Типы биореакторов

Типы биореакторов

Биореактор — это устройство, используемое для выращивания организмов, таких как бактерии, клетки или ферменты, в контролируемых условиях. Ниже представлены некоторые распространенные типы биореакторов:

• Биореактор с барботажной колонной:

  Биореактор с барботажной колонной представляет собой простой вертикальный цилиндр, открытый сверху. Обычно он заполнен жидкостью, и через него снизу подаются воздушные пузырьки. По мере движения пузырьков вверх они перемешивают жидкость. Область, где взаимодействуют воздух и жидкость, называется интерфейсом. Именно здесь бактерии или дрожжи растут, потребляя питательные вещества и разлагая органические вещества. Важно проектировать биореакторы с барботажной колонной таким образом, чтобы бактерии или дрожжи могли более эффективно разлагать отходы.

• Перемешиваемый биореактор:

  Перемешиваемый биореактор похож на биореактор с барботажной колонной. Это вертикальный контейнер из стекла или нержавеющей стали. Внутри него находится мешалка. Биореактор заполняется бульоном и микроорганизмами, а мешалка перемешивает смесь, чтобы равномерно распределить ее. Расширение перемешиваемых биореакторов позволило выращивать больше организмов в меньшем пространстве, и эта технология широко используется в промышленности.

  Высокопроизводительный перемешиваемый биореактор может контролировать температуру, pH и растворенный кислород, создавая оптимальную среду для роста клеток. Биореактор также имеет высокоскоростную лопастную мешалку, которая может обрабатывать вязкие жидкости.

• Воздушный биореактор:

  Воздушный биореактор похож на перемешиваемый, но вместо перемешивания он использует воздушные пузырьки для подъема жидкости. Жидкость поднимается в колонне и опускается вниз по опускной трубе. Это движение обеспечивает циркуляцию жидкости. Воздушные биореакторы более щадящие, чем перемешиваемые, что делает их лучшими для хрупких клеток, которые необходимо бережно обрабатывать. Опускная труба также удерживает микроорганизмы в одном месте, что повышает эффективность процесса.

• Мембранный биореактор:

  В мембранном биореакторе микроорганизмы разлагают органический материал, в то время как мембрана фильтрует чистую воду. Мембрана позволяет чистой воде проходить, но не пропускает остаточные бактерии или осадок. Мембрана фильтрует чистую воду для получения очищенной воды, ценного продукта, и имеет более длительный срок службы и лучшие фильтрующие свойства.

• Нержавеющий биореактор:

  Нержавеющая сталь 316L, высококачественная нержавеющая сталь, устойчивая к коррозии, кислотам и щелочам, часто используется в фармацевтической промышленности. Она подходит для фармацевтической промышленности, исследовательских лабораторий и опытных установок.

Технические характеристики и обслуживание типов биореакторов

Биореакторы — это сложные сосуды, и их характеристики различаются в зависимости от типа биореактора.

• Емкость и объем

  Общее количество жидкости, которое может вместить биореактор, называется его объемом или емкостью. Если его используют в небольших исследовательских или лабораторных условиях, число обычно составляет несколько литров или даже меньше. В более крупных коммерческих условиях число становится намного больше, достигая тысяч литров. Задача биореактора — удерживать живые организмы, такие как клетки, бактерии или другие организмы, чтобы они росли и производили что-то полезное.

• Материалы и их совместимость

  Материал, из которого изготовлен биореактор, должен выдерживать живые организмы, выращиваемые внутри него, и любые питательные вещества или химические вещества, которые добавляются. Обычно это нержавеющая сталь, специальное стекло или определенные виды пластмассы, которые можно хорошо очистить. Материалы также должны выдерживать температуру, давление и химические вещества, используемые в биореакторе, чтобы ничего не вступало с ними в нежелательную реакцию.

• Система перемешивания

  Биореакторы должны постоянно поддерживать все в смеси, что осуществляется с помощью перемешивания или встряхивания. Система перемешивания отвечает за подачу энергии для поддержания клеток и других веществ во взвешенном состоянии. Она также обеспечивает равномерное распределение питательных веществ. Независимо от того, используются ли лопасти, пропеллеры или другие методы, конструкция перемешивания направлена на поддержание хороших условий роста для живых организмов.

• Системы управления

  Современные биореакторы оснащены сложными системами управления. Эти автоматизированные компьютеры отслеживают и регулируют ключевые факторы, такие как температура, pH (кислотность или щелочность), уровень растворенного кислорода и скорость подачи питательных веществ. Датчики, встроенные в биореактор, контролируют эти важные условия. Данные передаются на центральный компьютер, который самостоятельно принимает решения или может быть предварительно запрограммирован оператором, чтобы обеспечить оптимальную среду внутри для оптимального роста и производства.

Обслуживание типов биореакторов включает в себя очистку, стерилизацию, сборку, а также обслуживание системы эксплуатации и управления.

• Очистка и стерилизация:

  Крайне важно тщательно очищать и стерилизовать биореактор перед каждым использованием. Это предотвращает загрязнение и обеспечивает воспроизводимость результатов. Обычно моющее средство и вода циркулируют через систему для промывки, после чего следует обработка паром или сухим жаром для стерилизации.

• Сборка биореактора:

  После стерилизации компоненты биореактора необходимо тщательно собрать. Важно уделить внимание критическим частям, чтобы убедиться в отсутствии утечек и адекватном газообмене. После сборки биореактор следует проверить на наличие утечек и протестировать, чтобы убедиться, что все критические функции работают правильно.

• Обслуживание системы эксплуатации и управления:

  Регулярное техническое обслуживание системы перемешивания и управляемых частей имеет решающее значение для работы биореактора. Перемешивающие лопасти необходимо проверять на износ, а подшипники и уплотнения следует осматривать и заменять при необходимости. Электронные управляющие компоненты требуют периодической калибровки для поддержания точности и надежности. Соблюдение систематического графика осмотров, регулировок и замен поможет поддерживать биореактор в исправном состоянии и оптимальной работе в течение длительного времени.

Сценарии использования типов биореакторов

Биотехнологический рынок быстро развивается и, по прогнозам, к 2030 году достигнет 1 триллиона долларов США, что обусловлено растущим спросом на биореакторы для клеточной культуры, микробной ферментации и тканевой инженерии.

Биореакторы широко используются в фармацевтической и биотехнологической отраслях для производства лекарств, вакцин, антител, белков, ферментов, гормонов и клеточных культур. На новых развивающихся рынках биореакторы используются для 3D-клеточной культуры и тканевой инженерии. Ожидается, что эта тенденция будет расти по мере увеличения спроса на персонализированную медицину и регенеративную терапию.

В медицинском и фармацевтическом секторах биореакторы часто используются при производстве вакцин. Эти большие ферментационные резервуары служат сосудами для роста микроорганизмов (бактерий и дрожжей), которые стимулируют производство специфических белков и антител, действующих как вакцины. По той же схеме они могут использоваться и при производстве антител и белков.

В сельскохозяйственном секторе биореакторы играют решающую роль в микробной ферментации для производства биотоплива, ферментов и кормов для животных. С помощью биореакторов можно выращивать различные типы биомассы, такие как грибы, бактерии, микроводоросли и дрожжи, для производства ценных продуктов для сельского хозяйства и пищевой промышленности, которые впоследствии могут использоваться для кормления скота или в качестве источников чистой энергии.

Как выбрать тип биореактора

Инвесторы в бизнес биореакторов должны научиться выбирать подходящий биореактор в зависимости от области применения и особых потребностей. Им следует сосредоточиться на следующих факторах.

• Область применения: Биореакторы можно использовать для выращивания или культивирования всех видов живых организмов. Покупатели должны определить конкретную цель, например, конструкцию системы, доставку питательных веществ, газообмен, удаление отходов и специфические для организма требования.

• Масштабируемость: При выборе типа биореактора покупателям также следует учитывать масштабируемость. Биореакторы с жесткой конструкцией для легкой масштабируемости вверх или вниз подойдут для различных объемов производства.

• Экономическая эффективность: Оцените общую стоимость покупки и эксплуатации биореактора. Пользователи должны учитывать первоначальные инвестиции, техническое обслуживание, эксплуатационные расходы и потенциальную окупаемость инвестиций, чтобы выбрать экономичную модель биореактора.

• Системы управления: Различные модели биореакторов оснащены различными системами управления, которые могут влиять на способ мониторинга и управления ключевыми параметрами, такими как температура, pH, растворенный кислород, давление и подача питательных веществ. Выберите биореактор, система управления которого проста в использовании и удовлетворяет конкретным потребностям пользователей в мониторинге и управлении.

• Совместимость материалов: Совместимость материалов определяет, подходит ли биореактор для конкретных химических и биологических сред. Пользователи должны выбирать биореактор, материалы которого могут эффективно противостоять коррозии, истиранию и другим потенциальным повреждениям.

• Гибкость: Некоторые типы биореакторов имеют только один режим работы. В то время как другие многофункциональны и могут вмещать различные стратегии культивирования, такие как пакетные, периодические, непрерывные и циклические процессы. Гибкие биореакторы могут адаптироваться к меняющимся исследовательским и производственным требованиям.

• Автоматизация: Степень автоматизации может влиять на простоту использования, воспроизводимость и эффективность биореактора. Выберите биореактор с автоматизированными функциями, такими как интегрированное отбор проб, онлайн-анализ и современные системы управления данными, чтобы уменьшить ручное вмешательство и улучшить управление процессом.

• Интеграция на upstream и downstream уровнях: Если пользователи нуждаются в интегрированных решениях, которые объединяют upstream-процессы ферментации или культивирования с downstream-этапами разделения, очистки и экстракции, они должны рассматривать биореакторы, совместимые с такими интегрированными системами.

Типы биореакторов: вопросы и ответы

В1: В чем разница между ферментером и биореактором?

А1: Биореактор — это аппарат, используемый для разработки биологических процессов. Он может производить различные биохимические продукты с использованием различных типов организмов. Биореактор — это одно из ключевых устройств в промышленности. Ферментер — это биореактор, который поддерживает только процессы ферментации. Таким образом, все ферментеры являются биореакторами, но не все биореакторы являются ферментерами.

В2: Каков принцип работы биореактора?

А2: Биореакторы обеспечивают организмам оптимальные условия для роста и размножения. Принципы работы будут варьироваться в зависимости от типа биореактора. Как правило, они содержат датчики и клапаны для контроля температуры, pH, подачи питательных веществ, давления, концентрации кислорода, скорости перемешивания и других факторов, чтобы поддерживать работу в оптимальных условиях.

В3: В каких отраслях используются биореакторы?

А3: Биореакторы широко используются в пищевой, фармацевтической, биотопливной, водоочистной и химической промышленности. В пищевой промышленности они используются для ферментации продуктов питания и напитков. Фармацевтическая промышленность производит антитела, гормоны и вакцины с использованием биореакторов. Биотопливная промышленность производит этанол. Химическая промышленность использует их для производства органических соединений.

В4: Каковы последние тенденции в проектировании и применении биореакторов?

А4: Тенденции в проектировании биореакторов — это масштабируемые биореакторы, которые увеличивают производство; управляемые биореакторы, которые точно контролируют параметры; и многоцелевые биореакторы, которые подходят для различных процессов. Тенденция состоит в том, чтобы разрабатывать крупномасштабные, высокоэффективные, энергосберегающие биореакторы.