Bioreaktory zwane również fermentorami, są urządzeniami służącymi do hodowli drobnoustrojów, komórek roślinnych i zwierzęcych w odpowiednim środowisku. Do bioreaktorów zalicza się także reaktory enzymatyczne, które w porównaniu z reaktorami przeznaczonymi do produkcji drobnoustrojów nie wymagają napowietrzania, a jeżeli tak, to na niskim poziomie. W zależności od hodowli mikroorganizmów bioreaktory mogą pracować w sposób:
• okresowy,
• półokresowy,
• ciągły.
Bioreaktory okresowe stosuje się głównie w badaniach laboratoryjnych. W skali technicznej wykorzystuje się hodowle półciągłe uzyskiwane podczas kilkakrotnego powtarzania hodowli okresowych. Istotą kultury ciągłej jest dopływ pożywki i wymiana części zużytej na świeżą w trakcie rozwoju komórek.
Wszystkie bioreaktory konstruowane są w sposób umożliwiający kontrolę procesu produkcyjnego i jego optymalny przebieg w warunkach maksymalnego ograniczenia lub całkowitego wyeliminowania możliwości zakażeń. Wiele bioreaktorów działa w warunkach sterylnych a zwłaszcza w procesach gdzie stosuje się czyste kultury drobnoustrojów (wrażliwych na obce szczepy). Bioreaktory zapewniają właściwe środowisko fermentacji sprzyjające optymalnej produkcji określonych metabolitów.
Wyposażenie techniczne typowego bioreaktora składa się z:
• naczynia hodowlanego,
• układu mieszania,
• układu chłodzenia,
• urządzenia do gaszenia piany,
• urządzenia do pobierania prób,
• urządzeń kontrolno-pomiarowych.
W zależności od przeznaczenia bioreaktory mają różne pojemności. W przemyśle farmaceutycznym i weterynaryjnym, gdzie wykorzystywane są do produkcji szczepionek, stosowane są bioreaktory o pojemności od 0,1 m3 do 1 m3. W produkcji antybiotyków od 10 m3 do 100m3. W produkcji aminokwasów i kwasów organicznych stosowane są bioreaktory o pojemności przekraczającej 150 m3, zaś w do produkcji białek o pojemności dochodzącej do 1000 m3. W oczyszczalniach ścieków naczynia bioreaktorów przekraczają pojemność 10 000 m3.
Pożywki stosowane w bioreaktorach w zależności od stanu skupienia można podzielić na stałe (pasty) i ciekłe. Wśród pożywek ciekłych najczęściej stosuje się naturalne produkty odpadowe. Ze względu na pochodzenie i skład chemiczny mogą być organiczne lub mineralne. Ważnymi pierwiastkami występującymi w pożywce są węgiel i azot. Źródłem węgla może być: glukoza, laktoza, skrobia, sacharoza, melasa z buraków cukrowych lub trzciny cukrowej, serwatka, glicerol, etanol, syrop kukurydziany i maltozowy, kwas cytrynowy i inne. Jako źródło azotu wykorzystuje się przede wszystkim ekstrakt drożdżowy, mączkę rybną oraz roślinną (z nasion rzepaków, sojową, z kiełków kukurydzianych itd.) krew bydlęcą oraz inne.
Istnieje kilka podziałów bioreaktorów. Z uwagi na sposób prowadzenia procesów fermentacji bioreaktory można podzielić na trzy grupy:
• bioreaktory do hodowli wgłębnych,
• bioreaktory do hodowli w podłożu stałym,
• bioreaktory z unieruchomionym materiałem biologicznym.
Podstawowe typy bioreaktorów używane w różnych procesach przemysłowych z uwzględnieniem aspektów konstrukcyjnych dzielą się na:
• bioreaktory mieszadłowe,
• bioreaktory barbotażowe,
• bioreaktory typu air lift,
• bioreaktory ze złożem upakowanym,
• bioreaktory ze złożem fluidalnym,
• fotobioreaktory.
Bioreaktory mieszadłowe mają naczynie w kształcie pionowego cylindra z wałem na którym umieszczone są mieszadła, które wykonują ruch obrotowy i napędzane są zewnętrznymi silnikami. Rodzaje używanych mieszadeł to: śmigłowe, łopatkowe, turbinowo-łopatkowe, kotwicowe, turbinowe, śruby okrętowe, heliakalne, śrubowe. Powszechnie używanymi wirnikami najlepiej mieszających ciecz są: turbina Rusthona, turbina z łopatkami wklęsłymi, turbina hydropłatowa, turbina typu śruby okrętowej. Szybkość obrotów mieszadła zależy od wielkości zbiornika i waha się od kilkudziesięciu na minutę (w urządzeniach przemysłowych) do kilkuset (w urządzeniach laboratoryjnych). Bioreaktory mieszadłowe są najczęściej używane do produkcji antybiotyków i kwasów organicznych.
Bioreaktory barbotażowe mają kształt cylindrycznej kolumny, w której powietrze doprowadzane jest od dołu przez perforowane rury lub płyty. Prowadzenie procesu biodegradacji aerobowej w tym bioreaktorze wiąże się z odpowiednim natlenieniem środowiska reakcji. Wnikanie tlenu i mieszanie zależą od prędkości przepływu powietrza oraz średnicy kolumny bioreaktora. W kolumnach barbotażowych ważne jest także wytwarzanie drobnych pęcherzyków powietrza dzięki zastosowaniu różnego typu materiałów porowatych np. spieków ceramicznych (wyroby lub półwyroby wytwarzane ze spiekanych tlenków, siarczków, węglików, azotków, borków, krzemków itd.). Bioreaktory te są szczególnie przydatne do oczyszczania ścieków oraz innych procesach fermentacyjnych o małej lepkości środowiska.
Bioreaktory typu air lift posiadają w zbiorniku dwie części wzajemnie ze sobą połączone. Do jednej części doprowadzane jest powietrze lub inny gaz tzw. strefa wznoszenia, druga to strefa opadania (bezpowietrzna). Bioreaktory tego typu posiadają cyrkulację wewnętrzną lub zewnętrzną. Cyrkulacja cieczy jest wymuszona dzięki różnicy gęstości płynu w poszczególnych częściach aparatu. W części wznoszącej gdzie jest większe zatrzymanie gazu, ciecz płynie do góry, natomiast w części, w której zatrzymanie gazu jest mniejsze, ciecz płynie w dół. Dla prawidłowej i optymalnej pracy między fazami (gazowej i ciekłej) w bioreaktorze ważny jest stosunek przekroju części wznoszenia do części opadania. Bioreaktory typu air lift wykorzystane są do instalacji produkcyjnych przy wytwarzaniu białek leczniczych w delikatnych komórkach zwierzęcych. Stosowane są także w efektywnej biodegradacji ścieków, produkcji owadobójczych nicieni.
Bioreaktory ze złożem fluidalnym pracują z drobnoziarnistym złożem utrzymywanym w stanie fluidalnym przez przepływ fazy płynnej. Cząstki stałe (biokatalizatory) są utrzymywane w zawieszeniu i powodują sedymentację cieczy. Złoże fluidalne może być zasilane dodatkowo powietrzem lub innym gazem co powoduje trzy jego fazy (cząstki stałe, ciecz, gaz). Złoża fluidalne w cieczy mają tendencję do utrzymywania się w stanie spokojnym, natomiast wprowadzenie gazu zwiększa turbulencję i mieszanie, a tym samym zwiększa się względna prędkość między fazą stałą a ciekłą.
Bioreaktory ze złożem upakowanym zawierają cząstki stałe zbudowane z polimerów ściśliwych lub materiałów bardziej sztywnych. Złożem stałe jako biokatalizator może być porowate lub nieporowate i homogenne. Pożywka zawierająca substraty przepływa ciągle przez złoże upakowane biokatalizatora a w efekcie metabolity i produkty uwalniane są do cieczy i usuwane w strumieniu wypływającym. Przepływ może odbywać się z góry na dół lub z dołu do góry. Z reguły stosuje się przepływ z góry na dół na zasadzie grawitacji. Złoża upakowane z mniejszymi przestrzeniami powodują zmniejszenie przepływu cieczy, natomiast złoża z większą przestrzenią zapewniają większą prędkość przepływu. Jeżeli złoże zawiera cząstki ściśliwe to przepływ cieczy będzie utrudniony ze względu na zmniejszenie wolnej przestrzeni między nimi. Złoża upakowane stosowane są w bioreaktorach z im mobilizowanymi enzymami.
Fotobioreaktory zbudowane są z materiałów przepuszczających światło. Jest ono podstawowym parametrem warunkującym wzrost mikroalg. Stosuje się zarówno fotobioreaktory z dostępem światła słonecznego, jak i oświetlane źródłami sztucznymi. Oświetlenie sztuczne jest drogie więc przeważnie bioreaktory instalowane są na wolnym powietrzu, które stosowane są na dużą skalę przemysłową. Wewnątrz fotobioreaktora wyróżnić można strefę jasną – blisko źródła światła oraz strefę ciemną – daleko od naświetlanej powierzchni. Obecność strefy zmroku jest spowodowana absorpcją światła przez mikroorganizmy i ich samozacienianiem. Wyróżniamy trzy typy fotobioreaktorów: pionowo – kolumnowe, cylindryczne i płaskie (panelowe).
Mikroglony mogą być hodowane w otwartych stawach czy kanałach na określonych głębokościach nie głębiej niż 0,15 m w celu ułatwienia fotosyntezy. Aby zapewnić algom właściwe warunki świetlne w niektórych bioreaktorach używane są specjalne panele emitujące światło w zakresie czerwieni. Ważnym w hodowli alg jest też dobór odpowiedniego stężenia gazów O2 i CO2. Przy zbyt wysokim stężeniu tlenu może dojść do zahamowania fotosyntezy, natomiast nadmierne zużywanie dwutlenku węgla przez algi może doprowadzić do zmian pH, a w konsekwencji zahamować wzrost biomasy.
Na wzrost mikroorganizmów i produkcję biomasy wpływa odpowiedni kierunek padania światła, a także hydrodynamika gazowo-cieczowa. Ważne w fotobioreaktorach jest także tempo napowietrzania i cyrkulacja pożywki, które zapewniają odpowiednie krążenie komórek i ich sedymentację.
Dla monokultur używa się zamknięte fotobioreaktory zbudowane z szeregu zamkniętych rur ze szkła lub plastiku. Rury te mogą być ustawione pionowo lub poziomo do gruntu.
Fotobioreaktory są używane do fotosyntetyzujących kultur mikroalg i cyjanobakterii w celu wytwarzania takich produktów jak astaksantyna i β-karoten.
Zastosowane bioreaktorów w biotechnologii jest bardzo szerokie. Służą m. in. :
• do oczyszczania ścieków przemysłu spożywczego (m. in. browary, mleczarnie, gorzelnie, produkcja soków),
• do oczyszczania ścieków komunalnych,
• do otrzymywania antybiotyków, enzymów i kwasów organicznych (np. mlekowy, fumarowy, cytrynowy itd.),
• wytwarzania białek leczniczych,
• w biotechnologii roślin w produkcji substancji metabolicznie czynnych – głównie metabolitów wtórnych.
Autorzy: Michał Pałys, Mateusz Gortat
Literatura:
1. Chisti Y. 2011. Bioreaktory. W: Podstawy biotechnologii, Ratledge C., Kristiansen B. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, 123-136.
2. Grajek W. 2005. Kultury roślinne w bioreaktorach. W: Biotechnologia roślin, Malepszy S. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, 87-114.
3. Pielecki J. 2000. Projektowanie podstawowych wymiarów bioreaktorów, mieszadeł mechanicznych i obliczanie poboru mocy przez mieszadło. W: Procesy jednostkowe w biotechnologii, Fiedurek J. (red.). Wydawnictwo UMCS, 9-24.
4. Szewczyk K. W. 2007 Bioreaktory. W: Podstawy biotechnologii przemysłowej, Fiedurek J. (red.). Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 162-184.
5. Zabochnicka-Świątek M. 2010. Wykorzystanie biomasy mikroalg do produkcji biopaliw płynnych. Materiały konferencyjne.
