Биореактор — это любое изготовленное устройство или система, которая поддерживает биологически активную среду. [1] В одном случае биореактор — это сосуд, в котором осуществляется химический процесс , в котором участвуют организмы или биохимически активные вещества, полученные из таких организмов. Этот процесс может быть как аэробным , так и анаэробным . Эти биореакторы обычно имеют цилиндрическую форму, размерами от литров до кубических метров, и часто изготавливаются из нержавеющей стали . [ требуется цитата ] Это также может относиться к устройству или системе, предназначенным для выращивания клеток или тканей в контексте клеточной культуры . [2] Эти устройства разрабатываются для использования в тканевой инженерии или биохимической / биотехнологической инженерии. [ требуется цитата ]
На основе режима работы биореактор можно классифицировать как периодический , подпитываемый периодический или непрерывный (например, модель реактора с непрерывным перемешиванием ). Примером непрерывного биореактора является хемостат . [ необходима цитата ]
Организмы или биохимически активные вещества, растущие в биореакторах, могут быть погружены в жидкую среду или могут быть закреплены на поверхности твердой среды. Погруженные культуры могут быть суспендированы или иммобилизованы. Суспензионные биореакторы могут поддерживать более широкий спектр организмов, поскольку специальные поверхности прикрепления не требуются, и могут работать в гораздо большем масштабе, чем иммобилизованные культуры. Однако в непрерывно работающем процессе организмы будут удаляться из реактора со сточными водами. 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 работающих процессов, поскольку организмы не будут удаляться со сточными водами реактора, но ограничена в масштабе, поскольку микробы присутствуют только на поверхностях сосуда.
Крупномасштабные биореакторы с иммобилизованными клетками:
Проектирование биореактора является относительно сложной инженерной задачей, которая изучается в дисциплине 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 аэробной ферментации) влияют на рост и продуктивность организмов. Температура ферментационной среды поддерживается охлаждающей рубашкой, змеевиками или и тем, и другим. В частности, экзотермические ферментации могут потребовать использования внешних теплообменников. Питательные вещества могут непрерывно добавляться в ферментер, как в системе с подпиткой, или могут быть загружены в реактор в начале ферментации. pH среды измеряется и регулируется небольшими количествами кислоты или основания, в зависимости от ферментации. Для аэробной (и некоторых анаэробных) ферментации в ферментацию должны быть добавлены реагирующие газы (особенно кислород). Поскольку кислород относительно нерастворим в воде (основа почти всех ферментационных сред), воздух (или очищенный кислород) необходимо добавлять непрерывно. Действие поднимающихся пузырьков помогает перемешивать ферментационную среду, а также « вытесняет » отработанные газы, такие как углекислый газ. На практике биореакторы часто находятся под давлением; это увеличивает растворимость кислорода в воде. В аэробном процессе оптимальный перенос кислорода иногда является этапом, ограничивающим скорость. Кислород плохо растворяется в воде — еще меньше в теплых ферментационных бульонах — и его относительно мало в воздухе (20,95%). Переносу кислорода обычно способствует перемешивание, которое также необходимо для смешивания питательных веществ и поддержания однородности ферментации. Газодисперсионные агитаторы используются для разрушения пузырьков воздуха и их циркуляции по всему сосуду. [ необходима цитата ]
Загрязнение может нанести вред общей эффективности биореактора, особенно теплообменников . Чтобы этого избежать, биореактор должен легко очищаться. Внутренние поверхности обычно изготавливаются из нержавеющей стали для легкой очистки и дезинфекции. Обычно биореакторы очищаются между партиями или проектируются 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. [ необходима цитата ]
Фотобиореактор ( PBR ) — это биореактор, который включает в себя некоторый тип источника света (это может быть естественный солнечный свет или искусственное освещение). Практически любой полупрозрачный контейнер можно назвать PBR, однако этот термин чаще используется для определения закрытой системы, в отличие от открытого резервуара для хранения или пруда . Фотобиореакторы используются для выращивания небольших фототрофных организмов, таких как цианобактерии , водоросли или моховые растения. [6] Эти организмы используют свет через фотосинтез в качестве источника энергии и не требуют сахара или липиды в качестве источника энергии. Следовательно, риск заражения другими организмами, такими как бактерии или грибы, ниже в фотобиореакторах по сравнению с биореакторами для гетеротрофных организмов. [ требуется ссылка ]
Традиционная очистка сточных вод использует биореакторы для выполнения основных процессов очистки. В некоторых из этих систем химически инертная среда с очень большой площадью поверхности предоставляется в качестве субстрата для роста биологической пленки. Отделение избыточной биологической пленки происходит в отстойниках или циклонах. В других системах аэраторы подают кислород в сточные воды и биоту для создания активированного ила , в котором биологический компонент свободно смешивается с жидкостью в «хлопьях». В этих процессах биохимическая потребность в кислороде (БПК) жидкости снижается в достаточной степени, чтобы сделать загрязненную воду пригодной для повторного использования. Биотвердые вещества можно собирать для дальнейшей обработки или высушивать и использовать в качестве удобрения. Крайне 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 для бактерий. [ необходима цитата ]
Многие клетки и ткани, особенно млекопитающих, должны иметь поверхность или другую структурную поддержку для роста, а перемешиваемые среды часто разрушительны для этих типов клеток и тканей. Высшие организмы, будучи ауксотрофными , также требуют высокоспециализированных питательных сред. Это создает проблему, когда целью является культивирование больших количеств клеток для терапевтических производственных целей, и требуется существенно иная конструкция по сравнению с промышленными биореакторами, используемыми для выращивания систем экспрессии белка, таких как дрожжи и бактерии. [ необходима цитата ]
Многие исследовательские группы разработали новые биореакторы для выращивания специализированных тканей и клеток на структурном каркасе в попытке воссоздать органоподобные структуры тканей in vitro . Среди них есть тканевые биореакторы, которые могут выращивать сердечную ткань, [7] [8] скелетную мышечную ткань, [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.
Более подробную информацию об искусственной культуре тканей см. в разделе тканевая инженерия .
Математические модели выступают в качестве важного инструмента в различных применениях биореакторов, включая очистку сточных вод. Эти модели полезны для планирования эффективных стратегий управления процессами и прогнозирования будущей производительности завода. Кроме того, эти модели полезны в области образования и исследований. [ необходима цитата ]
Биореакторы обычно используются в тех отраслях, которые связаны с продуктами питания, напитками и фармацевтикой. Возникновение биохимической инженерии имеет недавнее происхождение. Обработка биологических материалов с использованием биологических агентов, таких как клетки, ферменты или антитела, является основными столпами биохимической инженерии. Приложения биохимической инженерии охватывают основные области цивилизации, такие как сельское хозяйство, продукты питания и здравоохранение, восстановление ресурсов и тонкие химикаты. [ необходима ссылка ]
До сих пор отрасли, связанные с биотехнологией, отставали от других отраслей в реализации контроля над процессом и оптимизационных стратегий. Главным недостатком в контроле биотехнологического процесса является проблема измерения ключевых физических и биохимических параметров. [10]
Биопроцесс в основном состоит из трех этапов — первичной обработки, биореакции и вторичной обработки — для преобразования сырья в готовый продукт. [11]
Сырье может быть биологического или небиологического происхождения. Сначала оно преобразуется в более подходящую для обработки форму. Это делается на этапе обработки вверх по потоку, который включает химический гидролиз, подготовку жидкой среды, отделение частиц, очистку воздуха и многие другие подготовительные операции. [ необходима цитата ]
После этапа обработки вверх по течению полученный корм передается на один или несколько этапов биореакции. Биохимические реакторы или биореакторы образуют основу этапа биореакции. Этот этап в основном состоит из трех операций, а именно: производство биомассы , биосинтез метаболитов и биотрансформация. [ необходима цитата ]
Наконец, материал, произведенный в биореакторе, должен быть дополнительно обработан в секции ниже по потоку, чтобы преобразовать его в более полезную форму. Процесс ниже по потоку в основном состоит из операций физического разделения, которые включают разделение твердого вещества и жидкости, адсорбцию , экстракцию жидкость-жидкость , дистилляцию , сушку и т. д. [12]
Типичный биореактор состоит из следующих частей:
Мешалка — используется для перемешивания содержимого реактора, что позволяет поддерживать клетки в идеально однородном состоянии для лучшей транспортировки питательных веществ и кислорода к желаемому продукту(ам).
Перегородка – используется для прерывания вихреобразования в сосуде, что обычно крайне нежелательно, поскольку изменяет центр тяжести системы и потребляет дополнительную мощность.
Барботер – в процессе аэробного культивирования целью барботера является подача достаточного количества кислорода к растущим клеткам.
Рубашка – Рубашка обеспечивает кольцевую область для циркуляции воды постоянной температуры, которая поддерживает температуру биореактора на постоянном уровне. [13]
