Bioreaktor - biológia

Bizonyos esetekben

A Bioreaktor, gyakran úgy is Fermenter olyan tartály, amelyben bizonyos mikroorganizmusokat, sejteket vagy kis növényeket [1] a lehető legjobb körülmények között tenyésztenek (továbbá: erjesztett) lesz. A bioreaktor működése tehát a biotechnológia olyan alkalmazása, amely felhasználja vagy felhasználhatóvá teszi a biológiai folyamatokat (biokonverziót, biokatalizációt) a műszaki létesítményekben.

Fontos tényezők, amelyek a legtöbb bioreaktorban ellenőrizhetők vagy ellenőrizhetők, a tápközeg összetétele (szintén Tápoldat vagy Szubsztrát), oxigénellátás, hőmérséklet, pH, sterilitás és mások. [2] A bioreaktorban történő tenyésztés célja lehet a sejtek vagy a sejtek összetevőinek megszerzése, vagy anyagcsere-termékek előállítása. Ezek pl. B. hatóanyagként felhasználható a gyógyszeriparban vagy alapvegyszerként a vegyiparban. A kémiai vegyületek lebontása bioreaktorokban is megtörténhet, mint pl B. szennyvíztisztító telepek szennyvíztisztításában. [2] A sör, bor és egyéb, évezredek óta gyártott termékek gyártása szintén bioreaktorokban történik. A modern alkalmazásokkal ellentétben ezek a klasszikus példák általában nem a bioreaktorokról beszélnek, hanem a történelmileg befolyásolt kifejezéseket használják (pl. Sörkészítés a sörgyártásnál).

A bioreaktorokban sokféle organizmust tenyésztenek különféle célokra. Ezért számos reaktorváltozat érhető el különböző kivitelben. Tipikusak a fémből készült kevert tartályreaktorok, amelyek térfogata néhány-ezer liter lehet, és tápoldattal vannak feltöltve. De nagyon különböző változatok is, mint pl B. Fix ágyas reaktorokat, fotobioreaktorokat stb. [2]

sztori

Mivel a sörfőzőkben lévő sörforralók technikailag a bioreaktorok részét képezik, az első bioreaktorok megjelenése egyenlővé tehető az első sörfőzők megjelenésével mintegy 5500 évvel ezelőtt. A különféle tejtermékek baktériumok vagy enzimek segítségével történő előállítására szolgáló eszközök, amelyeket évezredek óta használnak, bioreaktoroknak is nevezhetők.

A biotechnológia fejlődésével, különösen a mikrobiológia jelentős fejlődésével a 19. században, valamint a genetikában, a molekuláris biológiában és a géntechnológiában a 20. század közepétől egyre több alkalmazás, pl. B. a vegyiparban és a gyógyszeriparban. A bioreaktorokat számos biotechnológiai folyamatban használják.

Működési paraméterek

A bioreaktor fő célja a lehető legmagasabb termékhozam biztosítása. Ez különösen úgy érhető el, hogy minden esetben optimális körülményeket teremtenek az alkalmazott organizmus számára. Ez alkalmazkodik a természetes élőhelyén uralkodó különféle paraméterekhez. Fontosak pl. B. a tápanyagok típusa és koncentrációja, a hőmérséklet, az oxigéntartalom, a pH stb. A szervezetek igényei mellett figyelembe kell venni az üzemeltetési paraméterek megválasztását befolyásoló egyéb műszaki, szervezeti és gazdasági tényezőket is. Ilyen például a habképződés elkerülése és a folyamatos vagy szakaszos működési mód kiválasztása.

Szondák vagy érzékelők segítségével ezeknek a paramétereknek a sokaságát közvetlenül a tápközegben vagy a kipufogó levegőben mérik. [2] A folyamat menete általában ezen paraméterek segítségével értékelhető. Lehet z. B. meghatározza a sejtsűrűséget az extinkció (optikai sűrűség) mérésével, ami viszont a termék mennyiségét jelzi. Alternatív megoldásként gyakran meg lehet mérni egy jellegzetes kémiai vegyület, például B. a metabolikus termék koncentrációjának növekedése vagy a szubsztrát koncentrációjának csökkenése. [2]

Az erjedés kezdetén a tápközeget összekeverjük az előművelésből nyert kis mennyiségű mikroorganizmussal. Ezt a mennyiséget inokulumnak, a folyamatot gyakran nevezzük Oltás kijelölt. Az erjesztési eljárás során kapott szuszpenzió (húsleves) az ún Feldolgozás több folyamatlépésben feldolgozva.

Tápanyagellátás

A tápközegnek biztosítania kell az organizmusoknak a növekedéshez szükséges összes tápanyagot. Ide tartoznak a nagyobb mennyiségben szükséges fő tápelemek (makrotápanyagok), mint pl B. szén, nitrogén és foszfor. Különféle nyomelemekre (mikroelemekre) is szükség van. Szervezettől függően más olyan vegyületekre van szükség, amelyeket önmagában nem lehet szintetizálni (vitaminok, esszenciális aminosavak stb.). Energiaellátó csatlakozás, mint pl B. gyakran szükséges a cukor glükóz (kivéve a fototróf organizmusokat).

hőfok

A szervezetek optimális hőmérsékleten képesek a legjobban szaporodni. Ennek a hőmérsékletnek a túllépése visszafordíthatatlan károsodáshoz vezethet a fehérjék denaturációja miatt, míg ennek alá esése alacsonyabb anyagcsere-sebességhez és ezáltal hosszabb eljárási időhöz vezet. A hőmérséklet-szabályozást fűtési és hűtési körök valósítják meg. A reaktor beindításakor a reaktor teljes tartalmát működési hőmérsékletre melegítik vagy melegítik. Bizonyos esetekben a tenyésztett szervezetek annyi hulladékhőt termelnek anyagcseréjük révén, hogy egy bizonyos sejtkoncentrációtól csak a hűtőkör aktív. Hőcserélő integrálható ebbe az áramkörbe, vagy az energiahordozó közeget közvetlenül táplálják be. A legtöbb esetben csak a dupla tartályfal, és ritkán beépített hűtőregiszterek állnak rendelkezésre hőcserélő felületekként a reakciótérbe.

Oxigéntartalom

A fermentációs módszerek aerob módon (oxigéntartalmú atmoszférában) vagy anaerob módon (oxigénmentes) hajthatók végre, a szervezettől és a terméktől függően. Az oxigén rosszul oldódik vízben, így nehéz az aerob megközelítések megfelelő ellátása. Az oxigénben való oldhatóság 37 ° C hőmérsékletű fermentációs közegben például 3-5 mg/l. Az oxigén parciális nyomása számos módszerrel szabályozható:

  • A gázáramlás változása,
  • A keverő sebességének megváltoztatása,
  • A keverőszerszám geometriájának megváltoztatása,
  • Változás a gázkeverék összetételében,
  • A fejnyomás változása (ez más gázok, például szén-dioxid oldhatóságát is növeli).

Ha azonban túl nagy mennyiségű gázt fújnak be, vagy a keverő sebessége túl nagy, akkor a nemkívánatos habképződés is megnő.

A kötelező anaerob organizmusok esetében azonban kerülni kell az oxigénellátást, mivel az mérgező lehet. Anaerob megközelítések esetén fakultatívan anaerob organizmusokkal az oxigénellátás lehetővé tenné a nem kívánt aerob reakciókat, amelyek csökkenthetik a folyamat hozamát.

PH érték

A tenyésztett organizmusoknak általában korlátozott a pH-tűrési tartományuk, és optimális a pH-értékük. A pH-érték szabályozható a pH-érzékelőhöz automatikusan csatlakoztatott szivattyúkkal, amelyeket szükség esetén a bioreaktorba adagolnak, hogy megsavanyítsák például a foszforsavat (H3PO4), a sósavat (HCl) vagy a pH-értéket növeljék, például a nátrium-hidroxidot (NaOH). szivattyú. Bizonyos esetekben a pH a szubsztrát táplálási sebességével is elérhető.

Homogenizálás

A legtöbb bioreaktor keverőberendezéssel rendelkezik, mint pl B. egy keverőt vagy egy gázbefecskendezést, amelyen keresztül a közeget keringetik. Ez biztosítja a különböző paraméterek homogén beállítását a teljes reaktorban, és ezáltal az eljárás egyenletesebb áramlását.

Habzó

A keverés által okozott hab kialakulása gyakran problémás, ami eltömítheti a kipufogó levegő szűrőjét, és mechanikai igénybevételt okozhat a tenyésztett sejteknek. A kémiai habzásgátlók (habzásgátlók) a felületi feszültség csökkentésével működnek. Negatív a gáztranszportra gyakorolt ​​hatás és a reakcióoldat gyenge elválaszthatósága a feldolgozás során (termék előállítása).

A mechanikus habtalanítók, például a habrombolók, szétverik a habot, de nem távolítják el a habképző tényezőket, mint pl. B. elhalt sejtek. A habszeparátorokkal a habot elterelik és újra cseppfolyósítják, majd kiszivattyúzhatják.

Folyamatos vagy szakaszos működés

A fermentor működése során meg lehet különböztetni a következőket:

  • Kötegelt művelet: a reaktor feltöltése, hozzáadása vagy eltávolítása a fermentációs folyamat során, egyszerű kontroll, a szennyeződés valószínűtlen
  • Fed-kötegelt művelet: hasonló a kötegelt műveletekhez; azonban z. B. Szubsztrát hozzáadása a folyamat során, mivel a kezdetben magas szubsztrátkoncentráció gátolhatja
  • folyamatos működés a kemosztát-bioreaktorban: a megszakítás nélküli működés a hordozó hozzáadásával és a termék eltávolításával, a komplex szabályozással, a szennyezéssel problematikus, de drága és időigényes downstream folyamatok is folyamatosan végrehajthatók és így jobban kihasználható

Például a kutatás során a szakaszos erjesztéseket nagyobb valószínűséggel hajtják végre, míg a nagyobb termelőüzemekben a folyamatos működés létrehozása gazdasági értelemben lehet.

Reaktorok

Reaktor típusok

A felhasznált organizmusok, illetve technikai, szervezési és egyéb okok miatt be kell tartani a működési paramétereket. Ezért megfelelő bioreaktorokat kell megtervezni az adott felhasználáshoz, vagy alkalmazható olyan típusú reaktor, amelyben a különféle paraméterek széles ablakon belül szabályozhatók, így különböző célokra használhatók. Gyakori típus a gázos keverhető tartály reaktor sokféle változatban (anyag, méret stb.).

Differenciálás keverési technológia szerint

Minden bioreaktorban három fázis van: szilárd (biomassza), folyékony (tápközeg) és gáznemű (pl. Levegő, oxigén, szén-dioxid, nitrogén). A bioreaktorban eloszlásukat különböző intézkedésekkel homogén módon tartják:

  • Mozgatható mechanikus alkatrészek (keverők): pl. B. kevert tartályos reaktorban
  • külső szivattyúkör: a folyadékot egy szivattyú keringteti, pl. B. Szabad sugárreaktor
  • Fúvás gázban: a gázfázist a folyékony részbe fújják, és pl. B. Légiszállító reaktor, szintén buborékoszlopos reaktor

Ha ezek a reaktorformák vezetőcsövekkel vannak ellátva, a következő reaktortípusok jönnek létre:

  • Propeller hurok reaktor (olyan reaktor, amelyben energiát egy axiálisan lefelé mozgó keverő vezet be, és amely vezetőcsővel van ellátva)
  • Sugárhurok-reaktor (szabad sugárreaktor vezetőcsővel)
  • Mammut hurokreaktor (légszállító reaktor vagy buborékoszlopos reaktor huzatcsővel)

A szerkezet szerinti differenciálás

További megkülönböztetés lehetséges a reaktor szerkezetének típusa szerint:

Számos, sorba kapcsolt kevert tartályreaktor alkot egy kaszkádreaktort („keverett tartály kaszkád”). A párhuzamos, négy, nyolc vagy tizenhat reaktorból álló bioreaktor-rendszereket egyre inkább használják, különösen a kutatásban és a folyamatfejlesztésben.

A kutatás során kis keverésű tartályreaktorokat vagy gyakran Erlenmeyer-lombikokat használnak laboratóriumi fermentorként, amelyeket egy úgynevezett rázógéphez rögzítenek a közeg keveréséhez.

Korábban a szilárd bioreaktorok domináltak egyes területeken, egyszerűbb folyamatirányításuk miatt. A folyékony termesztést, más néven víz alatti erjesztést nehéz volt ellenőrizni, de ma különféle előnyök miatt dominál, például: B. az oxigénellátás jobb lehetőségei keverés és gázosítás útján.

Újrafelhasználható és eldobható reaktorok

A legtöbb bioreaktor fémből (rozsdamentes acél) vagy üvegből készül. Ez lehetővé teszi az egyszerű tisztítást vagy sterilizálást, és így többszörös felhasználást.

Az állati sejttenyésztési technológiában viszont egyre gyakrabban alkalmazzák az egyszer használatos bioreaktorokat elősterilizált eldobható zacskók formájában. Ezek összetett filmből állnak [4]. Az egyszer használatos technológia elkerüli az időigényes tisztítási és sterilizálási folyamatokat, amelyek különösen a biológiai készítmények előállítása során lényegesen rövidebb üzembe helyezési időket és ezáltal költségmegtakarítást eredményeznek. A legtöbb egyszer használatos bioreaktor nem kevert tartályreaktor. Ehelyett egy ringató eszköz kering.