Bioreaktor - biológia

A Bioreaktor, často aj ako Fermentor je nádoba, v ktorej sa určité mikroorganizmy, bunky alebo malé rastliny [1] kultivujú za čo najlepších podmienok (tiež: vykvasený) bude. Prevádzka bioreaktora je teda aplikáciou biotechnológie, ktorá využíva biologické procesy (biokonverzia, biokatalýza) v technických zariadeniach alebo ich robí použiteľnými.

Dôležitými faktormi, ktoré je možné riadiť alebo monitorovať vo väčšine bioreaktorov, sú zloženie živného média (tiež Živný roztok alebo Substrát), dodávka kyslíka, teplota, pH, sterilita a ďalšie. [2] Účelom kultivácie v bioreaktore môže byť získanie buniek alebo zložiek buniek alebo získanie metabolických produktov. Môžu to byť napr. B. sa používa ako aktívna zložka vo farmaceutickom priemysle alebo ako základná chemikália v chemickom priemysle. K štiepeniu chemických zlúčenín môže dochádzať aj v bioreaktoroch, ako sú napr B. pri čistení odpadových vôd v čistiarňach odpadových vôd. [2] Výroba piva, vína a ďalších výrobkov, ktoré sa vyrábajú tisíce rokov, sa tiež uskutočňuje v bioreaktoroch. Na rozdiel od moderných aplikácií tieto klasické príklady zvyčajne nehovoria o bioreaktoroch, ale používajú historicky ovplyvnené pojmy (napr. Varná kanvica pri výrobe piva).

V bioreaktoroch sa pestuje široká škála organizmov na rôzne účely. Preto je k dispozícii niekoľko variantov reaktorov v rôznych prevedeniach. Typické sú miešané tankové reaktory vyrobené z kovu, ktoré môžu mať objem niekoľko až tisíc litrov a sú naplnené výživným roztokom. Ale aj veľmi odlišné varianty, ako napr B. Používajú sa reaktory s pevným lôžkom, fotobioreaktory atď. [2]

príbeh

Pretože varné kanvice v pivovaroch sú technicky súčasťou bioreaktorov, vzhľad prvých bioreaktorov možno prirovnať k vzhľadu prvých pivovarov pred približne 5500 rokmi. Zariadenia na výrobu rôznych mliečnych výrobkov pomocou baktérií alebo enzýmov, ktoré sa používajú už tisíce rokov, možno tiež označiť ako bioreaktory.

S pokrokom v biotechnológiách, najmä prostredníctvom významných pokrokov v mikrobiológii v 19. storočí a v genetike, molekulárnej biológii a genetickom inžinierstve od polovice 20. storočia, pribúdajú ďalšie aplikácie, napr. B. v chemickom priemysle a vo farmaceutickom priemysle. Bioreaktory sa používajú v mnohých biotechnologických procesoch.

Prevádzkové parametre

Hlavným účelom bioreaktora je poskytovať najvyššie možné výťažky produktu. To sa dosiahne najmä vytvorením optimálnych podmienok pre organizmus, ktorý sa v každom prípade použije. Je prispôsobený rôznym parametrom, ktoré prevládajú v jeho prirodzenom prostredí. Dôležité sú napr. B. typ a koncentrácia živín, teplota, obsah kyslíka, pH atď. Okrem toho je zvyčajne potrebné miešadlo alebo iné zariadenie, ktoré zabezpečí homogénne nastavenie týchto parametrov v celom priestore reaktora. Okrem požiadaviek organizmov je potrebné brať do úvahy aj ďalšie technické, organizačné a ekonomické faktory, ktoré ovplyvňujú výber prevádzkových parametrov. Príkladom je zabránenie tvorbe peny a voľba kontinuálneho alebo dávkového režimu.

Pomocou sond alebo senzorov sa mnohé z týchto parametrov merajú priamo v živnom médiu alebo vo odpadnom vzduchu. [2] Priebeh procesu možno zvyčajne hodnotiť pomocou týchto parametrov. Môže to byť z. B. stanovte hustotu buniek zmeraním extinkcie (optická hustota), čo zase naznačuje množstvo produktu. Alternatívou je často meranie koncentrácie charakteristickej chemickej zlúčeniny, napr. B. zvýšenie koncentrácie metabolického produktu alebo zníženie koncentrácie substrátu. [2]

Na začiatku fermentácie sa živné médium zmieša s malým množstvom mikroorganizmu získaného predkultiváciou. Toto množstvo sa nazýva inokulum, proces sa často nazýva Očkovanie určený. Suspenzia získaná z fermentačného procesu (vývar) sa používa v tzv Následné spracovanie pripravený v niekoľkých krokoch procesu.

Dodávka živín

Živné médium musí poskytnúť organizmom všetky živiny potrebné pre rast. Patria sem hlavné výživové prvky (prvky makroživín) požadované vo väčšom množstve, ako napr B. uhlík, dusík a fosfor. Vyžadujú sa tiež rôzne stopové prvky (mikroživiny). V závislosti na organizme sú potrebné ďalšie zlúčeniny, ktoré si nemôžete syntetizovať sami (vitamíny, esenciálne aminokyseliny atď.). Pripojenie dodávajúce energiu, ako napr B. často je potrebná glukóza cukru (okrem fototrofných organizmov).

teplota

Organizmy majú optimálnu teplotu, pri ktorej sa najlepšie reprodukujú. Prekročenie tejto teploty môže viesť k nezvratnému poškodeniu v dôsledku denaturácie proteínov, zatiaľ čo pokles pod túto teplotu vedie k nižším metabolickým rýchlostiam a tým k dlhším časom procesu. Regulácia teploty sa realizuje pomocou vykurovacích a chladiacich okruhov. Pri spustení reaktora sa celý obsah reaktora zahreje alebo zahreje na prevádzkovú teplotu. V niektorých prípadoch kultivované organizmy generujú toľko odpadového tepla prostredníctvom svojho metabolizmu, že z určitej koncentrácie buniek je aktívny iba chladiaci okruh. Do tohto okruhu môže byť integrovaný výmenník tepla alebo sa priamo privádza médium prenášajúce energiu. Ako povrchy na výmenu tepla do reakčného priestoru sú vo väčšine prípadov k dispozícii iba dvojitá stena nádoby a v zriedkavých prípadoch zabudované chladiace registre.

Obsah kyslíka

Fermentačné prístupy sa môžu v závislosti od organizmu a produktu uskutočňovať aeróbne (v atmosfére obsahujúcej kyslík) alebo anaeróbne (bez obsahu kyslíka). Kyslík je zle rozpustný vo vode, takže je obtiažny dostatočný prísun aeróbnych prístupov. Rozpustnosť kyslíka vo fermentačnom médiu s teplotou 37 ° C je napríklad 3 až 5 mg/l. Parciálny tlak kyslíka je možné regulovať niekoľkými spôsobmi:

Zmena prietoku plynu,
Zmena rýchlosti miešadla,
Zmena geometrie miešacieho nástroja,
Zmena zloženia plynnej zmesi,
Zmena tlaku v hlave (tým sa tiež zvyšuje rozpustnosť iných plynov, napríklad oxidu uhličitého).

Ak je však príliš veľa vháňaný plyn alebo sú príliš vysoké otáčky miešadla, zvyšuje sa tiež nežiaduca tvorba peny.

V prípade povinných anaeróbnych organizmov by sa však malo zabrániť prívodu kyslíka, pretože môže byť toxický. V prípade anaeróbnych prístupov s fakultatívnymi anaeróbnymi organizmami by prívod kyslíka umožnil nežiaduce aeróbne reakcie, ktoré by mohli znížiť výťažok procesu.

Hodnota PH

Kultivované organizmy majú zvyčajne obmedzené rozpätie tolerancie pH s optimom pH. Hodnotu pH je možné regulovať pomocou čerpadiel automaticky spojených so snímačom pH, ktoré sa podľa potreby privádzajú do bioreaktora na okyslenie napríklad kyselinou fosforečnou (H3PO4), kyselinou chlorovodíkovou (HCl) alebo na zvýšenie hodnoty pH, napríklad hydroxidom sodným (NaOH). čerpadlo. V určitých prípadoch je možné pH dosiahnuť aj rýchlosťou podávania substrátu.

Homogenizácia

Väčšina bioreaktorov má miešacie zariadenie, ako napr B. miešadlo alebo vstrekovanie plynu, ktorým médium cirkuluje. To zaisťuje homogénne nastavenie rôznych parametrov v celom reaktore a tým rovnomernejší priebeh procesu.

Pena

Tvorba peny spôsobená miešaním je často problematická, čo môže upchať filter odpadného vzduchu a pôsobiť mechanické namáhanie kultivovaných buniek. Chemické odpeňovače (odpeňovače) pôsobia znížením povrchového napätia. Negatívny je vplyv na prepravu plynu a zlá separovateľnosť od reakčného roztoku počas následného spracovania (príprava produktu).

Mechanické odpeňovače, ako sú prostriedky na ničenie peny, penu štiepia, ale neodstraňujú faktory tvoriace penu, ako sú napr. B. mŕtve bunky. Pomocou oddeľovačov peny sa pena znova odkloní a skvapalní a potom sa môže odčerpať.

Nepretržitá alebo dávková prevádzka

Pri prevádzke fermentora je možné rozlišovať medzi:

Dávková prevádzka: plnenie reaktora, žiadne pridávanie alebo odstraňovanie počas fermentačného procesu, jednoduchá kontrola, kontaminácia nepravdepodobná
Fed-batch operation: podobné dávkovej prevádzke; však z. B. Pridávanie substrátu počas procesu, pretože pôvodne vysoká koncentrácia substrátu môže inhibovať
nepretržitá prevádzka v bioreaktore chemostatu: nepretržitá prevádzka prostredníctvom pridávania substrátu a odstraňovania produktu, komplexná kontrola, kontaminácia je problematická, ale nákladné a časovo náročné následné procesy je tiež možné vykonávať nepretržite, a teda lepšie ich využívať

Napríklad vo výskume je pravdepodobnejšie uskutočniť vsádzkové kvasenie, zatiaľ čo vo väčších výrobných závodoch môže mať zavedenie nepretržitej prevádzky ekonomický zmysel.

Reaktory

Typy reaktorov

Prevádzkové parametre, ktoré sa majú dodržiavať pre použité organizmy, alebo z technických, organizačných a iných dôvodov sú veľmi odlišné. Pre príslušné použitie musí byť preto navrhnutý zodpovedajúci bioreaktor, alebo je možné použiť typ reaktora, v ktorom je možné regulovať rôzne parametre v rámci širokého okna tak, aby sa dal použiť na rôzne účely. Bežným typom je plynový miešaný tankový reaktor v širokej škále variantov (materiál, veľkosť atď.).

Diferenciácia podľa technológie miešania

V každom bioreaktore sú tri fázy: pevná (biomasa), kvapalná (živné médium) a plynná (napr. Vzduch, kyslík, oxid uhličitý, dusík). Ich distribúcia v bioreaktore je udržiavaná homogénna pomocou rôznych opatrení:

pohyblivé mechanické komponenty (miešače): napr. B. v miešanom tankovom reaktore
vonkajší okruh čerpadla: kvapalina cirkuluje čerpadlom, napr. B. Voľný prúdový reaktor
Fúkanie plynu: plynná fáza sa vháňa do kvapalnej časti a napr. B. Reaktor na prepravu, tiež reaktor s bublinovou kolónou

Ak sú tieto formy reaktora vybavené vodiacimi rúrkami, vznikajú nasledujúce typy reaktorov:

Vrtuľový slučkový reaktor (reaktor, do ktorého je energia privádzaná miešadlom, ktoré sa pohybuje axiálne nadol a je opatrené vodiacou trubicou)
Tryskový slučkový reaktor (voľný prúdový reaktor s vodiacou trubicou)
Mamutový slučkový reaktor (reaktor na prepravu vzduchu alebo reaktor s bublinovou kolónou s ťažnou rúrkou)

Diferenciácia podľa štruktúry

Ďalšie rozlíšenie je možné podľa typu štruktúry reaktora:

Niekoľko miešaných tankových reaktorov zapojených do série vytvára kaskádový reaktor („kaskáda miešaných nádrží“). Najmä v oblasti výskumu a vývoja procesov sa čoraz viac využívajú paralelné systémy bioreaktorov pozostávajúce zo štyroch, ôsmich alebo šestnástich reaktorov.

Pri výskume sa ako laboratórne fermentory používajú malé miešané tankové reaktory alebo často aj Erlenmeyerove banky, ktoré sú za účelom miešania média pripevnené k takzvanej trepačke.

V minulosti dominovali v niektorých oblastiach pevné bioreaktory kvôli ich jednoduchšej kontrole procesu. Kultivácia kvapaliny, známa tiež ako ponorná fermentácia, sa ťažko kontrolovala, dnes však dominuje kvôli rôznym výhodám, ako napríklad: B. lepšie možnosti dodávania kyslíka miešaním a plynovaním.

Opakovane použiteľné a jednorazové reaktory

Väčšina bioreaktorov je vyrobená z kovu (nehrdzavejúca oceľ) alebo zo skla. To umožňuje jednoduché čistenie alebo sterilizáciu, a teda viacnásobné použitie.

V technológii kultivácie živočíšnych buniek sa na druhej strane čoraz viac používajú jednorazové bioreaktory vo forme predsterilizovaných jednorazových vakov. Pozostávajú z kompozitného filmu [4]. Technológia na jedno použitie sa vyhýba časovo náročným procesom čistenia a sterilizácie, čo vedie najmä pri výrobe biologických prípravkov k podstatne kratším dobám prípravy a tým k úsporám nákladov. Väčšina bioreaktorov na jedno použitie nie je miešaným tankovým reaktorom. Namiesto toho cirkuluje hojdacím zariadením.