Введение

Система, поддерживающая биологически активную среду. Биореактор – это любое изготовленное устройство или система, поддерживающая биологически активную среду. В одном из вариантов, биореактор представляет собой сосуд, в котором осуществляется химический процесс с участием организмов или биохимически активных веществ, полученных из этих организмов. Этот процесс может быть аэробным или анаэробным. Такие биореакторы обычно имеют цилиндрическую форму, объемом от литров до кубических метров и часто изготавливаются из нержавеющей стали. Биореактор также может обозначать устройство или систему, предназначенную для культивирования клеток или тканей в контексте клеточной культуры. Эти устройства разрабатываются для применения в тканевой инженерии или биохимической/биопроцессной инженерии. В зависимости от режима работы, биореактор может классифицироваться как периодический, периодический с подпиткой или непрерывный (например, модель реактора с непрерывным перемешиванием). Примером непрерывного биореактора является химиостат. Организмы или биохимически активные вещества, растущие в биореакторах, могут находиться в погруженном состоянии в жидкой среде или быть закреплены на поверхности твердой среды. Погруженные культуры могут быть суспензионными или иммобилизованными. Суспензионные биореакторы могут поддерживать более широкий спектр организмов, поскольку не требуют специальных поверхностей для прикрепления и могут работать в гораздо большем масштабе, чем иммобилизованные культуры. Однако в процессе непрерывной работы организмы будут вымываться из реактора вместе с выходом. Иммобилизация – это общий термин, описывающий широкий спектр методов прикрепления или удержания клеток или частиц. Она может применяться практически ко всем типам биокатализа, включая ферменты, клеточные органеллы, клетки и органы животных и растений. Иммобилизация полезна для непрерывно работающих процессов, поскольку организмы не будут удаляться с отходами реактора, но ограничена в масштабе, так как микробы присутствуют только на поверхностях сосуда. Крупномасштабные иммобилизованные клеточные биореакторы включают:
движущийся наполнитель, также известный как реактор с движущимся слоем биопленки (MBBR);
насыпной слой;
волокнистый слой;
мембранный.

Дизайн

Проектирование биореактора – относительно сложная инженерная задача, изучаемая в дисциплинах биохимической и биопроцессной инженерии. В оптимальных условиях микроорганизмы или клетки способны выполнять свою целевую функцию с ограниченным образованием примесей. Условия окружающей среды внутри биореактора, такие как температура, концентрация питательных веществ, pH и растворенные газы (особенно кислород для аэробных ферментаций), влияют на рост и продуктивность организмов. Температура ферментационной среды поддерживается с помощью охлаждающей рубашки, змеевиков или их комбинации. Особенно экзотермические ферментации могут потребовать использования внешних теплообменников. Питательные вещества могут непрерывно добавляться в ферментер, как в системе подпитки, или вноситься в реактор в начале ферментации. pH среды измеряется и корректируется небольшими количествами кислоты или щелочи в зависимости от типа ферментации. Для аэробных (и некоторых анаэробных) ферментаций в ферментационную среду необходимо подавать реакционные газы (особенно кислород). Поскольку кислород относительно плохо растворим в воде (которая является основой большинства ферментационных сред), воздух (или очищенный кислород) должен добавляться непрерывно. Подъем пузырьков способствует перемешиванию ферментационной среды, а также удаляет отработанные газы, такие как углекислый газ. На практике биореакторы часто находятся под давлением, что повышает растворимость кислорода в воде. В аэробном процессе оптимальная передача кислорода иногда является лимитирующей стадией. Кислород плохо растворяется в воде – еще хуже в теплых ферментационных бульонах – и содержится в воздухе в относительно небольшом количестве (20,95%). Передаче кислорода обычно способствует перемешивание, которое также необходимо для смешивания питательных веществ и поддержания однородности ферментационной среды. Газораспределительные мешалки используются для разрушения пузырьков воздуха и их циркуляции по всему объему реактора. Образование отложений может снизить общую эффективность биореактора, особенно теплообменников. Чтобы избежать этого, биореактор должен быть легко очищаемым. Внутренние поверхности обычно изготавливаются из нержавеющей стали для облегчения очистки и санитарной обработки. Биореакторы обычно очищают между партиями или разрабатывают с максимальным снижением образования отложений при непрерывной эксплуатации. Теплопередача является важной частью конструкции биореактора; небольшие сосуды можно охлаждать с помощью охлаждающей рубашки, но для больших сосудов могут потребоваться змеевики или внешний теплообменник.

Фотобиореактор

Фотобиореактор (PBR) – это биореактор, в котором используется источник света, будь то естественный солнечный свет или искусственное освещение. Теоретически, любой прозрачный контейнер можно назвать PBR, однако этот термин чаще применяется к закрытым системам, в отличие от открытых резервуаров или прудов. Фотобиореакторы используются для культивирования мелких фототрофных организмов, таких как цианобактерии, водоросли или мхи. Эти организмы используют свет как источник энергии посредством фотосинтеза и не требуют сахара или липидов в качестве источника энергии. Соответственно, риск контаминации другими организмами, например, бактериями или грибами, в фотобиореакторах ниже, чем в биореакторах для гетеротрофных организмов.

Очистка сточных вод

Для обычной очистки сточных вод используются биореакторы, в которых осуществляются основные процессы очистки. В некоторых из этих систем химически инертная среда с очень большой площадью поверхности служит субстратом для роста биологической пленки. Отделение избыточной биологической пленки происходит в отстойниках или циклонах. В других системах аэраторы подают кислород в сточные воды и биоту, создавая активированный шлам, в котором биологический компонент свободно перемешан с жидкостью в виде "флоков". В этих процессах биохимическое потребление кислорода (БПК) жидкости снижается настолько, чтобы загрязненная вода стала пригодной для повторного использования. Биомасса может быть собрана для дальнейшей переработки или высушена и использована в качестве удобрения. Крайне простая версия биореактора для сточных вод – это септик, в котором сточные воды оставляют на месте, с дополнительными средами для размещения бактерий или без них. В этом случае сама биомасса является основной средой обитания для бактерий.

Биореакторы для специализированных тканей

Многие клетки и ткани, особенно млекопитающих, нуждаются в поверхности или другой структурной поддержке для роста, а перемешиваемые среды часто оказываются разрушительными для этих типов клеток и тканей. Высшие организмы, будучи ауксотрофами, также требуют высокоспециализированных питательных сред. Это представляет собой проблему при культивировании больших количеств клеток для целей терапевтического производства, и требует принципиально иной конструкции по сравнению с промышленными биореакторами, используемыми для выращивания систем экспрессии белков, таких как дрожжи и бактерии. Многие исследовательские группы разработали новые биореакторы для выращивания специализированных тканей и клеток на структурной матрице, стремясь воссоздать тканевые структуры, подобные органам, in vitro. К ним относятся тканевые биореакторы, способные выращивать сердечную ткань, скелетную мускулатуру, связки, модели раковых тканей и другие. В настоящее время масштабирование производства этих специализированных биореакторов для промышленного использования остается сложной задачей и является активной областью исследований. Дополнительную информацию о культивировании искусственных тканей можно найти в разделе "Тканевая инженерия".

Моделирование

Математические модели служат важным инструментом в различных областях применения биореакторов, включая очистку сточных вод. Эти модели полезны для разработки эффективных стратегий управления процессами и прогнозирования будущей работы установки. Более того, эти модели востребованы в образовании и научных исследованиях. Биореакторы обычно используются в отраслях, связанных с производством продуктов питания, напитков и фармацевтических препаратов. Биохимическая инженерия – относительно новая область. Основными направлениями биохимической инженерии являются переработка биологических материалов с использованием биологических агентов, таких как клетки, ферменты или антитела. Области применения биохимической инженерии охватывают важнейшие сферы жизни общества, такие как сельское хозяйство, пищевая промышленность, здравоохранение, восстановление ресурсов и производство тонкой химии. До настоящего времени предприятия биотехнологической отрасли отстают от других в вопросах контроля процессов и оптимизации производства. Главным недостатком в управлении биотехнологическими процессами является сложность измерения ключевых физических и биохимических параметров.

Этап эксплуатации биопроцесса

Биопроцесс состоит в основном из трех стадий: подготовка сырья, биореакция и выделение целевого продукта, для преобразования исходного материала в готовый продукт. Исходный материал может быть биологического или небиологического происхождения. Сначала он преобразуется в более подходящую для обработки форму. Это делается на стадии подготовки сырья, которая включает химический гидролиз, приготовление жидкой среды, отделение твердых частиц, очистку воздуха и множество других подготовительных операций. После стадии подготовки сырья полученная смесь передается на одну или несколько стадий биореакции. Биохимические реакторы или биореакторы составляют основу стадии биореакции. Эта стадия в основном состоит из трех операций: получение биомассы, биосинтез метаболитов и биотрансформация. Наконец, материал, полученный в биореакторе, должен быть дополнительно обработан на стадии выделения целевого продукта для преобразования его в более полезную форму. Стадия выделения целевого продукта в основном состоит из операций физического разделения, включающих разделение твердой и жидкой фаз, адсорбцию, жидкостно-жидкостную экстракцию, дистилляцию, сушку и т.д.