Кіріспе
Биологиялық белсенді ортаны қолдайтын жүйе. Биореактор – биологиялық белсенді ортаны қолдайтын кез келген жасалған құрылғы немесе жүйе. Бір жағдайда биореактор – организмдерді немесе олардан алынған биохимиялық белсенді заттарды қолданатын химиялық процестің жүргізілетін ыдыс. Бұл процесс аэробикалық немесе анаэробты болуы мүмкін. Мұндай биореакторлар көбінесе цилиндр тәрізді болады, көлемі литрден текше метрге дейін жетеді және көбінесе тот баспайтын болаттан жасалады. Ол жасушалар мен тіндерді өсіру мақсатында жасалған жасуша мәдениетіне арналған құрылғыны немесе жүйені де білдіруі мүмкін. Бұл құрылғылар тіндік инженерия немесе биохимиялық/биопроцестер инженериясында қолдану үшін әзірленуде. Жұмыс режиміне қарай биореакторлар топтық, жартылай топтық немесе үздіксіз (мысалы, үздіксіз араластырылатын реактор моделі) болып жіктеледі. Ұзаққа созылатын биореактордың мысалы – химиостат. Биореакторларда өсетін организмдер немесе биохимиялық белсенді заттар сұйық ортаға батырылуы немесе қатты ортаның бетіне бекітілуі мүмкін. Сұйық ортадағы мәдениеттер суспензияланған немесе иммобилизацияланған болуы мүмкін. Суспензиялық биореакторлар кең ауқымды организмдерді қолдай алады, себебі арнайы бекіту беттері қажет емес және иммобилизацияланған мәдениеттерге қарағанда әлдеқайда үлкен масштабта жұмыс істей алады. Дегенмен, үздіксіз процесте организмдер реактордан шығатын сумен бірге шығарылады. Иммобилизация – жасушаларды немесе бөлшектерді бекіту немесе тұтқындаудың әр түрлі әдістерін сипаттайтын жалпы термин. Оны негізінен барлық типтегі биокатализге, соның ішінде ферменттерге, жасушалық органеллаларға, жануарлар мен өсімдіктердің жасушалары мен мүшелеріне қолдануға болады. Иммобилизация үздіксіз процестер үшін пайдалы, себебі организмдер реактордан шығатын сумен шығарылмайды, бірақ микробтар ыдыстың бетінде ғана болатындықтан, масштаб шектеулі. Үлкен масштабтағы иммобилизацияланған жасушалық биореакторлар:
қозғалмалы орта, сондай-ақ қозғалмалы төсек биофильм реакторы (MBBR)
толтырылған төсек
талшықты төсек
мембрана.
A bioreactor refers to any manufactured device or system that supports a biologically active environment. In one case, a bioreactor is a vessel in which a chemical process is carried out which involves organisms or biochemically active substances derived from such organisms. This process can either be aerobic or anaerobic. These bioreactors are commonly cylindrical, ranging in size from litres to cubic metres, and are often made of stainless steel. It may also refer to a device or system designed to grow cells or tissues in the context of cell culture. These devices are being developed for use in tissue engineering or biochemical/bioprocess engineering. On the basis of mode of operation, a bioreactor may be classified as batch, fed batch or continuous (e. g. a continuous stirred tank reactor model). An example of a continuous bioreactor is the chemostat. Organisms or biochemically active substances growing in bioreactors may be submerged in liquid medium or may be anchored to the surface of a solid medium. Submerged cultures may be suspended or immobilized. Suspension bioreactors may support a wider variety of organisms, since special attachment surfaces are not needed, and can operate at a much larger scale than immobilized cultures. However, in a continuously operated process the organisms will be removed from the reactor with the effluent. Immobilization is a general term describing a wide variety of methods for cell or particle attachment or entrapment. It can be applied to basically all types of
biocatalysis including enzymes, cellular organelles, animal and plant cells and organs. Immobilization is useful for continuously operated processes, since the organisms will not be removed with the reactor effluent, but is limited in scale because the microbes are only present on the surfaces of the vessel. Large scale immobilized cell bioreactors are:
moving media, also known as moving bed biofilm reactor (MBBR)
packed bed
fibrous bed
membrane
Дизайн
Биореакторды жобалау – биохимиялық/биопроцестер инженериясы саласында зерттелетін күрделі инженерлік тапсырма. Оңтайлы жағдайларда микроорганизмдер немесе жасушалар қосалқы өнімдердің өндірісін шектеу арқылы қажетті функцияларын орындай алады. Биореактор ішіндегі температура, қоректік заттар концентрациясы, pH және еріген газдар (әсіресе аэробикалық ферментация үшін оттегі) сияқты қоршаған орта жағдайлары организмдердің өсуі мен өнімділігіне әсер етеді. Ферментациялық ортаның температурасы салқындатқыш қапшақ, спиральдар немесе олардың комбинациясы арқылы сақталады. Әсіресе экзотермиялық ферментациялар үшін сыртқы жылу алмастырғыштар қажет болуы мүмкін. Қоректік заттар ферментерге үздіксіз қосылуы мүмкін, мысалы, қоректендірілетін партиялық жүйеде, немесе ферментация басында реакторға салынуы мүмкін. Ортаның pH деңгейі ферментацияға байланысты аздаған мөлшердегі қышқыл немесе сілтемен өлшеніп, түзетіледі. Аэробикалық (және кейбір анаэробикалық) ферментациялар үшін ферментацияға реактивті газдар (әсіресе оттегі) қосылуы тиіс. Оттегі суда нашар еритін болғандықтан (барлық ферментациялық ортаның негізі), ауа (немесе тазартылған оттегі) үнемі қосылуы керек. Көтерілетін көпіршіктердің әрекеті ферментациялық ортаны араластыруға көмектеседі, сонымен қатар көмірқышқыл газы сияқты қосалқы газдарды шығарып тастайды. Іс жүзінде биореакторлар көбінесе қысыммен жабдықталады, бұл судағы оттегінің еригіштігін арттырады. Аэробикалық процесте оптималды оттегі беру кейде шектеуші фактор болып табылады. Оттегі суда нашар ериді – тіпті жылы ферментациялық ортада одан да нашар, ал ауада (20,95%) оның мөлшері аз. Оттегі тасымалдауға көбінесе қоректік заттарды араластыру және ферментация процесін біртекті ұстау үшін қажетті араластыру арқылы көмектеседі. Газды таратушы араластырғыштар ауа көпіршіктерін бөлшектеу және оларды ыдыс ішінде тарату үшін қолданылады. Қоқыс жиналу биореактордың жалпы тиімділігіне, әсіресе жылу алмастырғыштарға зиян келтіруі мүмкін. Осыған жол бермеу үшін биореакторды тазалау оңай болуы керек. Ішкі беттері әдетте тазалау және дезинфекциялау үшін тот баспайтын болаттан жасалады. Әдетте биореакторлар партиялар арасында тазаланады немесе үздіксіз жұмыс істегенде, қоқыс жиналуды барынша азайту үшін жасалады. Жылу алмасу биореакторды жобалаудың маңызды бөлігі болып табылады; кішкентай ыдыстарды салқындату қапшағымен салқындатуға болады, бірақ үлкен ыдыстарға спиральдар немесе сыртқы жылу алмастырғыш қажет болуы мүмкін.
Фотобиореактор
Фотобиореактор (ФБР) – жарық көзінің қандай да бір түрін (табиғи күн сәулесі немесе жасанды жарықтандыру болуы мүмкін) қамтитын биореактор. Кез келген мөлдір ыдысты фотобиореактор деп атауға болады, бірақ бұл термин көбінесе ашық сақтағыш резервуар немесе тоғанға қарағанда жабық жүйені анықтау үшін қолданылады. Фотобиореакторлар цианобактериялар, балдырлар немесе мүктер сияқты шағын фототрофты организмдерді өсіру үшін пайдаланылады. Бұл организмдер фотосинтез арқылы жарықты энергия көзі ретінде пайдаланады және энергия алу үшін қанттар мен липидтерді қажет етпейді. Осының салдарынан, фотобиореакторларда бактериялар немесе саңырауқұлақтар сияқты басқа организмдермен ластану қаупі гетеротрофты организмдерге арналған биореакторлармен салыстырғанда төмен болады.
source. Consequently, risk of contamination with other organisms like bacteria or fungi is lower in photobioreactors when compared to bioreactors for heterotroph organisms.
Қалдық суларды тазарту
Кәдімгі ағынды суларды тазарту үшін негізгі тазарту процестерін жүргізу үшін биореакторлар қолданылады. Мұндай жүйелердің кейбіреулерінде биологиялық пленканың өсуі үшін субстрат ретінде өте үлкен беттік ауданы бар химиялық инертті орта ұсынылады. Артық биологиялық пленканы бөлу тұндыру резервуарларында немесе циклондарда жүзеге асырылады. Басқа жүйелерде аэраторлар ағынды сулар мен биотаға оттегімен қамтамасыз етіп, биологиялық компоненті "флоктар" түрінде сұйықтықта еркін араласатын белсендірілген шламды құрайды. Бұл процестерде сұйықтың биохимиялық оттегіге қажеттілігі (BOD) ластанған суды қайта пайдалануға жарамды ету үшін жеткілікті деңгейде төмендетіледі. Биоқаты заттарды одан әрі өңдеу үшін жинауға болады, немесе кептіріп тыңайтқыш ретінде қолдануға болады. Ағынды су биореакторының ең қарапайым түрі – септик, онда ағынды сулар бактерияларды орналастыру үшін қосымша ортамен немесе ортасыз қалдырылады. Бұл жағдайда биошлам бактериялардың негізгі мекені болып табылады.
Арнайы тіндер үшін биореакторлар
Көптеген жасушалар мен тіндер, әсіресе сүтқоректілердің, өсу үшін беткі қабат немесе басқа құрылымдық тіреу қажет, ал қозғалмалы орта осы жасушалар мен тіндерге көбінесе зиян келтіреді. Жоғары сатыдағы организмдер, ауксотрофты болғандықтан, арнайы дамыған өсу ортасын қажет етеді. Бұл, терапиялық өндіріс мақсатында жасушалардың көп мөлшерін өсіруді жоспарлағанда қиындық тудырады, сондықтан ашытқы және бактерия сияқты протеин өндіретін жүйелерді өсіруге қолданылатын өнеркәсіптік биореакторлардан едәуір өзгеше дизайн қажет. Көптеген зерттеу топтары арнайы тіндер мен жасушаларды құрылымдық негізде өсіру үшін жаңа биореакторлар жасады, осы арқылы in vitro жағдайында тіндерге ұқсас құрылымдарды қайта жаратуға тырысады. Олардың ішінде жүрек тіні, қаңқа бұлшық еті, байланыс тіндері, қатерлі ісік үлгілері және тағы да басқаларды өсіруге арналған тіндік биореакторлар бар. Қазіргі таңдағыда осы арнайы биореакторларды өнеркәсіптік қолдану үшін кеңейту қиындықтар туғызады және бұл белсенді зерттеу саласы болып табылады. Жасанды тіндік культура туралы толық ақпарат алу үшін тіндік инженерия қараңыз.
Модельдеу
Математикалық модельдер әр түрлі биореакторлық қолданыстарда, соның ішінде сарқынды суларды тазартуда маңызды құрал болып табылады. Бұл модельдер тиімді процесті басқару стратегияларын жоспарлау және өсімдіктердің болашақ жұмысын болжау үшін пайдалы. Сонымен қатар, бұл модельдер білім беру және ғылыми зерттеу салаларында да қолдаулы. Биореакторлар көбінесе тағам, сусындар және фармацевтика салаларында қолданылады. Биохимиялық инженерияның пайда болуы салыстырмалы түрде жаңа құбылыс. Биологиялық материалдарды жасушалар, ферменттер немесе антиденелер сияқты биологиялық агенттерді пайдалану арқылы өңдеу – биохимиялық инженерияның басты тіректері. Биохимиялық инженерияның қолданылу аясы ауыл шаруашылығы, тағам және денсаулық сақтау, ресурстарды қайта өңдеу және құрамындағы заттар сияқты өркениеттің маңызды салаларын қамтиды. Бүгінгі күнге дейін биотехнология салалары процестерді бақылау және оңтайландыру стратегияларын енгізуде басқа салалардан қалып қойды. Биотехнологиялық процестерді басқарудағы негізгі қиындық – маңызды физикалық және биохимиялық параметрлерді өлшеу мәселесі.
Биоөңдеудегі операциялық кезеңдер
Биопроцесс негізінен үш кезеңнен тұрады: бастапқы өңдеу, биореакция және түпкі өңдеу. Шикізат биологиялық немесе биологиялық емес болуы мүмкін. Ол ең алдымен өңдеуге ыңғайлы формаға түрлендіріледі. Бұл бастапқы өңдеу кезеңінде жүзеге асырылады, ол химиялық гидролизді, сұйық ортаны дайындауды, бөлшектерді бөлуді, ауаны тазартуды және көптеген басқа да дайындық операцияларын қамтиды. Бастапқы өңдеуден кейін алынған материал бір немесе бірнеше биореакция кезеңдеріне жіберіледі. Биохимиялық реакторлар немесе биореакторлар биореакция кезеңінің негізін құрайды. Бұл кезең негізінен үш операциядан тұрады: биомасса өндіру, метаболиттердің биосинтезі және биотрансформация. Соңында, биореакторда өндірілген материалды одан әрі өңдеу қажет, осылайша оны пайдалырақ формаға келтіруге болады. Түпкі өңдеу процесі негізінен қатты-сұйық бөлу, адсорбция, сұйық-сұйық экстракциясы, дистилляция, кептіру және т.б. сияқты физикалық бөлу операцияларынан тұрады.