CO TO JEST BIOREAKTOR?

Bioreaktor (inaczej biofermentor) to specjalne urzadzenie, w którym zachodzą procesy chemiczne i biochemiczne, mające na celu przekształcenie substratów w produkty końcowe. Używany jest w produkcji leków, biotransformacji związków chemicznych oraz degradacji odpadów. Procesy te mogą zachodzić dzięki mikroorganizmom, enzymom lub komórkom zwierzęcym/roślinnym.

JAKIE SĄ GŁÓWNE ZASTOSOWANIA BIOREAKTORÓW?

Bioreaktory są wykorzystywane w różnych dziedzinach, takich jak:

• Produkcja leków (np. antybiotyki, szczepionki)
• Oczyszczanie ścieków
• Wytwarzanie białek leczniczych
• Produkcja kwasów organicznych i enzymów
• Hodowla kultur mikroorganizmów i komórek

JAKIE ELEMENTY WCHODZĄ W SKŁAD BIOREAKTORA?

Bioreaktor składa się z kadzi fermentacyjnej, mieszadła, sond kontrolnych (m.in. do pomiaru pH, tlenu, temperatury), systemów napowietrzania i kontroli poziomu piany. Ważnym elementem jest płaszcz chłodzący, który zapewnia stabilne warunki temperaturowe.

Jakie typy bioreaktorów wyróżniamy?

BIOREAKTORY MOŻNA PODZIELIĆ NA RÓŻNE KATEGORIE:

• POD WZGLĘDEM STERYLNOŚCI: sterylne, względnie sterylne i niesterylne.
• POD WZGLĘDEM DOSTĘPU DO TLENU: aerobowe (z dostępem do tlenu) i anaerobowe (beztlenowe).
• POD WZGLĘDEM SPOSOBU PRACY: okresowe, półciągłe i ciągłe.
• POD WZGLĘDEM BUDOWY: mieszadłowe, barbotażowe, typu air lift, złożowe i fotobioreaktory.

PODZIAŁ BIOREAKTORÓW POD WZGLĘDEM BUDOWY:

Bioreaktory mieszadłowe (CSTR – Continuous Stirred Tank Reactor)

• BUDOWA: Mają cylindryczny kształt z mieszadłem umieszczonym wewnątrz zbiornika. Zazwyczaj wyposażone są w jedno lub więcej mieszadeł oraz system napędowy.
• FUNKCJONOWANIE: Mieszanie odbywa się mechanicznie za pomocą mieszadeł. Zapewnia to równomierne rozprowadzenie substancji odżywczych, tlenu i jednorodną temperaturę w całym bioreaktorze.
• ZASTOSOWANIE: Najczęściej używane do hodowli mikroorganizmów, produkcji enzymów oraz w przemyśle biotechnologicznym.
• ZALETY: Dobrze kontrolowana wymiana gazów, efektywne mieszanie, możliwość prowadzenia procesów w trybie ciągłym.
• WADY: Wysoka energochłonność spowodowana pracą mieszadła.

BIOREAKTORY BARBOTAŻOWE (BUBBLE COLUMN REACTOR)

• BUDOWA: Mają prostą budowę w postaci pionowego cylindra. Nie posiadają mechanicznego mieszadła. Gazy są wprowadzane przez dno zbiornika.
• FUNKCJONOWANIE: Mieszanie i napowietrzanie medium odbywa się poprzez wprowadzanie gazów (zwykle powietrza lub tlenu), które tworzą bąbelki w cieczy.
• ZASTOSOWANIE: Często stosowane w procesach fermentacji, hodowlach mikroorganizmów, w produkcji biopaliw.
• ZALETY: Prosta konstrukcja, niskie koszty eksploatacyjne, brak elementów ruchomych.
• WADY: Mniejsze możliwości kontroli parametrów mieszania i transportu gazu niż w bioreaktorach mieszadłowych.

BIOREAKTORY TYPU AIRLIFT

• BUDOWA: Są podobne do bioreaktorów barbotażowych, jednak posiadają dwie strefy: wznoszącą (gdzie wprowadzany jest gaz) oraz opadającą (gdzie gaz nie występuje).
• FUNKCJONOWANIE: Różnice w gęstości cieczy między strefą wznoszącą a opadającą powodują naturalne krążenie medium w reaktorze. Gaz wprowadzany jest do strefy wznoszącej, gdzie tworzą się bąbelki, które podnoszą ciecz.
• ZASTOSOWANIE: Głównie do hodowli mikroorganizmów, alg oraz produkcji biomasy.
• ZALETY: Efektywne mieszanie przy minimalnym zużyciu energii, brak mechanicznych elementów, które mogłyby ulec uszkodzeniu.
• WADY: Ograniczona kontrola nad stopniem mieszania i wymianą gazu.

BIOREAKTORY ZŁOŻOWE

• BUDOWA: W tego typu bioreaktorach materiał biologiczny rozwija się na stałym złożu, które znajduje się wewnątrz reaktora. Złoże może mieć formę kulek, pierścieni, granulek lub innych nośników.
• FUNKCJONOWANIE: Ciecz (z substancjami odżywczymi) przepływa przez złoże, umożliwiając mikroorganizmom rosnącym na nośniku absorpcję składników pokarmowych i tlenu.
• ZASTOSOWANIE: Powszechnie stosowane w oczyszczaniu ścieków, produkcji biogazu, biofiltracji i w hodowli komórek.
• ZALETY: Wysoka wydajność procesów, większa stabilność procesów biologicznych, możliwość prowadzenia reakcji przez dłuższy czas.
• WADY: Możliwość zatykania złoża, trudności w jego wymianie.

FOTOBIOREAKTORY

• BUDOWA: Są to bioreaktory przystosowane do hodowli organizmów fotosyntetycznych, takich jak mikroalgi, sinice lub roślinne komórki. Posiadają system doświetlania, umożliwiający efektywny dostęp do światła.
• FUNKCJONOWANIE: Światło dostarczane do wnętrza bioreaktora stymuluje proces fotosyntezy, który zapewnia wzrost organizmów. Często stosuje się sztuczne światło, aby umożliwić hodowlę w zamkniętych warunkach.
• ZASTOSOWANIE: Produkcja biopaliw, suplementów diety, kosmetyków oraz substancji farmaceutycznych.
• ZALETY: Możliwość kontroli ilości i jakości światła, co prowadzi do optymalizacji procesu fotosyntezy.
• WADY: Wysokie koszty budowy i eksploatacji, konieczność monitorowania intensywności oświetlenia.

JAKIE SĄ ZALETY KORZYSTANIA Z BIOREAKTORÓW?

Bioreaktory umożliwiają produkcję substancji w sposób bardziej przyjazny dla środowiska. Dzięki nim można uzyskać produkty, które są trudne do wytworzenia tradycyjnymi metodami chemicznymi. Ponadto, biotechnologiczne procesy są często efektywniejsze i bardziej precyzyjne.

CO DECYDUJE O KOSZTACH PRODUKCJI W BIOREAKTORZE?

Koszty produkcji w bioreaktorze zależą od wielu czynników, takich jak skala procesu, wymagania technologiczne, właściwości użytych mikroorganizmów oraz poziom automatyzacji bioreaktora. Duże znaczenie ma także zaawansowanie technologiczne i miejsce produkcji.