが一般的です。計算された出口流量をセンサー測定値と比較することで、プロセス上の不一致、サンプリング誤差、閉塞、または非理想的な分離挙動を特定できます。

トレードオフを理解する

高濃度化により生成物流量は減少する

細胞供給速度が一定の場合、回収スラリー中の細胞濃度が高いほど、必要な濃縮生成物の質量流量は低くなります。

[ \dot{m}P \propto \frac{1}{x{c,P}} ]

これにより、バイオマスとともに運ばれる液体量は減少しますが、より高い濃度を達成するには、より厳しい遠心分離操作が必要になる場合があります。

細胞損失により理想収支は無効になる

すべての細胞が濃縮液として流出すると仮定すると、細胞が清澄液に流出する場合、回収率を過大評価する可能性があります。精度が重要な場合は、排出液中の測定細胞濃度、または実験的に決定した回収係数を含める必要があります。

単位の不一致は誤った結果を生む

細胞濃度は、質量分率、グラム毎リットル、光学密度、または1ミリリットル当たりの生細胞数として報告されることがあります。これらの指標は、適切な換算または校正なしに、質量収支へ相互に入れ替えて使用することはできません。

定常状態の仮定には限界がある

これらの式は、安定した連続運転を表しています。起動、停止、供給条件の変更、または遠心分離機の異常時には、装置内部に物質が蓄積する可能性があるため、過渡収支が必要になります。

プロジェクトへの適用方法

正しい手順は、すべての流れを定義し、流量を一貫した質量単位に変換したうえで、細胞収支と液体収支を同時に解くことです。

主な関心が細胞濃度の場合： バイオマスを基準成分とする収支、(\dot{m}F x{c,F}\eta_c=\dot{m}P x{c,P}) を使用して、濃縮生成物の濃度または流量を計算します。
主な関心が液体排出量の場合： まず濃縮生成物の流量を計算し、その後、全体収支または無細胞液体収支を使用して (\dot{m}_L) を求めます。

体系的な物質収支により、遠心分離機の測定値を、バイオマス回収量、濃縮液濃度、清澄液排出量に関する信頼性のある推定値へ変換できます。

まとめ表：

収支または計算	式	目的
供給質量流量	`ṁF = QFρF`	ブロス密度を使用して、供給体積流量を質量流量に変換します。
理想的な細胞収支	`ṁFxc,F = ṁPxc,P`	すべての細胞が回収される場合の濃縮液流量または細胞濃度を決定します。
非理想的な細胞収支	`ṁFxc,Fηc = ṁPxc,P`	液体排出流への細胞損失を考慮します。
濃縮液の質量流量	`ṁP = (ṁFxc,Fηc) / xc,P`	細胞豊富な生成物に必要な流量を計算します。
液体排出量	`ṁL = ṁF − ṁP`	全体収支から清澄液の質量流量を決定します。
無細胞液体収支	`ṁL = ṁF(1−xc,F) − ṁP(1−xc,P)`	濃縮液に含まれる細胞を考慮して液体流量を計算します。
液体排出量	`QL = ṁL / ρL`	排出質量流量を体積流量に変換します。
細胞回収率	`ηc = (ṁPxc,P) / (ṁFxc,F)`	遠心分離機のバイオマス捕捉性能を評価します。

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