Биореактором называют любое произведенное устройство или систему, поддерживающую биологически активную среду . [1] В одном случае биореактор представляет собой сосуд, в котором осуществляется химический процесс , в котором участвуют организмы или биохимически активные вещества, полученные из таких организмов. Этот процесс может быть аэробным или анаэробным . Эти биореакторы обычно имеют цилиндрическую форму, размер от литров до кубических метров, и часто изготавливаются из нержавеющей стали . [ нужна цитация ] Это может также относиться к устройству или системе, предназначенной для выращивания клеток или тканей в контексте клеточной культуры . [2] Эти устройства разрабатываются для использования в тканевой инженерии или биохимической / биотехнологической инженерии. [ нужна цитата ]
В зависимости от режима работы биореактор можно классифицировать как периодический , с подпиткой или непрерывный (например, модель реактора непрерывного действия с мешалкой ). Примером биореактора непрерывного действия является хемостат . [ нужна цитата ]
Организмы или биохимически активные вещества, растущие в биореакторах, могут быть погружены в жидкую среду или закреплены на поверхности твердой среды. Погруженные культуры могут быть подвешены или иммобилизованы. Суспензионные биореакторы могут поддерживать более широкий спектр организмов, поскольку не требуются специальные поверхности для прикрепления, и могут работать в гораздо больших масштабах, чем иммобилизованные культуры. Однако в непрерывном процессе организмы будут удаляться из реактора вместе со стоками. Иммобилизация — это общий термин, описывающий широкий спектр методов прикрепления или захвата клеток или частиц. [3] Его можно применять практически ко всем типам биокатализа, включая ферменты, клеточные органеллы, клетки и органы животных и растений. [4] [5] Иммобилизация полезна для непрерывно действующих процессов, поскольку организмы не будут удалены со стоками реактора, но ее масштабы ограничены, поскольку микробы присутствуют только на поверхности резервуара.
Крупномасштабные биореакторы с иммобилизованными клетками:
Проектирование биореактора — относительно сложная инженерная задача, которая изучается в области биохимической / биотехнологической инженерии. В оптимальных условиях микроорганизмы или клетки способны выполнять желаемую функцию с ограниченным образованием примесей. Условия окружающей среды внутри биореактора, такие как температура, концентрация питательных веществ, pH и растворенные газы (особенно кислород для аэробных ферментаций), влияют на рост и продуктивность организмов. Температура ферментационной среды поддерживается с помощью охлаждающей рубашки, змеевиков или того и другого. В частности, экзотермические ферментации могут потребовать использования внешних теплообменников. Питательные вещества можно добавлять в ферментер непрерывно, как в периодической системе с подпиткой, или можно загружать в реактор в начале ферментации. pH среды измеряется и регулируется небольшими количествами кислоты или основания, в зависимости от ферментации. Для аэробной (и некоторых анаэробных) ферментаций к ферментации необходимо добавлять реагирующие газы (особенно кислород). Поскольку кислород относительно нерастворим в воде (основа почти всех ферментационных сред), воздух (или очищенный кислород) необходимо добавлять постоянно. Действие поднимающихся пузырьков помогает перемешивать среду брожения, а также « удалять » отходящие газы, такие как углекислый газ. На практике биореакторы часто находятся под давлением; это увеличивает растворимость кислорода в воде. В аэробном процессе оптимальная передача кислорода иногда является этапом, ограничивающим скорость. Кислород плохо растворяется в воде (еще меньше в теплых ферментационных бульонах) и относительно скуден в воздухе (20,95%). Переносу кислорода обычно способствует перемешивание, которое также необходимо для смешивания питательных веществ и поддержания однородности ферментации. Газодиспергирующие мешалки используются для разрушения пузырьков воздуха и их циркуляции по сосуду. [ нужна цитата ]
Загрязнение может снизить общую эффективность биореактора, особенно теплообменников . Чтобы этого избежать, биореактор должен легко очищаться. Внутренние поверхности обычно изготавливаются из нержавеющей стали для облегчения чистки и дезинфекции. Обычно биореакторы очищаются между партиями или сконструированы так, чтобы максимально уменьшить загрязнение при непрерывной работе. Теплопередача является важной частью конструкции биореактора; небольшие сосуды можно охлаждать с помощью охлаждающей рубашки, но для более крупных сосудов могут потребоваться змеевики или внешний теплообменник. [ нужна цитата ]
Фотобиореактор (PBR) — это биореактор, который включает в себя источник света определенного типа (это может быть естественный солнечный свет или искусственное освещение) . Практически любой полупрозрачный контейнер можно назвать PBR, однако этот термин чаще используется для обозначения закрытой системы, а не открытого резервуара для хранения или пруда . Фотобиореакторы используются для выращивания небольших фототрофных организмов, таких как цианобактерии , водоросли или растения мха . [6] Эти организмы используют свет посредством фотосинтеза в качестве источника энергии и не требуют сахаров или липидов в качестве источника энергии. Следовательно, риск заражения другими организмами, такими как бактерии или грибы, в фотобиореакторах ниже, чем в биореакторах для гетеротрофных организмов. [ нужна цитата ]
При традиционной очистке сточных вод для проведения основных процессов очистки используются биореакторы. В некоторых из этих систем в качестве субстрата для роста биологической пленки используется химически инертная среда с очень большой площадью поверхности. Отделение избыточной биологической пленки происходит в отстойниках или циклонах. В других системах аэраторы подают кислород в сточные воды и биоту для создания активного ила , в котором биологический компонент свободно смешивается со щелоком в виде «хлопьев». В этих процессах биохимическая потребность жидкости в кислороде (БПК) снижается настолько, что загрязненная вода становится пригодной для повторного использования. Твердые биологические вещества можно собирать для дальнейшей переработки или сушить и использовать в качестве удобрения. Чрезвычайно простой версией биореактора для сточных вод является септик, в котором сточные воды остаются на месте с дополнительной средой для размещения бактерий или без нее. В этом случае сам биошлам является основным хозяином бактерий. [ нужна цитата ]
Многие клетки и ткани, особенно млекопитающих, для роста должны иметь поверхность или другую структурную опору, а возбужденная среда часто разрушительна для этих типов клеток и тканей. Высшие организмы, будучи ауксотрофами , также нуждаются в высокоспециализированных питательных средах. Это создает проблему, когда целью является культивирование большего количества клеток для терапевтических производственных целей, и необходима существенно иная конструкция по сравнению с промышленными биореакторами, используемыми для выращивания систем экспрессии белков, таких как дрожжи и бактерии. [ нужна цитата ]
Многие исследовательские группы разработали новые биореакторы для выращивания специализированных тканей и клеток на структурном каркасе, пытаясь воссоздать органоподобные тканевые структуры in vitro . Среди них тканевые биореакторы, которые могут выращивать ткани сердца, [7] [8] ткань скелетных мышц, [9] связки, модели раковых тканей и другие. В настоящее время масштабирование производства этих специализированных биореакторов для промышленного использования остается сложной задачей и является активной областью исследований.
Для получения дополнительной информации о культуре искусственных тканей см. Тканевая инженерия .
Математические модели выступают в качестве важного инструмента в различных приложениях биореакторов, включая очистку сточных вод. Эти модели полезны для планирования эффективных стратегий управления технологическими процессами и прогнозирования будущей производительности предприятия. Более того, эти модели полезны в сфере образования и исследований. [ нужна цитата ]
Биореакторы обычно используются в тех отраслях промышленности, которые связаны с пищевыми продуктами, напитками и фармацевтическими препаратами. Появление биохимической инженерии имеет недавнее происхождение. Обработка биологических материалов с использованием биологических агентов, таких как клетки, ферменты или антитела, является основным столпом биохимической инженерии. Приложения биохимической инженерии охватывают основные области цивилизации, такие как сельское хозяйство, продовольствие и здравоохранение, восстановление ресурсов и тонкая химия. [ нужна цитата ]
До сих пор отрасли, связанные с биотехнологиями, отставали от других отраслей в реализации контроля над процессом и стратегии оптимизации. Основным недостатком управления биотехнологическими процессами является проблема измерения основных физических и биохимических параметров. [10]
Биопроцесс состоит в основном из трех стадий — первичной обработки, биореакции и последующей обработки — для преобразования сырья в готовый продукт. [11]
Сырье может быть биологического или небиологического происхождения. Сначала его преобразуют в более подходящую для обработки форму. Это делается на предварительном этапе обработки, который включает химический гидролиз, подготовку жидкой среды, отделение частиц, очистку воздуха и многие другие подготовительные операции. [ нужна цитата ]
После этапа первичной обработки полученное сырье передается на одну или несколько стадий биореакции. Биохимические реакторы или биореакторы составляют основу этапа биореакции. Этот этап в основном состоит из трех операций, а именно: производства биомассы , биосинтеза метаболитов и биотрансформации. [ нужна цитата ]
Наконец, материал, произведенный в биореакторе, должен быть подвергнут дальнейшей обработке в последующей секции, чтобы преобразовать его в более полезную форму. Последующий процесс в основном состоит из операций физического разделения, которые включают разделение твердой и жидкой фаз, адсорбцию , жидкостно-жидкостную экстракцию , дистилляцию , сушку и т. д. [12]
Типичный биореактор состоит из следующих частей:
Мешалка – используется для перемешивания содержимого реактора, что поддерживает клетки в идеальном гомогенном состоянии для лучшей транспортировки питательных веществ и кислорода к желаемому продукту(ам).
Перегородка – используется для разрушения вихревого образования в сосуде, что обычно крайне нежелательно, поскольку меняет центр тяжести системы и потребляет дополнительную мощность.
Барботер . В процессе аэробного культивирования целью барботера является снабжение растущих клеток достаточным количеством кислорода.
Рубашка . Рубашка обеспечивает кольцевую зону для циркуляции воды постоянной температуры, которая поддерживает температуру биореактора на постоянном уровне. [13]
