<img src="http://e-biotechnologia.pl/obrazki/bioreaktor.jpg" ALIGN="left" HSPACE=10 VSPACE=10/> Bioreaktory inaczej nazywane także fermentorami są urządzeniami służącymi do hodowli drobnoustrojów, komórek roślinnych lub zwierzęcych. Konstruowane są w sposób umożliwiający kontrolę procesu produkcyjnego oraz jego optymalny przebieg w warunkach maksymalnego ograniczenia lub całkowitego wyeliminowania możliwości zakażeń. Fot. Jacopo Werther

Zastosowanie bioreaktorów

Bioreaktory umożliwiają prowadzenie procesów mikrobiologicznych, enzymatycznych oraz hodowli komórek organizmów wyższych w warunkach kontrolowanych. Podstawowym wymogiem, jaki musi spełniać bioreaktor jest duża sprawność w procesie wymiany tlenu oraz odprowadzania ciepła, które się wydziela podczas prowadzenia hodowli. W skali laboratoryjnej stosuje się fermentory o niedużych pojemnościach, zwykle wielkość ta waha się od kilku mililitrów do kilkunastu litrów. Urządzenia te wykonane są zazwyczaj ze szkła i mogą być łącznie z podłożem i wyposażeniem uzupełniającym sterylizowane w autoklawach. Jeśli chodzi o praktykę przemysłową to tu stosuje się bioreaktory o pojemności od kilkudziesięciu litrów do nawet kilkuset metrów sześciennych. Bioreaktory najczęściej są wykonane ze stali kwasoodpornej. Bioreaktory o dużych pojemnościach wykorzystywane są m.in. w oczyszczalniach ścieków.

Podział i typy bioreaktorów

Zależnie od przeznaczenia, zasady działania i rozwiązań konstrukcyjnych wyróżniamy następujące typy bioreaktorów:

Ze względu na sposób prowadzenia procesu:

- bioreaktory do procesów okresowych
- bioreaktory do procesów ciągłych
- bioreaktory z zawracaniem lub zatrzymaniem biofazy

Rodzaj biokatalizatora:

- bioreaktory do klasycznych procesów mikrobiologicznych
- bioreaktory do hodowli komórek organizmów wyższych w zawiesinie
- bioreaktory do hodowli komórek organizmów wyższych na nośniku
- bioreaktory do procesów enzymatycznych w roztworze
- bioreaktory do procesów z użyciem biokatalizatorów unieruchomionych

Warunki hodowli drobnoustrojów, komórek:

- bioreaktory do hodowli na powierzchni podłoża
- bioreaktory z nośnikiem stałym
- bioreaktory do hodowli wgłębnej

Warunki tlenowe:

- bioreaktory do warunków tlenowych
- bioreaktory do warunków beztlenowych

Warunki i sposoby mieszania:

- bioreaktory bez wymuszonego mieszania
- bioreaktory z wymuszonym mieszaniem

Sposób doprowadzenia energii na mieszanie:

- mieszadłem mechanicznym przez fazę ciekłą
- pompą przez fazę ciekłą
- poprzez fazę gazową (sprężonym powietrzem)
- sposoby łączone.

Budowa bioreaktora

Na budowę bioreaktora składają się:

1. korpus,
2. płaszcz,
3. izolacja,
4. zamocowanie,
5. króciec do podawania inokulum,
6. króćce czujników pH, temperatury i poziomu tlenu,
7. mieszadło,
8. bełkotka,
9. uszczelka mechaniczna,
10. sprzęgło,
11. napęd,
12. króciec odbioru produktu,
13. króćce doprowadzenia czynnika chłodzącego do płaszcza,
14. króciec do poboru próbki z podłączeniem do przewodu dostarczającego parę,
15. wziernik boczny,
16. króćce przewodów podawania czynników regulujących pH oraz środków antypieniących,
17. króciec wlotu powietrza,
18. pokrywa,
19. króciec dopływu pożywki,
20. dysza wylotowa gazów,
21. inne podłączenia,
22. mechaniczny rozbijacz piany,
23. wziernik w pokrywie i podłączenie do przewodu odprowadzającego parę,
24. dysza z zaworem bezpieczeństwa.

Bioreaktory mikrobiologiczne

Prowadzenie hodowli w bioreaktorach mikrobiologicznych oparte jest na kilku etapach. Pierwszy z nich związany jest z odpowiednim przygotowaniem urządzeń, pożywek i odczynników, niezbędnych do przeprowadzenia hodowli. Początek związany jest głównie z myciem i dezynfekcją (lub sterylizacją) aparatury, pomieszczeń, przewodów doprowadzających i wyprowadzających oraz przygotowaniem i sterylizacją podłoży.

Kolejnym krokiem jest namnażanie materiału posiewowego (mikroorganizmów) oraz prowadzenie hodowli w ściśle określonych warunkach (pH, temperatury, składu i stężenia składników pożywki, natlenienia itp.). Po tym okresie, wytworzone podczas hodowli związki muszą zostać wydzielone z płynu pohodowlanego, a następnie oczyszczone, w zależności od przeznaczenia.

Warunki prowadzenia hodowli w bioreaktorach

Bioreaktory z zewnątrz otoczone są płaszczem grzejnym, którego zadaniem jest zapewnienie hodowli odpowiedniej temperatury, co ma istotne znaczenie podczas całego procesu. Wewnętrzna powierzchnia fermentorów jest gładka, co ma istotne znaczenie m.in. dla zachowania sterylnych warunków. Nieregularna i chropowata powierzchnia stanowi doskonałe miejsce dla tworzenia się nisz, w których drobnoustroje rozwijały by się w sposób niekontrolowany. Ryzyko osadzania się drobnoustrojów na stałych elementach bioreaktora może negatywnie wpływać na przebieg całego procesu mikrobiologicznego, dlatego ważne jest, by takich miejsc było jak najmniej.

Wewnątrz reaktorów mikrobiologicznych rozmieszczone są listwy, które mają za zadanie zapobiegać tworzeniu się „leju” w roztworze podczas mieszania, który niekorzystnie wpływa na przebieg procesu. Mieszanie zwiększa znacznie wydajność procesu, dlatego ciągle poszukuje się nowych i ulepszonych rozwiązań technicznych, wpływających korzystnie na efektywność mieszania, jednocześnie nie wpływających negatywnie na wzrost komórek mikroorganizmów.

Prowadzenie hodowli z udziałem aerobów związane jest z odpowiednim manipulowaniem powietrzem, które do bioreaktorów możemy dostarczyć na kilka sposobów. Można to zrobić poprzez zastosowanie bełkotki, dyszy strumieniowej, rury lub tarczy porowatej oraz mieszadła wyposażonego w wirnik zasysający powietrze i wtłaczający je do cieczy.

Intensywność procesu napowietrzania oraz wydajne jego wykorzystanie przez mikroorganizmy uzależnione jest od wielkości pęcherzyków powietrza, które im mniejsze tym łatwiej i bardziej wydajnie pobierane są z otoczenia. Podczas pracy bioreaktora często dochodzi do wytwarzania się piany, co jest elementem niepożądanym i należy go eliminować. W celu zapobiegania powstawania piany w reaktorach umieszcza się tzw. zbijacze piany, umieszczone zawsze nad powierzchnią płynu hodowlanego. W niektórych przypadkach do roztworu wprowadza się olej, który pływając po jego powierzchni zapobiega powstawaniu piany.

Sylwia Michalczyk


Źródła:
Warunki prowadzenia bioprocesów. W: Aleksander Chmiel: Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne. Warszawa: Wyd. Naukowe PWN, 1998, ss. 307-345.