Біореактор - біологія

A Біореактор, часто також як Ферментер є контейнером, в якому певні мікроорганізми, клітини або дрібні рослини [1] культивуються в найкращих можливих умовах (також: ферментований) буде. Таким чином, робота біореактора - це застосування біотехнології, що використовує або робить придатними біологічні процеси (біоконверсія, біокаталіз) у технічних установках.

Важливими факторами, які можна контролювати або контролювати в більшості біореакторів, є склад живильного середовища (також Поживний розчин або Субстрат), подача кисню, температура, рН, стерильність та інші. [2] Метою культивування в біореакторі може бути отримання клітин або компонентів клітин або отримання продуктів метаболізму. Це можуть, наприклад, B. використовуватися як активний інгредієнт у фармацевтичній або як основна хімічна речовина в хімічній промисловості. Розпад хімічних сполук може також мати місце в біореакторах, таких як Б. при очищенні стічних вод на очисних спорудах. [2] Виробництво пива, вина та інших продуктів, що виробляються протягом тисячоліть, також відбувається у біореакторах. На відміну від сучасних застосувань, ці класичні приклади зазвичай не говорять про біореактори, а використовують терміни, що зазнали історичного впливу (наприклад, пивоварений чайник у виробництві пива).

У біореакторах для різних цілей культивують найрізноманітніші організми. Тому доступно кілька варіантів реакторів у різних конструкціях. Типовими є реактори-балони з перемішуванням, виготовлені з металу, які можуть мати обсяг від декількох до тисяч літрів і заповнені поживним розчином. Але також дуже різні варіанти, такі як B. Використовуються реактори з нерухомим шаром, фотобіореактори тощо. [2]

історія

Оскільки пивоварні чайники на пивоварнях технічно входять до складу біореакторів, появу перших біореакторів можна прирівняти до появи перших пивоварних заводів приблизно 5500 років тому. Пристрої для виробництва різних молочних продуктів за допомогою бактерій або ферментів, що використовуються протягом тисячоліть, також можна назвати біореакторами.

З розвитком біотехнологій, особливо завдяки значним досягненням мікробіології в 19 столітті та в генетиці, молекулярній біології та генній інженерії з середини 20 століття, все більше і більше застосувань, наприклад Б. у хімічній промисловості та у фармацевтичному секторі. Біореактори використовуються в багатьох біотехнологічних процесах.

Робочі параметри

Основне призначення біореактора - забезпечити максимально високий урожай продукту. Це досягається, зокрема, шляхом створення оптимальних умов для організму, що використовується в кожному конкретному випадку. Це пристосовано до різних параметрів, що переважають у природному середовищі існування. Важливими є напр. B. тип і концентрація поживних речовин, температура, вміст кисню, рН тощо. Крім того, зазвичай необхідна мішалка або інший пристрій для забезпечення однорідності цих параметрів по всьому простору реактора. На додаток до потреб організмів, слід враховувати й інші технічні, організаційні та економічні фактори, що впливають на вибір експлуатаційних параметрів. Прикладами є уникнення утворення піни та вибір режиму безперервної роботи або періодичної роботи.

За допомогою зондів або датчиків багато з цих параметрів вимірюються безпосередньо в живильному середовищі або у відпрацьованому повітрі. [2] Перебіг процесу зазвичай можна оцінити за допомогою цих параметрів. Це може бути z. Б. визначають щільність клітин, вимірюючи екстинкцію (оптичну щільність), що в свою чергу вказує на кількість продукту. Альтернативою часто є вимірювання концентрації характерної хімічної сполуки, наприклад B. збільшення концентрації продукту метаболізму або зменшення концентрації субстрату. [2]

На початку ферментації живильне середовище змішується з невеликою кількістю мікроорганізму, отриманого в результаті попереднього культивування. Ця кількість називається інокулятом, процес часто називають Щеплення призначений. Суспензія, отримана в процесі бродіння (бульйону) - це коли т. зв Поточна обробка готується в кілька етапів процесу.

Поживна речовина

Поживне середовище має забезпечувати організми всіма необхідними для росту поживними речовинами. Сюди входять основні харчові елементи (макроелементи), необхідні у більшій кількості, такі як B. вуглець, азот і фосфор. Потрібні також різні мікроелементи (мікроелементи). Залежно від організму необхідні інші сполуки, які неможливо синтезувати самостійно (вітаміни, незамінні амінокислоти тощо). Енергозберігаюче з'єднання, таке як Б. часто необхідна цукрова глюкоза (за винятком фототрофних організмів).

температури

Організми мають оптимальну температуру, при якій вони найкраще розмножуються. Перевищення цієї температури може призвести до незворотних пошкоджень внаслідок денатурації білків, а падіння нижче цього призводить до зниження швидкості метаболізму і, таким чином, до тривалого часу процесу. Регулювання температури здійснюється за допомогою контурів опалення та охолодження. При запуску реактора весь вміст реактора нагрівається або нагрівається до робочої температури. У деяких випадках культивовані організми через свій метаболізм виробляють стільки відхідного тепла, що від певної концентрації клітин активним є лише контур охолодження. В цей контур може бути інтегрований теплообмінник або безпосередньо подається енергоносій. У більшості випадків лише подвійна стінка контейнера і, в рідкісних випадках, вбудовані регістри охолодження доступні як поверхні теплообміну в реакційному просторі.

Вміст кисню

Підходи до бродіння можуть, залежно від організму та продукту, проводитись аеробно (в кисневмісній атмосфері) або анаеробно (без кисню). Кисень погано розчиняється у воді, тому достатня кількість аеробних підходів утруднена. Розчинність кисню у ферментаційному середовищі з температурою 37 ° С становить, наприклад, 3-5 мг/л. Парціальний тиск кисню можна регулювати кількома методами:

Зміна потоку газу,
Зміна швидкості мішалки,
Зміна геометрії перемішувального інструменту,
Зміна складу газової суміші,
Зміна тиску в напорі (це також збільшує розчинність інших газів, наприклад вуглекислого газу).

Однак, якщо газу наддуто занадто багато або швидкість мішалки занадто висока, небажане утворення піни також збільшується.

Однак у випадку обов’язкових анаеробних організмів слід уникати надходження кисню, оскільки він може бути токсичним. У випадку анаеробних підходів з факультативними анаеробними організмами, подача кисню дозволить небажані аеробні реакції, які можуть зменшити вихід процесу.

Значення PH

Культивовані організми зазвичай мають обмежений діапазон толерантності до рН з оптимумом рН. Значення рН можна регулювати за допомогою насосів, автоматично підключених до датчика рН, які, за потреби, подаються в біореактор для підкислення, наприклад, фосфорної кислоти (H3PO4), соляної кислоти (HCl) або для підвищення значення рН, наприклад гідроксиду натрію (NaOH) насос. У деяких випадках рН також можна досягти за допомогою швидкості подачі субстрату.

Гомогенізація

Більшість біореакторів мають перемішуючий пристрій, такий як B. мішалка або інжектор газу, через який циркулює середовище. Це забезпечує однорідне встановлення різних параметрів у всьому реакторі і, таким чином, більш рівномірний процес.

Піноутворення

Розвиток піни, спричиненої перемішуванням, часто є проблематичним, що може засмітити фільтр відпрацьованого повітря та спричинити механічне навантаження на культивовані клітини. Хімічні піногасники (піногасники) працюють за рахунок зменшення поверхневого натягу. Негативним є вплив на транспорт газу та погана відокремлюваність від реакційного розчину під час подальшої переробки (підготовка продукту).

Механічні піногасники, такі як піноруйнівники, розбивають піну, але не видаляють піноутворюючі фактори, такі як напр. B. мертві клітини. За допомогою піновідділювачів піна знову відводиться і зріджується, а потім може відкачуватися.

Безперервна або періодична робота

При експлуатації ферментера можна розрізняти:

Періодична робота: наповнення реактора, відсутність додавання або видалення в процесі бродіння, просте управління, забруднення малоймовірне
Пакетна операція, що подається: подібно до пакетної операції; однак z. B. Додавання субстрату під час процесу, оскільки спочатку висока концентрація субстрату може перешкоджати
безперервна робота в біореакторі хемостату: безперебійна робота шляхом додавання субстрату та видалення продукту, складний контроль, забруднення є проблематичним, але дорогі та трудомісткі подальші процеси також можуть проводитися постійно і, таким чином, краще використовувати

Наприклад, у дослідженнях частіше здійснюють періодичне бродіння, тоді як на великих виробничих підприємствах встановлення безперервної роботи може мати економічний сенс.

Реактори

Типи реакторів

Робочі параметри, які слід дотримуватись для використовуваних організмів або з технічних, організаційних та інших причин, дуже різні. Отже, відповідний біореактор повинен бути розроблений для відповідного використання, або може бути використаний тип реактора, в якому різні параметри можуть регулюватися в широкому вікні, щоб його можна було використовувати для різних цілей. Поширеним типом є газореакторний реактор з перемішуванням у різноманітних варіантах (матеріал, розмір тощо).

Диференціація за технологією перемішування

У кожному біореакторі є три фази: тверда (біомаса), рідка (живильне середовище) та газоподібна (наприклад, повітря, кисень, вуглекислий газ, азот). У біореакторі їх розподіл зберігається однорідним за допомогою різних заходів:

Рухомі механічні компоненти (мішалки): напр. Б. в реакторі з перемішуваним баком
зовнішній контур насоса: рідина циркулює насосом, напр. Б. Реактор вільного струменя
Видування в газі: газова фаза продувається в рідку частину і, напр. B. Ерліфтовий реактор, також реактор з бульбашковою колоною

Якщо ці форми реакторів забезпечені направляючими трубками, отримані наступні типи реакторів:

Пропелерний петлевий реактор (реактор, в який енергія вводиться мішалкою, яка рухається осьово вниз і яка забезпечена направляючою трубкою)
Реактивний реактор (вільно реактивний реактор з напрямною трубкою)
Реактор з мамутовою петлею (реактор ерліфта або реактор з бульбашковою колоною з тяговою трубкою)

Диференціація за структурою

Подальше розрізнення можливо за типом структури реактора:

Кілька послідовно з'єднаних резервуарних реакторів з перемішуванням утворюють каскадний реактор ("каскад з перемішуваним резервуаром"). Зокрема, для досліджень та розробки процесів все частіше використовуються паралельні біореакторні системи, що складаються з чотирьох, восьми чи шістнадцяти реакторів.

Під час досліджень в якості лабораторних ферментерів використовуються невеликі реактори-баки з перемішуванням або часто також колби Ерленмейера, які прикріплюються до так званого шейкера для перемішування середовища.

Раніше тверді біореактори домінували в деяких районах через їх простіший контроль над процесами. Вирощування рідини, також відоме як занурене бродіння, було важко контролювати, але сьогодні домінує через різні переваги, такі як: Б. кращі варіанти постачання кисню шляхом перемішування та газоутворення.

Багаторазові та одноразові реактори

Більшість біореакторів виготовляються з металу (нержавіючої сталі) або скла. Це дозволяє просте очищення або стерилізацію, а отже, багаторазове використання.

Натомість у технології культури клітин тварин все частіше застосовуються одноразові біореактори у вигляді попередньо стерилізованих одноразових пакетів. Вони складаються з композитної плівки [4]. Технологія одноразового використання дозволяє уникнути трудомістких процесів очищення та стерилізації, що, зокрема, при виробництві біологічних препаратів призводить до значно коротшого часу налаштування і, отже, до економії коштів. Більшість біореакторів одноразового використання не є реакторами з перемішуванням. Натомість він циркулює за допомогою гойдалки.