Биореактор - биологија

А. Биореактор, често исто така како Ферментатор е контејнер во кој се одгледуваат одредени микроорганизми, клетки или мали растенија [1] под најдобри можни услови (исто така: ферментиран) ќе. Работата на биореактор е примена на биотехнологија што користи или ги прави употребливи биолошки процеси (биоконверзија, биокатализа) во технички објекти.

Важни фактори кои можат да се контролираат или следат кај повеќето биореактори се составот на хранливиот медиум (исто така Хранлив раствор или Подлога), снабдување со кислород, температура, pH, стерилитет и други. [2] Целта на одгледувањето во биореактор може да биде да се добијат клетките или компонентите на клетките или да се добијат метаболички производи. Овие можат на пр. B. да се користи како активна состојка во фармацевтската област или како основна хемикалија во хемиската индустрија. Распаѓањето на хемиските соединенија може да се случи и во биореакторите, како на пр Б. во третман на отпадни води во постројки за третман на канализација. [2] Производството на пиво, вино и други производи што се произведуваат илјадници години, исто така, се одвива во биореактори. За разлика од современите апликации, овие класични примери обично не зборуваат за биореактори, туку ги користат историските влијанија (на пр. Котел за производство на пиво).

Широк спектар на организми се одгледува во биореактори за различни намени. Затоа, неколку варијанти на реактори се достапни во различни дизајни. Типични се реакторите со мешави резервоари направени од метал, кои можат да имаат волумен од неколку до илјадници литри и да се полнат со хранлив раствор. Но, и многу различни варијанти, како на пр Б. Се користат реактори со фиксно лежиште, фотобиореактори итн. [2]

приказна

Бидејќи подготовките на чајниците во пиварниците се технички дел од биореакторите, изгледот на првите биореактори може да се изедначи со појавата на првите пиварници пред околу 5500 години. Уредите за производство на разни млечни производи со помош на бактерии или ензими, кои се користат илјадници години, исто така може да се наречат биореактори.

Со напредокот на биотехнологијата, особено преку значителен напредок во микробиологијата во 19 век и во генетиката, молекуларната биологија и генетскиот инженеринг од средината на 20 век, се повеќе апликации како B. во хемиската индустрија и во фармацевтскиот сектор. Биореакторите се користат во многу биотехнолошки процеси.

Работни параметри

Главната цел на биореакторот е да обезбеди што е можно поголем принос на производот. Ова се постигнува особено со создавање оптимални услови за организмот што се користи во секој случај. Ова е прилагодено на различни параметри кои преовладуваат во неговото природно живеалиште. Важни се на пр. Видот и концентрацијата на хранливите материи, температурата, содржината на кислород, pH вредноста итн. Покрај тоа, обично е потребен агитатор или друг уред за да се осигура дека овие параметри се поставени хомогено на целиот простор на реакторот. Покрај побарувањата на организмите, мора да бидат земени предвид и другите технички, организациски и економски фактори кои влијаат на изборот на оперативните параметри. Примери се избегнување на формирање на пена и избор или на континуиран или сериски режим на работа.

Со помош на сонди или сензори, многу од овие параметри се мерат директно во хранливиот медиум или во издувниот воздух. [2] Текот на процесот обично може исто така да се процени со користење на овие параметри. Може да биде z. Б. утврди ја густината на клетката со мерење на изумирање (оптичка густина), што пак ја означува количината на производот. Алтернатива е често да се измери концентрацијата на карактеристично хемиско соединение, на пр. B. зголемувањето на концентрацијата на метаболит или намалувањето на концентрацијата на подлогата. [2]

На почетокот на ферментацијата, хранливиот медиум се меша со мала количина на микроорганизам добиен од претходно одгледување. Оваа количина се нарекува инокулум, процесот често се нарекува Инокулација назначен. Суспензијата добиена од процесот на ферментација (супа) се користи во т.н. Обработка низводно подготвени во неколку процесни чекори.

Снабдување со хранливи материи

Хранливиот медиум мора да им ги обезбеди на организмите сите хранливи материи што им се потребни за раст. Овие вклучуваат главни нутриционистички елементи (макроелементи) кои се потребни во поголеми количини, како на пр Јаглерод, азот и фосфор. Исто така, потребни се разни елементи во трагови (микроелементи). Во зависност од организмот, неопходни се и други соединенија кои не можат да се синтетизираат сами (витамини, есенцијални аминокиселини и сл.). Приклучок за снабдување со енергија, како на пр Б. честопати шеќерната гликоза е неопходна (освен за фотрофни организми).

температура

Организмите имаат оптимална температура на која најдобро се размножуваат. Надминување на оваа температура може да доведе до неповратно оштетување како резултат на денатурацијата на протеините, а паѓањето под ова доведува до пониски метаболички брзини, а со тоа и до подолги временски процеси. Контролата на температурата се спроведува со кола за греење и ладење. При стартување на реакторот, целата содржина на реакторот се загрева или се загрева до работната температура. Во некои случаи, култивираните организми генерираат толку многу отпадна топлина преку нивниот метаболизам што од одредена клеточна концентрација е активно само колото за ладење. Разменувач на топлина може да се интегрира во ова коло или медиумот кој носи енергија се напојува директно. Во повеќето случаи, само двојниот wallид на контејнерот и, во ретки случаи, вградени регистри за ладење, се достапни како површини за размена на топлина до просторот за реакција.

Содржина на кислород

Приодите на ферментација може, во зависност од организмот и производот, да се спроведат аеробно (во атмосфера што содржи кислород) или анаеробно (без кислород). Кислородот е слабо растворлив во вода, така што доволно снабдување со аеробни пристапи е тешко. Растворливоста на кислород во медиум за ферментација со температура од 37 ° C е, на пример, 3-5 mg/L. Делумниот притисок на кислородот може да се регулира со неколку методи:

Промена на проток на гас,
Промена на брзината на мешалка,
Промена на геометријата на алатката за мешање,
Промена во составот на мешавината на гас,
Промена на притисокот на главата (ова исто така ја зголемува растворливоста на другите гасови, на пример јаглерод диоксид).

Меѓутоа, ако гасот се разнесе премногу или брзината на мешалка е преголема, несаканата форма на пена е исто така зголемена.

Во случај на задолжителни анаеробни организми, сепак, снабдувањето со кислород треба да се избегнува, бидејќи може да биде токсично. Во случај на анаеробни пристапи со факултативно анаеробни организми, снабдувањето со кислород ќе овозможи непосакувани аеробни реакции што можат да го намалат приносот на процесот.

PH вредност

Одгледуваните организми обично имаат ограничен опсег на толеранција на pH со оптимален pH. PH вредноста може да се контролира со пумпи автоматски споени со pH сензор, кои, како што се бара, се влеваат во биореакторот за да се закисели, на пример, фосфорна киселина (H3PO4), хлороводородна киселина (HCl) или да се зголеми pH вредноста, на пример натриум хидроксид (NaOH) пумпа Во одредени случаи, pH вредноста може да се постигне и преку стапката на хранење на подлогата.

Хомогенизација

Повеќето биореактори имаат уред за мешање, како на пр B. мешалка или вбризгување на гас преку кој кружи медиумот. Ова обезбедува хомогено поставување на различни параметри во целиот реактор, а со тоа и порамномерен проток на процес.

Пенење

Развојот на пена предизвикана од мешање е често проблематичен, што може да го заглави филтерот за издувен воздух и да предизвика механички стрес на одгледуваните клетки. Хемиските дефоамери (антипоени средства) работат со намалување на површинскиот напон. Негативно е влијанието врз транспортот на гас и слабата раздвојливост од реакциониот раствор за време на низводната обработка (подготовка на производ).

Механички дефоамери како уништувачи на пена ја разбиваат пената, но не ги отстранувајте факторите што формираат пена, како на пр. B. мртви клетки. Со сепаратори за пена, пената се пренасочува и тече повторно, а потоа може да се испумпува.

Континуирана или сериска работа

Кога ракувате со ферментатор, може да се направи разлика помеѓу:

Серија операции: полнење на реакторот, без додавање или отстранување за време на процесот на ферментација, едноставна контрола, контаминација е малку веројатно
Операција со серија на федерални резерви: слична на сериската работа; сепак z. Б. Додавање на подлогата за време на процесот, бидејќи првично високата концентрација на подлогата може да биде инхибиторна
континуирана работа во хероматскиот биореактор: непречено работење преку додавање на супстрат и отстранување на производот, комплексна контрола, контаминација е проблематична, но скапи и долготрајни процеси што одземаат многу време исто така може да се вршат континуирано и со тоа оптимално да се користат

На пример, во истражувањето, се чини дека се вршат групни ферментации, додека кај поголемите производствени погони воспоставувањето на континуирана работа може да има економска смисла.

Реактори

Видови реактори

Работните параметри што треба да се набудуваат за користените организми или од технички, организациски и други причини се многу различни. Соодветниот биореактор мора да биде дизајниран за соодветна употреба или може да се користи еден вид реактор во кој различните параметри можат да се регулираат во рамките на широк прозорец, така што тој може да се користи за разни намени. Вообичаен вид е реакторот со резервоар со гасовити гасови во широк спектар на варијанти (материјал, големина, итн.).

Диференцијација според технологијата на мешање

Во секој биореактор има три фази: цврста (биомаса), течна (хранлива средина) и гасовита (на пр. Воздух, кислород, јаглерод диоксид, азот). Во биореакторот, нивната дистрибуција се одржува хомогена со различни мерки:

Подвижни механички компоненти (агитатори): на пр. B. во реактор со мешан резервоар
кола за надворешна пумпа: течноста циркулира пумпа, на пр. Б. Реактор на слободен млаз
Дување во гас: фазата на гас се разнесува во течниот дел и, на пр. Б. Реактор за воздушно подигнување, исто така реактор со колона со меури

Ако овие форми на реактор се обезбедени со цевки за водење, произлегуваат следниве типови на реактор:

Реактор на јамка на пропелер (реактор во кој се внесува енергија од агитатор кој се движи аксијално надолу и се обезбедува со водилка)
Реактор на млазни јамки (реактор на слободен млаз со водилка)
Реактор на мамутска јамка (реактор за воздушно подигнување или реактор со колона со меури со нацрт-цевка)

Диференцијација според структурата

Понатамошно разграничување е можно врз основа на видот на структурата на реакторот:

Неколку реактори на мешави резервоари поврзани во серија формираат каскаден реактор („каскада на мешан резервоар“). Паралелни системи на биореактори кои се состојат од четири, осум или шеснаесет реактори се повеќе се користат, особено во истражувањето и развојот на процесите.

Во истражувањето, мали ладилни реактори или честопати и Ерленмајер колби се користат како лабораториски ферментатори, кои се прицврстени на т.н. шејкер за мешање на медиумот.

Во минатото, цврстите биореактори доминираа во некои области поради нивната поедноставна контрола на процесот. Течното одгледување, исто така познато како потопена ферментација, беше тешко да се контролира, но доминира денес поради различните предности, како што се: Б. подобрите можности за снабдување со кислород со мешање и гасови.

Реактори за еднократна употреба и за еднократна употреба

Повеќето биореактори се изработени од метал (не'рѓосувачки челик) или стакло. Ова овозможува едноставно чистење или стерилизација и со тоа повеќекратна употреба.

Во технологијата на животински клетки, од друга страна, се повеќе се користат биореактори за еднократна употреба во форма на претходно стерилизирани вреќи за еднократна употреба. Овие се состојат од композитен филм [4]. Технологијата за еднократна употреба ги избегнува процесите за чистење и стерилизација кои одземаат многу време, што особено во производството на биолошки препарати доведува до значително пократки времиња на поставување, а со тоа и до заштеда на трошоците. Повеќето биореактори за една употреба не се реактори со мешави резервоари. Наместо тоа, тој е циркулиран од уред за нишање.