Bioreactor - biologie

A Bioreactor, deseori și ca Fermentator este un recipient în care anumite microorganisme, celule sau plante mici [1] sunt cultivate în cele mai bune condiții posibile (de asemenea: fermentat) voi. Funcționarea unui bioreactor este astfel o aplicație a biotehnologiei care utilizează sau face procesele biologice utilizabile (bioconversie, biocataliză) în instalațiile tehnice.

Factorii importanți care pot fi controlați sau monitorizați în majoritatea bioreactoarelor sunt compoziția mediului nutritiv (de asemenea Soluție nutritivă sau Substrat), aportul de oxigen, temperatura, pH-ul, sterilitatea și altele. [2] Scopul cultivării într-un bioreactor poate fi obținerea celulelor sau componentelor celulelor sau obținerea de produse metabolice. Acestea pot de ex. B. să fie utilizat ca ingredient activ în industria farmaceutică sau ca substanță chimică de bază în industria chimică. Degradarea compușilor chimici poate avea loc și în bioreactoare, cum ar fi B. în epurarea apelor uzate în stațiile de epurare. [2] Producția de bere, vin și alte produse care au fost produse de mii de ani are loc și în bioreactoare. Spre deosebire de aplicațiile moderne, aceste exemple clasice nu vorbesc de obicei despre bioreactoare, ci folosesc termenii influențați istoric (de exemplu, ceainic pentru fabricarea berii).

O varietate largă de organisme sunt cultivate în bioreactoare în diverse scopuri. Prin urmare, mai multe variante de reactoare sunt disponibile în diferite modele. Tipice sunt reactoarele cu rezervor agitat din metal, care pot avea un volum de câțiva până la mii de litri și sunt umplute cu soluție nutritivă. Dar, de asemenea, variante foarte diferite, cum ar fi B. Se folosesc reactoare cu pat fix, fotobioreactoare etc. [2]

poveste

Deoarece fierbătoarele de bere din fabricile de bere fac parte din punct de vedere tehnic al bioreactoarelor, aspectul primelor bioreactoare poate fi echivalat cu aspectul primelor fabrici de bere în urmă cu aproximativ 5500 de ani. Dispozitivele pentru producerea diferitelor produse lactate cu ajutorul bacteriilor sau enzimelor, care sunt utilizate de mii de ani, pot fi denumite și bioreactoare.

Odată cu avansarea biotehnologiei, în special prin progrese semnificative în microbiologie în secolul al XIX-lea și în genetică, biologie moleculară și inginerie genetică de la mijlocul secolului al XX-lea, tot mai multe aplicații, de ex. B. în industria chimică și în sectorul farmaceutic. Bioreactoarele sunt utilizate în multe procese biotehnologice.

Parametrii de funcționare

Scopul principal al unui bioreactor este de a oferi cele mai mari randamente posibile ale produsului. Acest lucru se realizează în special prin crearea condițiilor optime pentru organismul utilizat în fiecare caz. Acest lucru este adaptat diferiților parametri care prevalează în habitatul său natural. Important sunt de ex. B. tipul și concentrația substanțelor nutritive, temperatura, conținutul de oxigen, pH etc. În plus, un agitator sau alt dispozitiv este de obicei necesar pentru a se asigura că acești parametri sunt stabiliți omogen pe întregul spațiu al reactorului. Pe lângă cerințele organismelor, trebuie luați în considerare și alți factori tehnici, organizaționali și economici care influențează alegerea parametrilor de funcționare. Exemple sunt evitarea formării spumei și alegerea unui mod de funcționare continuu sau discontinuu.

Cu ajutorul sondelor sau senzorilor, mulți dintre acești parametri sunt măsurați direct în mediul nutritiv sau în aerul evacuat. [2] Cursul procesului poate fi de obicei evaluat folosind acești parametri. Poate fi z. B. determinați densitatea celulei măsurând dispariția (densitatea optică), care la rândul său indică cantitatea de produs. O alternativă este adesea măsurarea concentrației unui compus chimic caracteristic, de ex. B. creșterea concentrației unui produs metabolic sau scăderea concentrației substratului. [2]

La începutul unei fermentații, mediul nutritiv este amestecat cu o cantitate mică de microorganism obținut dintr-o precultivare. Această cantitate se numește inocul, procesul este adesea numit Inoculând desemnat. Suspensia obținută din procesul de fermentare (bulion) este atunci când așa-numitul Procesare în aval pregătit în mai multe etape de proces.

Alimentare cu nutrienți

Mediul nutritiv trebuie să furnizeze organismelor toate substanțele nutritive de care au nevoie pentru creștere. Acestea includ principalele elemente nutriționale (elemente macronutrienți) necesare în cantități mai mari, cum ar fi B. carbon, azot și fosfor. Sunt necesare, de asemenea, diferite oligoelemente (micronutrienți). În funcție de organism, sunt necesari alți compuși care nu pot fi sintetizați singuri (vitamine, aminoacizi esențiali etc.). O conexiune de alimentare cu energie, cum ar fi B. deseori sunt necesare glucoza din zahăr (cu excepția organismelor fototrofe).

temperatura

Organismele au o temperatură optimă la care se reproduc cel mai bine. Depășirea acestei temperaturi poate duce la daune ireversibile datorate denaturării proteinelor, în timp ce scăderea sub aceasta duce la viteze metabolice mai mici și, astfel, la timpi de proces mai lungi. Controlul temperaturii este implementat prin circuite de încălzire și răcire. La pornirea reactorului, întregul conținut al reactorului este încălzit sau încălzit la temperatura de funcționare. În unele cazuri, organismele cultivate generează atât de multă căldură reziduală prin metabolismul lor, încât dintr-o anumită concentrație de celule este activ doar circuitul de răcire. Un schimbător de căldură poate fi integrat în acest circuit sau mediul purtător de energie este alimentat direct. În majoritatea cazurilor, doar peretele dublu al containerului și, în cazuri rare, registrele de răcire încorporate sunt disponibile ca suprafețe de schimb de căldură în spațiul de reacție.

Conținutul de oxigen

Abordările de fermentație pot fi efectuate aerob (într-o atmosferă care conține oxigen) sau anaerob (fără oxigen), în funcție de organism și produs. Oxigenul este slab solubil în apă, astfel încât este dificilă o cantitate suficientă de abordări aerobe. Solubilitatea oxigenului într-un mediu de fermentare cu o temperatură de 37 ° C este, de exemplu, de 3-5 mg/L. Presiunea parțială a oxigenului poate fi reglată prin mai multe metode:

Schimbarea debitului de gaz,
Schimbarea vitezei agitatorului,
Schimbarea geometriei sculei de agitare,
Modificarea compoziției amestecului de gaze,
Modificarea presiunii capului (aceasta crește și solubilitatea altor gaze, de exemplu dioxidul de carbon).

Cu toate acestea, dacă gazul este suflat prea mult sau viteza agitatorului este prea mare, se crește și formarea de spumă nedorită.

Cu toate acestea, în cazul organismelor anaerobe obligatorii, trebuie evitată alimentarea cu oxigen, deoarece poate fi toxică. În cazul abordărilor anaerobe cu organisme facultativ anaerobe, un aport de oxigen ar permite reacții aerobice nedorite care ar putea reduce randamentul procesului.

Valoarea pH-ului

Organismele cultivate au de obicei un interval limitat de toleranță a pH-ului cu un pH optim. Valoarea pH-ului poate fi controlată cu pompe cuplate automat la un senzor de pH, care, după cum este necesar, sunt introduse în bioreactor pentru a acidifica, de exemplu, acid fosforic (H3PO4), acid clorhidric (HCl) sau pentru a crește valoarea pH-ului, de exemplu hidroxid de sodiu (NaOH) pompa. În anumite cazuri, pH-ul poate fi atins și prin viteza de hrănire a substratului.

Omogenizare

Majoritatea bioreactoarelor au un dispozitiv de agitare, cum ar fi B. un agitator sau o injecție de gaz prin care circulă mediul. Acest lucru asigură o setare omogenă a diferiților parametri în întregul reactor și astfel un flux de proces mai uniform.

Spumant

Dezvoltarea spumei cauzată de agitare este adesea problematică, care poate înfunda filtrul de aer evacuat și poate pune stres mecanic pe celulele cultivate. Antiespumantii chimici (agenti antispumanti) actioneaza prin reducerea tensiunii superficiale. Negativ este influența asupra transportului gazelor și separabilitatea redusă de soluția de reacție în timpul procesării în aval (prepararea produsului).

Antispumantele mecanice, cum ar fi distrugătoarele de spumă, sparg spuma, dar nu îndepărtează factorii de formare a spumei, cum ar fi de ex. B. celule moarte. Cu separatoarele de spumă, spuma este deviată și lichefiată din nou și apoi poate fi pompată afară.

Operațiune continuă sau discontinuă

La acționarea unui fermentator, se poate face distincția între:

Funcționarea în serie: umplerea reactorului, fără adăugare sau îndepărtare în timpul procesului de fermentare, control simplu, contaminare puțin probabilă
Operațiune Fed-batch: similară cu operația batch; oricum z. B. Adăugarea de substrat în timpul procesului, deoarece o concentrație de substrat inițial ridicată poate fi inhibantă
funcționare continuă în bioreactorul chemostatului: funcționarea neîntreruptă prin adăugarea de substrat și îndepărtarea produsului, controlul complex, contaminarea este problematică, dar procesele costisitoare și consumatoare de timp din aval pot fi, de asemenea, efectuate continuu și astfel mai bine utilizate

De exemplu, în cercetare, fermentațiile pe loturi sunt mai susceptibile de a fi efectuate, în timp ce în fabricile de producție mai mari stabilirea unei funcționări continue poate avea sens economic.

Reactoare

Tipuri de reactoare

Parametrii de funcționare care trebuie respectați pentru organismele utilizate sau din motive tehnice, organizaționale și de altă natură sunt foarte diferite. Prin urmare, un bioreactor corespunzător trebuie proiectat pentru utilizarea respectivă sau poate fi utilizat un tip de reactor în care diferiții parametri pot fi reglați într-o fereastră largă, astfel încât să poată fi utilizat în diferite scopuri. Un tip obișnuit este reactorul cu rezervor agitat gazos într-o mare varietate de variante (material, dimensiune etc.).

Diferențierea în funcție de tehnologia de amestecare

În fiecare bioreactor există trei faze: solid (biomasă), lichid (mediu nutritiv) și gazos (de exemplu, aer, oxigen, dioxid de carbon, azot). În bioreactor, distribuția lor este menținută omogenă cu diferite măsuri:

Componente mecanice mobile (agitatoare): de ex. B. într-un reactor cu rezervor agitat
circuit extern al pompei: lichidul este circulat de o pompă, de ex. B. Reactor cu jet liber
Suflare în gaz: faza gazoasă este suflată în partea lichidă și, de ex. B. Reactor de transport aerian, de asemenea, reactor cu coloană cu bule

Dacă aceste forme de reactoare sunt prevăzute cu tuburi de ghidare, rezultă următoarele tipuri de reactoare:

Reactor cu elice (un reactor în care energia este introdusă de un agitator care se deplasează axial în jos și care este prevăzut cu un tub de ghidare)
Reactor cu buclă cu jet (un reactor cu jet liber cu tub de ghidare)
Reactor cu buclă mamut (un reactor de transport aerian sau un reactor cu coloană cu bule cu tub de tiraj)

Diferențierea în funcție de structură

O altă distincție este posibilă în funcție de tipul structurii reactorului:

Mai multe reactoare cu rezervor agitat conectate în serie formează un reactor în cascadă („cascadă cu rezervor agitat”). În special în cercetare și dezvoltarea proceselor, sistemele de bioreactoare paralele formate din patru, opt sau șaisprezece reactoare sunt utilizate din ce în ce mai mult.

În cercetare, reactoarele cu rezervor mic agitat sau adesea flacoane Erlenmeyer sunt utilizate ca fermentatoare de laborator, care sunt atașate la așa-numitul agitator pentru a agita mediul.

În trecut, bioreactoarele solide dominau în unele zone datorită controlului mai simplu al proceselor. Cultivarea lichidă, cunoscută și sub numele de fermentație scufundată, a fost dificil de controlat, dar domină astăzi din cauza diferitelor avantaje, cum ar fi: B. posibilitățile mai bune de alimentare cu oxigen prin agitare și gazare.

Reactoare reutilizabile și de unică folosință

Majoritatea bioreactoarelor sunt realizate din metal (oțel inoxidabil) sau sticlă. Aceasta permite curățarea sau sterilizarea simplă și, prin urmare, utilizarea multiplă.

Pe de altă parte, în tehnologia culturii de celule animale, se utilizează din ce în ce mai mult bioreactoare de unică folosință sub formă de pungi de unică folosință pre-sterilizate. Acestea constau din film compozit [4]. Tehnologia de unică folosință evită procesele de curățare și sterilizare care necesită mult timp, ceea ce, în special la producerea preparatelor biologice, duce la timpi de montare considerabil mai scurți și, astfel, la reducerea costurilor. Majoritatea bioreactoarelor de unică folosință nu sunt reactoare cu rezervor agitat. În schimb, este circulat de un dispozitiv de balansare.