Биореактор

Биореактор – это любое промышленное устройство или система, поддерживающая биологически активную среду. ^[1] В одном случае биореактор представляет собой сосуд, в котором химический процесс осуществляется с участием организмов или биохимически активных веществ, полученных из таких организмов. Этот процесс может быть аэробным или анаэробным . Эти биореакторы обычно имеют цилиндрическую форму, размер от литров до кубических метров, и часто изготавливаются из нержавеющей стали . ^{[ нужна ссылка ]}Это также может относиться к устройству или системе, предназначенной для выращивания клеток или тканей в контексте клеточной культуры . ^[2] Эти устройства разрабатываются для использования в тканевой инженерии или биохимической / биотехнологической инженерии. ^{[ нужна ссылка ]}

В зависимости от режима работы биореактор можно классифицировать как периодический , с подачей или непрерывный (например, модель реактора непрерывного действия с мешалкой ). Примером биореактора непрерывного действия является хемостат . ^{[ нужна ссылка ]}

Организмы или биохимически активные вещества, растущие в биореакторах, могут быть погружены в жидкую среду или закреплены на поверхности твердой среды. Погруженные культуры могут быть подвешены или иммобилизованы. Суспензионные биореакторы могут поддерживать более широкий спектр организмов, поскольку не требуются специальные поверхности для прикрепления, и могут работать в гораздо больших масштабах, чем иммобилизованные культуры. Однако в непрерывном процессе организмы будут удаляться из реактора вместе со стоками. Иммобилизация — это общий термин, описывающий широкий спектр методов прикрепления или захвата клеток или частиц. ^[3] Его можно применять практически ко всем типамбиокатализ, включая ферменты, клеточные органеллы, клетки и органы животных и растений. ^[4]^[5] Иммобилизация полезна для непрерывно действующих процессов, поскольку организмы не будут удалены со стоками реактора, но ее масштабы ограничены, поскольку микробы присутствуют только на поверхности резервуара.

Крупномасштабные биореакторы с иммобилизованными клетками:

движущаяся среда, также известная как биопленочный реактор с подвижным слоем (MBBR)
упакованная кровать
фиброзный слой
мембрана

Дизайн

Проектирование биореактора — относительно сложная инженерная задача, которая изучается в области биохимической / биотехнологической инженерии. В оптимальных условиях микроорганизмы или клетки способны выполнять желаемую 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 того и другого. В частности, экзотермические ферментации могут потребовать использования внешних теплообменников. Питательные вещества можно добавлять в ферментер непрерывно, как в периодической системе с подпиткой, или можно загружать в реактор в начале ферментации. pH среды измеряется и регулируется небольшими количествами кислоты или основания, в зависимости от ферментации. Для аэробной (и некоторых анаэробных) ферментаций к ферментации необходимо добавлять реагирующие газы (особенно кислород). Поскольку кислород относительно нерастворим в воде (основа почти всех ферментационных сред), воздух (или очищенный кислород) необходимо добавлять постоянно. Действие поднимающихся пузырьков помогает перемешать среду брожения, а также " удаляет отходящие газы, такие как углекислый газ. На практике биореакторы часто находятся под давлением; это увеличивает растворимость кислорода в воде. В аэробном процессе оптимальная передача кислорода иногда является стадией, лимитирующей скорость. Кислород плохо растворяется в воде — еще меньше в теплых ферментационных бульонах - и относительно мало в воздухе (20,95%). Переносу кислорода обычно способствует перемешивание, которое также необходимо для смешивания питательных веществ и поддержания однородности ферментации. газодиспергирующие мешалки. Для разрушения пузырьков воздуха используются и распространять их по всему сосуду. ^{[ нужна ссылка ]}

Загрязнение может снизить общую эффективность биореактора, особенно теплообменников . Чтобы этого избежать, биореактор должен легко очищаться. Внутренние поверхности обычно изготавливаются из нержавеющей стали для облегчения чистки и дезинфекции. Обычно биореакторы очищаются между партиями или сконструированы так, чтобы максимально уменьшить загрязнение при непрерывной работе. Теплопередача является важной частью конструкции биореактора; небольшие сосуды можно охлаждать с помощью охлаждающей рубашки, но для более крупных сосудов могут потребоваться змеевики или внешний теплообменник. ^{[ нужна ссылка ]}

Типы

Фотобиореактор

Фотобиореактор ( PBR ) — это биореактор, который включает в себя источник света определенного типа (это может быть естественный солнечный свет или искусственное освещение). Практически любой полупрозрачный контейнер можно назвать PBR, однако этот термин чаще используется для обозначения закрытой системы, а не открытого резервуара для хранения или пруда .Фотобиореакторы используются для выращивания небольших фототрофных организмов, таких как цианобактерии , водоросли или мха . растения ^[6] Эти организмы используют свет посредством фотосинтеза в качестве источника энергии и не требуют сахаров или липидов в качестве энергии.источник. Следовательно, риск заражения другими организмами, такими как бактерии или грибы, в фотобиореакторах ниже, чем в биореакторах для гетеротрофных организмов. ^{[ нужна ссылка ]}

Очистка сточных вод

При традиционной очистке сточных вод для проведения основных процессов очистки используются биореакторы. В некоторых из этих систем в качестве субстрата для роста биологической пленки используется химически инертная среда с очень большой площадью поверхности. Отделение избыточной биологической пленки происходит в отстойниках или циклонах. В других системах аэраторы подают кислород в сточные воды и биоту для создания активного ила , в котором биологический компонент свободно смешивается со щелоком в виде «хлопьев». жидкости В этих процессах биохимическая потребность в кислороде (БПК) снижается настолько, что загрязненная вода становится пригодной для повторного использования. Твердые биологические вещества можно собирать для дальнейшей переработки или сушить и использовать в качестве удобрения. Чрезвычайно простой версией биореактора для сточных вод является септик, в котором сточные воды остаются на месте с дополнительной средой для размещения бактерий или без нее. В этом случае сам биошлам является основным хозяином бактерий. ^{[ нужна ссылка ]}

Биореакторы для специализированных тканей

Многие клетки и ткани, особенно млекопитающих, для роста должны иметь поверхность или другую структурную опору, а возбужденная среда часто разрушительна для этих типов клеток и тканей. Высшие организмы, будучи ауксотрофами , также нуждаются в высокоспециализированных питательных средах. Это создает проблему, когда целью является культивирование большего количества клеток для терапевтических производственных целей, и необходима существенно иная конструкция по сравнению с промышленными биореакторами, используемыми для выращивания систем экспрессии белков, таких как дрожжи и бактерии. ^{[ нужна ссылка ]}

Многие исследовательские группы разработали новые биореакторы для выращивания специализированных тканей и клеток на структурном каркасе, пытаясь воссоздать органоподобные тканевые структуры in vitro . Среди них — тканевые биореакторы, способные выращивать ткани сердца, ^[7]^[8] скелетная мышечная ткань, ^[9] 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.

Для получения дополнительной информации о культуре искусственных тканей см. Тканевая инженерия .

Моделирование

Математические модели выступают в качестве важного инструмента в различных приложениях биореакторов, включая очистку сточных вод. Эти модели полезны для планирования эффективных стратегий управления технологическими процессами и прогнозирования будущей производительности предприятия. Более того, эти модели полезны в сфере образования и исследований. ^{[ нужна ссылка ]}

Биореакторы обычно используются в тех отраслях промышленности, которые связаны с пищевыми продуктами, напитками и фармацевтическими препаратами. Появление биохимической инженерии имеет недавнее происхождение. Обработка биологических материалов с использованием биологических агентов, таких как клетки, ферменты или антитела, является основным столпом биохимической инженерии. Приложения биохимической инженерии охватывают основные области цивилизации, такие как сельское хозяйство, продовольствие и здравоохранение, восстановление ресурсов и тонкая химия. ^{[ нужна ссылка ]}

До сих пор отрасли, связанные с биотехнологиями, отставали от других отраслей в реализации контроля над процессом и стратегии оптимизации. Основным недостатком управления биотехнологическими процессами является проблема измерения основных физических и биохимических параметров. ^[10]

Рабочие этапы биопроцесса

Биопроцесс состоит в основном из трех стадий — первичной обработки, биореакции и последующей обработки — для преобразования сырья в готовый продукт. ^[11]

Сырье может быть биологического или небиологического происхождения. Сначала его преобразуют в более подходящую для обработки форму. Это делается на предварительном этапе обработки, который включает химический гидролиз, подготовку жидкой среды, отделение частиц, очистку воздуха и многие другие подготовительные операции. ^{[ нужна ссылка ]}

После этапа первичной обработки полученное сырье передается на одну или несколько стадий биореакции. Биохимические реакторы или биореакторы составляют основу этапа биореакции. Этот этап в основном состоит из трех операций, а именно: производства биомассы , биосинтеза метаболитов и биотрансформации. ^{[ нужна ссылка ]}

Наконец, материал, произведенный в биореакторе, должен быть подвергнут дальнейшей обработке в последующей секции, чтобы преобразовать его в более полезную форму. Последующий процесс в основном состоит из операций физического разделения, которые включают разделение твердой и жидкой фаз, адсорбцию , экстракцию жидкость-жидкость , дистилляцию , сушку и т. д. ^[12]

Технические характеристики

Типичный биореактор состоит из следующих частей:

Мешалка – используется для перемешивания содержимого реактора, что поддерживает клетки в идеальном гомогенном состоянии для лучшей транспортировки питательных веществ и кислорода к желаемому продукту(ам).

Перегородка – используется для разрушения вихревого образования в сосуде, что обычно крайне нежелательно, поскольку меняет центр тяжести системы и потребляет дополнительную мощность.

Барботер . В процессе аэробного культивирования целью барботера является снабжение растущих клеток достаточным количеством кислорода.

Рубашка . Рубашка обеспечивает кольцевую зону для циркуляции воды постоянной температуры, которая поддерживает температуру биореактора на постоянном уровне. ^[13]

См. также

Ссылки

^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Биореактор ». дои : 10.1351/goldbook.B00662
^ «Биореакты и системы культивирования культур клеток и тканей» (PDF) . eolss.net . Проверено 12 августа 2023 г.
^ Лопес, Асунсьон; Лазаро, Нурия; Маркес, Ана М. (сентябрь 1997 г.). «Интерфазная техника: простой метод иммобилизации клеток в гелевых шариках». Журнал микробиологических методов . 30 (3): 231–234. дои : 10.1016/S0167-7012(97)00071-7 .
^ Ковальчик, Томаш; Ситарек, Пшемыслав; Тома, Моника; Рихо, Патрисия; Домингес-Мартин, Ева; Фалько, Ирен; Санчес, Глория; Сливинский, Томаш (август 2021 г.). «Повышенное накопление бетулиновой кислоты в трансгенных волосатых корнях сенны туполистной, растущих в опрыскивающем биореакторе, и оценка их биологических свойств на различных биологических моделях» . Химия и биоразнообразие . 18 (8): e2100455. дои : 10.1002/cbdv.202100455 . hdl : 10261/247635 . ISSN 1612-1872 . ПМИД 34185351 . S2CID 235672736 .
^ Пейнадо, Рафаэль А.; Морено, Хуан Дж.; Вильяльба, Хосе М.; Гонсалес-Рейес, Хосе А.; Ортега, Хосе М.; Маурисио, Хуан К. (декабрь 2006 г.). «Дрожжевые биокапсулы: новый метод иммобилизации и их применение». Ферментные и микробные технологии . 40 (1): 79–84. doi : 10.1016/j.enzmictec.2005.10.040 .
^ Декер, Ева Л.; Рески, Ральф (14 августа 2007 г.). «Современные достижения в производстве сложных биофармацевтических препаратов с помощью мховых биореакторов». Биопроцессы и биосистемная инженерия . 31 (1): 3–9. дои : 10.1007/s00449-007-0151-y . ПМИД 17701058 . S2CID 4673669 .
^ Бурсак, Н.; Пападаки, М.; Коэн, Р.Дж.; Шон, Ф.Дж.; Айзенберг, СР; Кэрриер, Р.; Вуньяк-Новакович Г.; Фрид, Ле (1 августа 1999 г.). «Инженерия сердечной мышечной ткани: к модели in vitro для электрофизиологических исследований». Американский журнал физиологии. Физиология сердца и кровообращения . 277 (2): H433–H444. дои : 10.1152/ajpheart.1999.277.2.h433 . ПМИД 10444466 .
^ Кэрриер, Ребекка Л.; Пападаки, Мария; Рупник, Мария; Шен, Фредерик Дж.; Бурсак, Ненад; Лангер, Роберт; Фрид, Лиза Э.; Вуняк-Новакович, Гордана (5 сентября 1999 г.). «Инженерия сердечной ткани: посев клеток, параметры культивирования и характеристика тканевых конструкций». Биотехнология и биоинженерия . 64 (5): 580–589. doi : 10.1002/(SICI)1097-0290(19990905)64:5<580::AID-BIT8>3.0.CO;2-X . ПМИД 10404238 .
^ Хехер, Филипп; Малейнер, Бабетта; Прюллер, Йоханна; Теушль, Андреас Герберт; Коллмицер, Йозеф; Монфорте, Ксавье; Вулбанк, Сюзанна; Редл, Хайнц; Рюнцлер, Доминик; Фукс, Кристиана (сентябрь 2015 г.). «Новый биореактор для создания высоко выровненных трехмерных конструкций, похожих на скелетные мышцы, путем ориентации фибрина посредством применения статического напряжения». Акта Биоматериалы . 24 : 251–265. doi : 10.1016/j.actbio.2015.06.033 . ПМИД 26141153 .
^ Карлссон, Бенгт (24 марта 2009 г.). «Введение в моделирование биореакторов» (PDF) .
^ Россер, Дж.; Томас, диджей (01 января 2018 г.), Томас, Дэниел Дж.; Джессоп, Зита М.; Уитакер, Иэн С. (ред.), «10 - Биореакторные процессы для созревания 3D-биопечатной ткани» , 3D-биопечать для реконструктивной хирургии , Woodhead Publishing, стр. 191–215, ISBN 978-0-08-101103-4 , получено 14 декабря 2020 г.
^ Яна, АМИЯ К. (2011). МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ . PHI Learning Pvt. ООО ^{[ нужна страница ]}
^ «Биореактор-Основы» .

Дальнейшее чтение

Полин М. Доран, Принципы биотехнологической инженерии, Elsevier, 2-е изд., 2013 г. ISBN 978-0-12-220851-5
Биотехнологическая компания

Внешние ссылки

Фотобиореактор .

[1] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Биореактор ». дои : 10.1351/goldbook.B00662

[2] «Биореакты и системы культивирования культур клеток и тканей» (PDF) . eolss.net . Проверено 12 августа 2023 г.

[3] Лопес, Асунсьон; Лазаро, Нурия; Маркес, Ана М. (сентябрь 1997 г.). «Интерфазная техника: простой метод иммобилизации клеток в гелевых шариках». Журнал микробиологических методов . 30 (3): 231–234. дои : 10.1016/S0167-7012(97)00071-7 .

[4] Ковальчик, Томаш; Ситарек, Пшемыслав; Тома, Моника; Рихо, Патрисия; Домингес-Мартин, Ева; Фалько, Ирен; Санчес, Глория; Сливинский, Томаш (август 2021 г.). «Повышенное накопление бетулиновой кислоты в трансгенных волосатых корнях сенны туполистной, растущих в опрыскивающем биореакторе, и оценка их биологических свойств на различных биологических моделях» . Химия и биоразнообразие . 18 (8): e2100455. дои : 10.1002/cbdv.202100455 . hdl : 10261/247635 . ISSN 1612-1872 . ПМИД 34185351 . S2CID 235672736 .

[5] Пейнадо, Рафаэль А.; Морено, Хуан Дж.; Вильяльба, Хосе М.; Гонсалес-Рейес, Хосе А.; Ортега, Хосе М.; Маурисио, Хуан К. (декабрь 2006 г.). «Дрожжевые биокапсулы: новый метод иммобилизации и их применение». Ферментные и микробные технологии . 40 (1): 79–84. doi : 10.1016/j.enzmictec.2005.10.040 .

[6] Декер, Ева Л.; Рески, Ральф (14 августа 2007 г.). «Современные достижения в производстве сложных биофармацевтических препаратов с помощью мховых биореакторов». Биопроцессы и биосистемная инженерия . 31 (1): 3–9. дои : 10.1007/s00449-007-0151-y . ПМИД 17701058 . S2CID 4673669 .

[7] Бурсак, Н.; Пападаки, М.; Коэн, Р.Дж.; Шон, Ф.Дж.; Айзенберг, СР; Кэрриер, Р.; Вуньяк-Новакович Г.; Фрид, Ле (1 августа 1999 г.). «Инженерия сердечной мышечной ткани: к модели in vitro для электрофизиологических исследований». Американский журнал физиологии. Физиология сердца и кровообращения . 277 (2): H433–H444. дои : 10.1152/ajpheart.1999.277.2.h433 . ПМИД 10444466 .

[8] Кэрриер, Ребекка Л.; Пападаки, Мария; Рупник, Мария; Шен, Фредерик Дж.; Бурсак, Ненад; Лангер, Роберт; Фрид, Лиза Э.; Вуняк-Новакович, Гордана (5 сентября 1999 г.). «Инженерия сердечной ткани: посев клеток, параметры культивирования и характеристика тканевых конструкций». Биотехнология и биоинженерия . 64 (5): 580–589. doi : 10.1002/(SICI)1097-0290(19990905)64:5<580::AID-BIT8>3.0.CO;2-X . ПМИД 10404238 .

[9] Хехер, Филипп; Малейнер, Бабетта; Прюллер, Йоханна; Теушль, Андреас Герберт; Коллмицер, Йозеф; Монфорте, Ксавье; Вулбанк, Сюзанна; Редл, Хайнц; Рюнцлер, Доминик; Фукс, Кристиана (сентябрь 2015 г.). «Новый биореактор для создания высоко выровненных трехмерных конструкций, похожих на скелетные мышцы, путем ориентации фибрина посредством применения статического напряжения». Акта Биоматериалы . 24 : 251–265. doi : 10.1016/j.actbio.2015.06.033 . ПМИД 26141153 .

[10] Карлссон, Бенгт (24 марта 2009 г.). «Введение в моделирование биореакторов» (PDF) .

[11] Россер, Дж.; Томас, диджей (01 января 2018 г.), Томас, Дэниел Дж.; Джессоп, Зита М.; Уитакер, Иэн С. (ред.), «10 - Биореакторные процессы для созревания 3D-биопечатной ткани» , 3D-биопечать для реконструктивной хирургии , Woodhead Publishing, стр. 191–215, ISBN 978-0-08-101103-4 , получено 14 декабря 2020 г.

[:0-12] Яна, АМИЯ К. (2011). МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ . PHI Learning Pvt. ООО ^{[ нужна страница ]}

[13] «Биореактор-Основы» .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]