Биореактор

Понятието биореактор може да касае всяко едно изработено съоръжение или система, която поддържа биологично активна среда. От една страна, биореакторът е съд, в който текат химически процеси, които съставляват организми или извлечените от тях активни субстации, по биохимичен път. Тези процеси могат да бъдат или аеробни или анаеробни. Обикновено такъв тип биореактори са цилиндрични, с различен обем от литри до кубични метри, и често са изработени от неръждаема стомана.

От друга страна, биореакторът може да бъде устройство или система, предназначена да отглежда клетки или тъкани в контекста на клетъчни култури. Тези съоръжения са предвидени за употреба при биохимично или тъканно инженерство.

От гл.т. на принцип на работа, биореакторите се класифицират като партидни, за полу-непрекъснат  процес с подхранване и непрекъснат производствен цикъл. Пример за непрекъснат тип реактор е хемостата.

Организмите, които растат в биореакторите могат да бъдат  потопени в течна среда или да бъдат по повърхността на твърда среда. Потопените култури могат да бъдат суспензирани или имобилизирани. Биореакторите за суспензия са подходящи за по-широк спектър от организми, тъй като не са необходими специализирани фиксиращи повърхности и също така могат да работят в по-големи обеми в сравнение с реакторите за имобилизирани култури. При непрекъснатите работни процеси, организмите се евакуират от реактора посредством отточни води. Имобилизацията е общо понятие, характеризиращо голяма разновидност от захванати клетки или частици. Тя може да бъде приложена към всички типове биокатализи, включително и ензими, клетъчни органели, животински и растителни клетки. Имобилизацията е подходяща за непрекъснати процеси, тъй като организмите няма да бъдат премахнати с процесите на оттичане на реактора, но е ограничена от гледна точка на обем, защото микробите са само по повърхностите на съда.

 

Дизайн на биореактори

Проектирането на биореактор е инженерна задача с висока сложност, която се изучава от дисциплината Биохимично инженерство. При оптимални условия, микроорганизмите или клетките са способни да извършват своите функции с минимално количество на примеси. Състоянието на средата в самия биореактор, включително температура, концентрация на хранителни вещества, рН и разтворени газове(особено кислород за аеробна ферментация) влияят върху растежа и производителността на организмите. Температурата на ферментационната среда се поддържа от водна риза, серпентина или и двете. Екзотермичната ферментация може да изисква употребата на външен топлообменник. Хранителните вещества могат да бъдат добавяни във ферментора в началото на ферментационния процес или поетапно(както при полу-прекъснат процес с подхранване). Нивото на рН на средата се измерва и коригира с малки количества киселина и основа, в зависимост от ферментацията. За аеробни(и някой анаеробни) ферментации, реагентните газове(особено кислорода) трябва да бъдат добавени към ферментацията. Към процесите трябва продължително да се добавя въздух(или чист кислород), тъй като кислорода е сравнително неразтворим във вода(основата на почти всички ферментационни среди). Действието на надигащите се мехури спомага за разбъркването на ферментационната среда, като в процеса извлича отпадъчни газове като въглероден диоксид. В практиката, доста често, биореакторите са съдове под налягане; това спомага разтварянето на кислород във водата. В аеробните процеси, оптималният пренос на кислорода понякога е стъпка към ограничаване на тяхната скорост. Кислородът е трудно разтворим във вода – дори още повече в топла течна хранителна среда, и е сравнително оскъден във въздуха(20,95%). Преносът на кислород, обикновено, се спомага от агитация, което е необходимо и за миксиране на хранителните вещества. Процесът на агитация, също така поддържа ферментацията хомогенна

Замърсяването може сериозно да повлияе ефективността на биореактора, особено на топлообменниците. За да се избегне това, биореакторите трябва да бъдат лесни за почистване. Вътрешността на изделието обикновено се изработва от неръждаема стомана за лесно хигиенизиране. Обикновено реакторите се почистват между партидите, или са проектирани така, че да се избегне колкото се може повече замърсяване при непрекъснат производствен процес. Топлообменът е важна част, касаеща проектирането на биореактора – малките съдове могат да бъдат охладени с водна риза, но големите може да изискват серпентини или външен топлообменник.

Фотобиореактор представлява биореактор който включва определен тип източник на светлина(естествена слънчева светлина или изкуствено осветление). Общо взето, всеки прозрачен контейнер може да бъде наречен фотобиореактор, въпреки това, терминът е по-често използван да дефинира затворени системи, различни от отворен резервоар или воден басейн. Фотобиореакторите се използват за развъждане на малки фототрофни организми като цианобактерии, водорасли или мъхови растения. Тези организми нямат нужда от захари или липиди за хранителни вещества, тъй като те си набавят енергия от светлината, посредством фотосинтеза. Следователно, рискът от замърсяване с бактерии или гъбички е много по-нисък при фотобиореакторите, в сравнение с биореактори за хетеротрофни организми. 

 

Пречистване на отпадни води

Биореакторите, също така, могат да бъдат проектирани и да пречистват канални и отпадни води. В най-ефективната система от подобен тип има налична свободно течаща химическа инертна среда, служеща като събирател за бактериите, които се разпадат в непречистените отпадни води. Подобни съоръжения често разполагат с отделни, последователни съдове и механичен сепаратор или циклон, служещ да ускори сепарация на вода от твърди биотела. Към отпадните води и медиума се добавя кислород посредством аератори, които допълнително ускоряват разпадането. Безкислородните биореакторите поддържат твърдите тела в състояние на суспензия чрез разбъркване от потопяеми миксери.. По време на протичащите процеси, биохимичната кислородна необходимост е значително намалена с цел да се направи замърсената вода готова за повторна употреба. Остатъчните твърди биочастици се събират за допълнителна обработка или се изсушават и използват за наторяване. По-елементарна версия на биореактор за отпадни води са септичните ями с или без допълнителен медиум като събирател на бактерии. В подобни ситуации, утайката е основния приемник(активна утайка) на бактериите. Най-подходящите места за септични системи са там където има достатъчно земна маса, и системата няма да бъде наводнена или наситена с обекти на повърхността. 
Много е важно да се следят качеството и количеството на микроорганизмите в биореакторите, тъй като те са двигателят, задвижващ биологичното обработване на отпадни води. 

 

Биореактор с горно и долно разбъркване

Биореактори с горно и долно агитиране се използват, когато е необходимо да се намали натоварването върху бактериите. Това изпълнение е вместо традиционните пропелерни бъркалки, изискващи скъп двигател и магнитна предавка. Вертикално горно и долно движение се получава от двигател заедно с мембрана, която подсигурява стерилност и подсигурява добро разбъркване без да се получава завихряне(без да са необходими отбойници). В същото време, подобен тип разбъркване щади бактериите и не образува много пяна. 

 

Биореактор за клониране на тъкани на НАСА

Биореакторите, предназначени за развъждане на култури или тъкани за терапевтични експерименти се различават значително по дизайн в сравнение с промишлените биореактори. Много видове клетки и тъкани, особено тези на бозайниците, имат нужда от повърхност или друг тип опора на която да растат, като разбъркването доста често е деструктивно за тях. По-висшите организми(ауксотрофните) също имат нужда от специфична среда за растеж. 

НАСА има разработка за нов тип биореактор, който развъжда клетъчни култури и тъкани по изкуствен път. Този реактор може да развъжда сърдечна тъкан, скелетна тъкан, сухожилия, канцарогенни канцeрогенни клетки за изучаване и други типове тъкани.

 

Моделиране на биореактори

Математическите модели са важно средство за различните приложения на биореакторите, включително пречистване на отпадни води. Тези модели са полезни за планиране на стратегии за контрол на ефективността на процесите и за прогнозиране на бъдещата производителност на станцията. Освен това, тези модели са полезни при проучване и в сферата на образованието.

Биореакторите са най-често ползвани в индустрии, свързани с храни, напитки и фармацевтични продукти. От скоро, като направление се появи и биохимичното инженерство. Използването на биологични агенти за преработката на биологични материали е основата на биохимичното инженерство. Приложенията на биохимичното инженерство обхващат големи сфери от нашата цивилизация, като земеделието, хранителната индустрия, здравеопазването, възобновяване на ресурси и химическа промишленост.

До сега, индустриите свързани с биотехнологиите изоставаха в сравнение с другите индустрии при въвеждането на системи за контрол върху процесите и стратегиите за оптимизация. Основна пречка в контрола на биотехнологичните процеси е трудното измерване на ключови физически и биохимически параметри.

 

Оперативни етапи на био-преработването/производството

Биопроизводството е съставено от три основни етапа – предварителна обработка, биореакция и завършваща обработка – за да се преработят суровите материали в завършен продукт.

Суровият материал може да бъде от биологичен и от небиологичен произход. Първоначално се преобразува в по-подходяща форма за обработка. Това се провежда в първата фаза на производството(т.нар предварителна обработка) която включва химическа хидролиза, подготовка на течния медиум, сепарация на частиците, прочистване на въздуха и много други подготвителни операции. 
След процесите на предварителната обработка, получената емисия се прехвърля към една или серия от последващи биорекационни нива . Биохимичните реактори или биореакторите са основата на тази стъпка. Този етап се състои от три основни операции, включително производство на биомаса, метаболитна биосинтеза и биотрансформация. 
Накрая, произведеният материал в биореактора следва да бъде допълнително обработен в третата фаза(завършваща обработка) за да добие по-полезна форма. Третата фаза най-често включва физически операции като сепарация, адсорбция, екстракция течност-течност, дестилация, сушене и т.н.

Спецификация на биореактора

Типичният биореактор е съставен от следните елементи:

  • Агитатор – Използва се за разбъркване на съдържанието на реактора, което спомага „клетките” да са в отлично хомогенно състояние за по-добър обмен на хранителни вещества и кислород към желаните продукти.
  • Отбойници – използват се за предотвратяване на завихрянето на съдържанието на съда, което обикновено е силно нежелано, защото променя гравитационния център на системата и консумира допълнително енергия.
  • Барбутьор – целта на барбутьора е да снабди растящите клетки  с необходимият им кислород 
  • Риза – ризата дава площ на съда, която е изложена на вода с постоянна температура, която държи температурата на биореактора константна.


Share on Viber