Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Биореактор относится к любому устройству или выпускаемому системе , которая поддерживает биологически активную среду. [1] В одном случае биореактор представляет собой сосуд, в котором осуществляется химический процесс , в котором участвуют организмы или биохимически активные вещества, полученные из таких организмов. Этот процесс может быть аэробным или анаэробным . Эти биореакторы обычно имеют цилиндрическую форму размером от литров до кубических метров и часто изготавливаются из нержавеющей стали . [ необходима цитата ] Это может также относиться к устройству или системе, предназначенной для выращивания клеток.или ткани в контексте клеточной культуры . [2] Эти устройства разрабатываются для использования в тканевой инженерии или биохимической / биотехнологической инженерии. [ необходима цитата ]

Общая конструкция биореактора непрерывного действия с мешалкой

В зависимости от режима работы биореактор можно разделить на периодический , периодический или непрерывный (например, модель реактора непрерывного действия с мешалкой ). Примером биореактора непрерывного действия является хемостат . [ необходима цитата ]

Организмы, растущие в биореакторах, могут быть погружены в жидкую среду или могут быть прикреплены к поверхности твердой среды. Погруженные культуры могут быть приостановлены или иммобилизованы. В суспензионных биореакторах можно использовать более широкий спектр организмов, поскольку особые поверхности прикрепления не нужны, и они могут работать в гораздо большем масштабе, чем иммобилизованные культуры. Однако в непрерывном процессе организмы будут удаляться из реактора вместе с стоком. Иммобилизация - это общий термин, описывающий широкий спектр методов прикрепления или захвата клеток или частиц. [3] Он может применяться практически ко всем типам биокатализа, включая ферменты, клеточные органеллы, животные и растительные клетки. [4] Иммобилизация полезна для непрерывно действующих процессов, поскольку организмы не будут удалены с выходящим потоком реактора, но ограничены по масштабу, поскольку микробы присутствуют только на поверхности сосуда.

Крупномасштабные биореакторы с иммобилизованными клетками:

Дизайн [ править ]

Настольный биореактор для выращивания микроорганизмов
Закрытый биореактор, используемый в исследованиях целлюлозного этанола.

Проектирование биореактора - относительно сложная инженерная задача, которая изучается в дисциплине биохимия / биопроцесс.инженерия. 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 охлаждающей рубашкой, змеевиками или и тем, и другим. В частности, экзотермические ферментации могут потребовать использования внешних теплообменников. Питательные вещества могут добавляться в ферментер непрерывно, как в периодической системе с подпиткой, или могут загружаться в реактор в начале ферментации. PH среды измеряется и регулируется небольшими количествами кислоты или основания, в зависимости от ферментации.Для аэробной (и некоторых анаэробной) ферментации в процесс ферментации должны быть добавлены газы-реагенты (особенно кислород). Поскольку кислород относительно нерастворим в воде (основа почти всех ферментационных сред), воздух (или очищенный кислород) необходимо добавлять постоянно. Действие поднимающихся пузырьков помогает перемешивать ферментационную среду, а также "удаляет отработанные газы, такие как углекислый газ. На практике биореакторы часто находятся под давлением; это увеличивает растворимость кислорода в воде. В аэробных процессах оптимальный перенос кислорода иногда является этапом ограничения скорости. Кислород плохо растворяется в воде - еще меньше в теплых ферментационных бульонах - и его относительно мало в воздухе (20,95%). Переносу кислорода обычно способствует перемешивание, которое также необходимо для смешивания питательных веществ и поддержания однородности ферментации. Газодисперсионные мешалки используются для разрушения пузырьков воздуха и распространить их по судну. [ необходима цитата ]

Загрязнение может снизить общую эффективность биореактора, особенно теплообменников . Чтобы этого не произошло, биореактор нужно легко чистить. Внутренние поверхности обычно изготавливаются из нержавеющей стали для легкой очистки и дезинфекции. Обычно биореакторы очищаются между партиями или спроектированы таким образом, чтобы максимально снизить загрязнение при непрерывной работе. Теплопередача - важная часть конструкции биореактора; небольшие сосуды можно охлаждать с помощью охлаждающей рубашки, но для более крупных сосудов могут потребоваться змеевики или внешний теплообменник. [ необходима цитата ]


Типы [ править ]

Фотобиореактор [ править ]

Фотобиореактор из мха с Physcomitrella patens

Фотобиореактор (СКД) представляет собой биореактор , который включает в себя некоторый тип источника света (который может быть естественный солнечный свет или искусственное освещение). Практически любой полупрозрачный контейнер можно назвать PBR, однако этот термин чаще используется для определения закрытой системы, в отличие от открытого резервуара для хранения или пруда . Фотобиореакторы используются для выращивания небольших фототрофных организмов, таких как цианобактерии , водоросли или моховые растения. [5] Эти организмы используют свет посредством фотосинтеза в качестве источника энергии и не требуют сахара илилипиды как источник энергии. Следовательно, риск заражения другими организмами, такими как бактерии или грибы , ниже в фотобиореакторах по сравнению с биореакторами для гетеротрофных организмов. [ необходима цитата ]

Очистка сточных вод [ править ]

Обычная очистка сточных вод использует биореакторы для выполнения основных процессов очистки. В некоторых из этих систем в качестве субстрата для роста биологической пленки используется химически инертная среда с очень большой площадью поверхности. Отделение излишков 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 с щелоком в виде «хлопьев». В этих процессах биохимическая потребность жидкости в кислороде(БПК) снижен в достаточной степени, чтобы сделать загрязненную воду пригодной для повторного использования. Твердые биологические вещества можно собирать для дальнейшей обработки или сушить и использовать в качестве удобрения. Чрезвычайно простой вариант биореактора для сточных вод представляет собой септик, в котором сточные воды остаются на месте, с дополнительными средами для размещения бактерий или без них. В этом случае сам биологический ил является основным хозяином для бактерий. [ необходима цитата ]

Биореакторы для специализированных тканей [ править ]

Биореактор, используемый для ферментации этанола из отходов кукурузного початка, загруженного дрожжами.

Многие клетки и ткани, особенно клетки млекопитающих, должны иметь поверхность или другую структурную опору для роста, и взволнованная среда часто разрушает эти типы клеток и ткани. Высшие организмы, будучи ауксотрофными , также нуждаются в высокоспециализированной питательной среде. Это создает проблему, когда целью является культивирование большего количества клеток для терапевтических производственных целей, и требуется существенно иной дизайн по сравнению с промышленными биореакторами, используемыми для выращивания систем экспрессии белков, таких как дрожжи и бактерии. [ необходима цитата ]

Многие исследовательские группы разработали новые биореакторы для выращивания специализированных тканей и клеток на структурной основе, пытаясь воссоздать органоподобные тканевые структуры in vitro . Среди них тканевые биореакторы, которые могут выращивать ткань сердца, [6] [7] ткань скелетных мышц, [8] связки, модели раковой ткани и другие. В настоящее время масштабное производство этих специализированных биореакторов для промышленного использования остается сложной задачей и является активной областью исследований.

Для получения дополнительной информации об искусственной культуре ткани см. Тканевую инженерию .

Моделирование [ править ]

Математические модели служат важным инструментом в различных приложениях биореакторов, включая очистку сточных вод. Эти модели полезны для планирования эффективных стратегий управления процессами и прогнозирования будущей производительности предприятия. Более того, эти модели полезны в сфере образования и исследований. [ необходима цитата ]

Биореакторы обычно используются в тех отраслях, которые связаны с пищевыми продуктами, напитками и фармацевтическими препаратами. Возникновение биохимической инженерии возникло недавно. Обработка биологических материалов с использованием биологических агентов, таких как клетки, ферменты или антитела, является основными столпами биохимической инженерии. Применение биохимической инженерии охватывает основные области цивилизации, такие как сельское хозяйство, пищевая промышленность и здравоохранение, восстановление ресурсов и химическая чистка. [ необходима цитата ]

До сих пор отрасли, связанные с биотехнологиями, отставали от других отраслей в реализации контроля над процессом и стратегий оптимизации. Основным недостатком управления биотехнологическими процессами является проблема измерения основных физических и биохимических параметров. [9]

Операционные этапы биопроцесса [ править ]

Биопроцесс состоит в основном из трех стадий - первичной обработки, биореакции и последующей обработки - для преобразования сырья в готовый продукт. [10]

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

После стадии предварительной обработки полученное сырье переносится на одну или несколько стадий биореакции. Биохимические реакторы или биореакторы составляют основу стадии биореакции. Этот этап в основном состоит из трех операций, а именно: производство биомассы , биосинтез метаболитов и биотрансформация. [ необходима цитата ]

Наконец, материал, произведенный в биореакторе, должен быть дополнительно обработан в секции ниже по потоку, чтобы преобразовать его в более полезную форму. Последующий процесс в основном состоит из операций физического разделения, которые включают разделение твердой и жидкой фаз, адсорбцию , жидкостно-жидкостную экстракцию , дистилляцию , сушку и т. Д. [11]

Технические характеристики [ править ]

Типичный биореактор состоит из следующих частей:

Мешалка - используется для перемешивания содержимого реактора, которое поддерживает «клетки» в идеальном гомогенном состоянии для лучшего переноса питательных веществ и кислорода к желаемому продукту (-ам).

Перегородка - используется для предотвращения образования вихрей в резервуаре, что обычно крайне нежелательно, поскольку меняет центр тяжести системы и потребляет дополнительную мощность.

Разбрызгиватель - в процессе аэробного культивирования цель разбрызгивателя - обеспечить растущие клетки достаточным количеством кислорода.

Куртка - Кожух обеспечивает кольцевую зону для циркуляции постоянной температуры воды , которая поддерживает температуру биореактора при значении постоянная. [12]

См. Также [ править ]

  • АТФ тест
  • Биохимическая инженерия
  • Биотопливо из водорослей
  • Биологическое производство водорода (водоросли)
  • Биопроцессор
  • Свалка биореакторов
  • Биотехнологии
  • Культура клеток
  • Хемостат
  • Варочный котел
  • Электробиохимический реактор (ЭБР)
  • Волосатая корневая культура
  • История биотехнологии
  • Биореактор из полого волокна
  • Иммобилизованный фермент
  • Промышленная биотехнология
  • Биопленочный реактор с подвижным слоем
  • Септик
  • Одноразовый биореактор
  • Тканевая инженерия

Ссылки [ править ]

  1. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « биореактор ». DOI : 10,1351 / goldbook.B00662
  2. ^ http://www.eolss.net/Sample-Chapters/C17/E6-58-04-15.pdf
  3. ^ Лопес, Асунсьон; Ласаро, Нурия; Маркес, Ана М. (сентябрь 1997 г.). «Интерфазная техника: простой метод иммобилизации клеток в гель-шариках». Журнал микробиологических методов . 30 (3): 231–234. DOI : 10.1016 / S0167-7012 (97) 00071-7 .
  4. ^ Пейнадо, Рафаэль А .; Морено, Хуан Дж .; Вильяльба, Хосе М .; Гонсалес-Рейес, Хосе А .; Ортега, Хосе М .; Маурисио, Хуан К. (декабрь 2006 г.). «Биокапсулы дрожжей: новый метод иммобилизации и их применение». Ферментные и микробные технологии . 40 (1): 79–84. DOI : 10.1016 / j.enzmictec.2005.10.040 .
  5. ^ Decker, Eva L .; Рески, Ральф (14 августа 2007 г.). «Современные достижения в производстве сложных биофармацевтических препаратов с биореакторами из мха». Биопроцессы и инженерия биосистем . 31 (1): 3–9. DOI : 10.1007 / s00449-007-0151-у . PMID 17701058 . 
  6. ^ Bursac, N .; Пападаки, М .; Коэн, Р.Дж.; Schoen, FJ; Айзенберг, SR; Carrier, R .; Vunjak-Novakovic, G .; Фрид, LE (1 августа 1999 г.). «Инженерия ткани сердечной мышцы: к модели in vitro для электрофизиологических исследований». Американский журнал физиологии. Сердце и физиология кровообращения . 277 (2): H433 – H444. DOI : 10.1152 / ajpheart.1999.277.2.h433 . PMID 10444466 . 
  7. ↑ Carrier, Rebecca L .; Пападаки, Мария; Рупник, Мария; Schoen, Frederick J .; Бурзак, Ненад; Лангер, Роберт; Фрид, Лиза Э .; Вуньяк-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 .
  8. ^ Хехер, Филипп; Малеинер, Бабетта; Прюллер, Йоханна; Тойшль, Андреас Герберт; Коллмитцер, Йозеф; Монфорте, Ксавье; Вольбанк, Сюзанна; Редл, Хайнц; Рюнцлер, Доминик; Фукс, Кристиана (сентябрь 2015 г.). «Новый биореактор для создания высоко ориентированных трехмерных конструкций, подобных скелетным мышцам, посредством ориентации фибрина посредством приложения статической деформации». Acta Biomaterialia . 24 : 251–265. DOI : 10.1016 / j.actbio.2015.06.033 . PMID 26141153 . 
  9. Рианна Карлссон, Бенгт (24 марта 2009 г.). «Введение в моделирование биореакторов» (PDF) .
  10. ^ Россер, Дж .; Томас, DJ (1 января 2018 г.), Томас, Дэниел Дж .; Джессоп, Зита М .; Уитакер, Иэн С. (ред.), «10 - Биореакторные процессы для созревания трехмерной биопечати ткани» , 3D-биопечать для реконструктивной хирургии , издательство Woodhead Publishing, стр. 191–215, ISBN 978-0-08-101103-4, получено 14 декабря 2020 г.
  11. ^ Яна, АМИЯ К. (2011). МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ . PHI Learning Pvt. ООО[ требуется страница ]
  12. ^ "Биореактор - основы" .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Полин М. Доран, Принципы биотехнологической инженерии, Elsevier, 2-е изд., 2013 ISBN 978-0-12-220851-5 
  • Биотехнологическая компания Medicago Inc. использует растения для выращивания вирусоподобных частиц для возможной вакцины против COVID-19.

Внешние ссылки [ править ]

  • Фотобиореактор .