Биореактор - биология

A Биореактор, често също като Ферментер е контейнер, в който определени микроорганизми, клетки или малки растения [1] се отглеждат при възможно най-добрите условия (също: ферментирал) ще. По този начин работата на биореактор е приложение на биотехнологии, което използва или прави използваеми биологични процеси (биоконверсия, биокатализа) в технически съоръжения.

Важни фактори, които могат да бъдат контролирани или наблюдавани в повечето биореактори, са съставът на хранителната среда (също Хранителен разтвор или Субстрат), подаване на кислород, температура, рН, стерилност и други. [2] Целта на култивирането в биореактор може да бъде получаване на клетките или компонентите на клетките или получаване на метаболитни продукти. Те могат напр. Б. да се използва като активна съставка във фармацевтиката или като основен химикал в химическата промишленост. Разграждането на химичните съединения може да се осъществи и в биореактори, като напр Б. при пречистване на отпадъчни води в пречиствателни станции. [2] Производството на бира, вино и други продукти, които се произвеждат в продължение на хиляди години, също се извършва в биореактори. За разлика от съвременните приложения, тези класически примери обикновено не говорят за биореактори, но използват исторически повлияните термини (например чайник за варене при производството на бира).

Голямо разнообразие от организми се отглеждат в биореактори за различни цели. Следователно се предлагат няколко варианта на реактора в различни конструкции. Типични са реакторите с разбъркани резервоари, изработени от метал, които могат да имат обем от няколко до хиляди литра и са пълни с хранителен разтвор. Но и много различни варианти, като Б. Използват се реактори с неподвижно легло, фотобиореактори и др. [2]

история

Тъй като чайниците за пивоварни в пивоварните са технически част от биореакторите, появата на първите биореактори може да бъде приравнена на появата на първите пивоварни преди около 5500 години. Устройствата за производство на различни млечни продукти с помощта на бактерии или ензими, които се използват от хилядолетия, също могат да бъдат наречени биореактори.

С напредването на биотехнологиите, особено чрез значителен напредък в микробиологията през 19 век и в генетиката, молекулярната биология и генното инженерство от средата на 20 век, все повече и повече приложения, напр. Б. в химическата промишленост и в областта на фармацевтиката. Биореакторите се използват в много биотехнологични процеси.

Работни параметри

Основната цел на биореактора е да осигури възможно най-високи добиви от продукта. Това се постига по-специално чрез създаване на оптимални условия за организма, използван за всеки отделен случай. Това е адаптирано към различни параметри, които преобладават в естественото му местообитание. Важни са напр. Б. вида и концентрацията на хранителни вещества, температурата, съдържанието на кислород, стойността на рН и др. Освен това обикновено е необходима бъркалка или друго устройство, за да се гарантира, че тези параметри са настроени хомогенно в цялото пространство на реактора. Освен изискванията на организмите, трябва да се вземат предвид и други технически, организационни и икономически фактори, които влияят върху избора на експлоатационни параметри. Примери за това са избягването на образуването на пяна и изборът на непрекъснат или периодичен режим на работа.

С помощта на сонди или сензори много от тези параметри се измерват директно в хранителната среда или в отработения въздух. [2] Ходът на процеса обикновено може да бъде оценен с помощта на тези параметри. Може да е z. Б. определя клетъчната плътност чрез измерване на екстинкцията (оптична плътност), което от своя страна показва количеството на продукта. Алтернатива често е измерването на концентрацията на характерно химично съединение, напр. Б. увеличаването на концентрацията на метаболитен продукт или намаляването на концентрацията на субстрата. [2]

В началото на ферментацията хранителната среда се смесва с малко количество микроорганизъм, получен от предварителното култивиране. Това количество се нарича инокулум, процесът често се нарича Инокулиране определен. Суспензията, получена в процеса на ферментация (бульон) е когато т.нар Обработка надолу по веригата подготвени в няколко етапа на процеса.

Доставка на хранителни вещества

Хранителната среда трябва да осигурява на организмите всички хранителни вещества, необходими за растежа. Те включват основните хранителни елементи (макроелементи), необходими в по-големи количества, като напр Б. въглерод, азот и фосфор. Необходими са и различни микроелементи (микроелементи). В зависимост от организма са необходими други съединения, които не могат да бъдат синтезирани сами (витамини, незаменими аминокиселини и др.). Енергийна връзка, като Б. често е необходима захарната глюкоза (с изключение на фототрофните организми).

температура

Организмите имат оптимална температура, при която се размножават най-добре. Превишаването на тази температура може да доведе до необратими щети поради денатурация на протеините, докато падането под това води до по-ниски метаболитни скорости и по този начин до по-дълги времена на процеса. Контролът на температурата се осъществява чрез отоплителни и охлаждащи кръгове. Когато реакторът се пусне, цялото съдържание на реактора се загрява или затопля до работна температура. В някои случаи култивираните организми генерират толкова много отпадъчна топлина чрез метаболизма си, че от определена клетъчна концентрация е активен само охлаждащият кръг. В тази верига може да се интегрира топлообменник или директно се подава енергоносителят. В повечето случаи само двойната стена на контейнера и, в редки случаи, вградените охладителни регистри са достъпни като топлообменни повърхности в реакционното пространство.

Съдържание на кислород

Ферментационните подходи могат, в зависимост от организма и продукта, да се извършват аеробно (в атмосфера, съдържаща кислород) или анаеробно (без кислород). Кислородът е слабо разтворим във вода, така че е достатъчно затруднено доставяне на аеробни подходи. Разтворимостта на кислород във ферментационна среда с температура 37 ° C е например 3-5 mg/L. Парциалното налягане на кислорода може да се регулира по няколко метода:

Промяна в газовия поток,
Промяна на скоростта на бъркалката,
Промяна на геометрията на разбъркващия инструмент,
Промяна в състава на газовата смес,
Промяна в налягането в главата (това също увеличава разтворимостта на други газове, например въглероден диоксид).

Ако обаче газът се вдухва твърде много или скоростта на бъркалката е твърде висока, нежеланото образуване на пяна също се увеличава.

В случай на задължителни анаеробни организми обаче трябва да се избягва снабдяването с кислород, тъй като той може да бъде токсичен. В случай на анаеробни подходи с факултативно анаеробни организми, доставката на кислород би позволила нежелани аеробни реакции, които биха могли да намалят добива на процеса.

Стойност на PH

Култивираните организми обикновено имат ограничен диапазон на толерантност към рН с рН оптимум. Стойността на рН може да се контролира с помпи, автоматично свързани към сензор за рН, които при необходимост се подават в биореактора за подкисляване, например фосфорна киселина (H3PO4), солна киселина (HCl) или за повишаване на стойността на рН, например натриев хидроксид (NaOH) помпа. В определени случаи рН може да се постигне и чрез скоростта на подаване на субстрата.

Хомогенизация

Повечето биореактори имат разбъркващо устройство, като напр Б. бъркалка или газов инжекцион, през който циркулира средата. Това осигурява хомогенна настройка на различни параметри в целия реактор и по този начин по-равномерен процес.

Разпенване

Развитието на пяна поради разбъркване често е проблематично, което може да задръсти филтъра за отработен въздух и да окаже механично напрежение върху култивираните клетки. Химическите пеногасители (антипенители) действат чрез намаляване на повърхностното напрежение. Отрицателно е влиянието върху транспорта на газ и лошата отделимост от реакционния разтвор по време на последващата обработка (приготвяне на продукта).

Механични пеногасители като разрушители на пяна разбиват пяната, но не отстраняват образуващите пяна фактори като напр. Б. мъртви клетки. При сепараторите за пяна пяната се отклонява и втечнява отново и след това може да се изпомпва.

Непрекъсната или периодична работа

При експлоатация на ферментатор може да се направи разлика между:

Партидна операция: пълнене на реактора, без добавяне или отстраняване по време на процеса на ферментация, прост контрол, малко вероятно замърсяване
Fed-batch операция: подобно на пакетната операция; обаче z. Б. Добавянето на субстрат по време на процеса, като първоначално висока концентрация на субстрат може да потисне
непрекъсната работа в биореактора на хемостата: непрекъсната работа чрез добавяне на субстрат и отстраняване на продукта, сложен контрол, замърсяване е проблематично, но скъпите и отнемащи време процеси надолу по веригата също могат да се извършват непрекъснато и по този начин оптимално да се използват

Например при изследванията по-вероятно е да се извършва периодична ферментация, докато в по-големите производствени предприятия установяването на непрекъсната работа може да има икономически смисъл.

Реактори

Типове реактори

Работните параметри, които трябва да се спазват за използваните организми или поради технически, организационни и други причини, са много различни. Следователно, съответният биореактор трябва да бъде проектиран за съответната употреба или може да се използва тип реактор, при който различните параметри могат да се регулират в широк прозорец, така че да могат да се използват за различни цели. Често срещан тип е газоразполагащият реактор с разбъркан резервоар в голямо разнообразие от варианти (материал, размер и др.).

Диференциация според разбъркващата технология

Във всеки биореактор има три фази: твърда (биомаса), течна (хранителна среда) и газообразна (например въздух, кислород, въглероден диоксид, азот). В биореактора тяхното разпределение се поддържа хомогенно с различни мерки:

Подвижни механични компоненти (бъркалки): напр. Б. в реактор с разбъркан резервоар
външна верига на помпата: течността циркулира от помпа, напр. Б. Свободен реактивен реактор
Издухване в газ: газовата фаза се издухва в течната част и напр. Б. Реактор за въздушен лифт, също реактор с балонни колони

Ако тези реакторни форми са снабдени с направляващи тръби, се получават следните типове реактори:

Реактор с винтова верига (реактор, в който енергията се въвежда от бъркалка, която се движи аксиално надолу и която е снабдена с водеща тръба)
Реакторен реактивен реактор (реактор със свободна струя с водеща тръба)
Реактор с мамутов контур (реактор за въздушен лифт или реактор с балонни колони с тръба за тяга)

Диференциация според структурата

Допълнително разграничение е възможно въз основа на типа структура на реактора:

Няколко реактора с разбъркани резервоари, свързани последователно, образуват каскаден реактор („каскада с разбъркан резервоар“). Все по-често се използват паралелни биореакторни системи, състоящи се от четири, осем или шестнадесет реактора, особено в научните изследвания и разработването на процеси.

При изследвания малки реактори с разбъркани резервоари или често също колби на Erlenmeyer се използват като лабораторни ферментатори, които са прикрепени към така наречения шейкър за разбъркване на средата.

В миналото твърдите биореактори са доминирали в някои области поради по-лесния им контрол на процесите. Култивирането в течност, известно още като потопена ферментация, беше трудно контролируемо, но днес доминира поради различни предимства, като например: Б. по-добрите възможности за снабдяване с кислород чрез разбъркване и обгазяване.

Реактори за многократна употреба и за еднократна употреба

Повечето биореактори са направени от метал (неръждаема стомана) или стъкло. Това позволява просто почистване или стерилизация и по този начин многократна употреба.

В технологията за култивиране на животински клетки, от друга страна, все по-често се използват биореактори за еднократна употреба под формата на предварително стерилизирани торбички за еднократна употреба. Те се състоят от композитен филм [4]. Технологията за еднократна употреба избягва отнемащите време процеси на почистване и стерилизация, което по-специално при производството на биологични препарати води до значително по-кратко време за настройка и по този начин до икономии на разходи. Повечето биореактори за еднократна употреба не са реактори с разбърквани резервоари. Вместо това той се циркулира от люлеещо устройство.