Биореактор / ферментер
Биореактор / ферментер - лабораторное оборудование, в котором осуществляют микробиологический или биотехнологический процессы с целью получения специфических веществ (ферментов, гормонов и пр.) или накопления биомассы. Биореактор представляет собой закрытую систему, где создаются оптимальные условия для проведения биосинтеза. В качестве биологических объектов могут выступать различные виды микроорганизмов, клетки организмов из разных групп (растений, животных, грибов).
Особенности конструкции биореактора
Конструкция биореакторов зависит от конечного продукта биосинтеза, вида микробиологического или биотехнологического объекта, а также масштаба производства. В основе конструкции любого биореактора лежит вертикально расположенная емкость в закрытом исполнении. В зависимости от объема емкости биореакторы разделяют на: лабораторные, полупроизводственные и промышленные. Если лабораторные ферментеры могут иметь обьем от 100 мл, то промышленные могут достигать нескольких сотен кубических метром. При этом принципиальных различий в их конструкции нет. В качестве основного материала для емкостей полупроизводственных и производственных биореакторов используют нержавеющую сталь. Емкости лабораторных аппаратов изготавливают из стекла.
Для создания оптимальных условий внутри емкости биореактор укомплектовывается различными специальными устройствами. К ним относят:
перемешивающее устройство, паровую рубашку, барботер, отбойники, фильтры. Обычно они выполняются из высоколигированных видов стали или титана. Для контроля протекания процесса и условий в емкости к установке подключают специальные измерительные приборы.
Система перемешивания для гомогенизации среды, в большинстве случаев представленная мешалкой, зависит от вида биологического объекта. Поэтому следует учитывать сам тип перемешивания, мощность перемешивающего устройства и соблюдение стерильности.
Для поддержания температуры в системе в оптимальном диапазоне для протекания процессов или накопления биомассы используют паровую рубашку или змеевик. Для лабораторных биореакторов применяют встроенные тепловые нагревательные элементы.
Воздух, используемый для аэрации культуральной жидкости, должен быть очищен на 99,9% от микроорганизмов и примесей размером до 1 мкм. Так, например, могут использоваться методы газовой очистки или антисептические средства, воздействие высоких температур, ультрафиолетовое или ионизирующее облучение. Однако некоторые из этих методов являются ненадежными и неэкономичными. Электрофильтры способны очистить воздух только на 85-99%. Широкое применение получили волокнистые, пористые и зернистые материалы, такие как полимеры, бумага и металлокерамика. Эти материалы являются не таким дорогими и более эффективными. Волокнистые фильтры могут задерживать частицы, размер которых достигает до 1 мкм. Часто перед фильтрацией воздух подвергают термической обработке.
Для подачи газа или газовой смеси в культуральную смесь применяют барботеры. Пузырьки газа осуществляют не только аэрацию, но и перемешивание культуральной жидкости, влияя на процессы тепло- и массообмена. Для равномерного и быстрого распределения пузырьков газа по объему емкости применяют различные конструктивные решения биореакторов: барботажно-газлифтные, барботажные, насадочные колонные и т.д.
Очень часто протекание процессов в гетерогенных системах, а также пропускание воздуха приводит к появлению пены. Пенообразование осложняет процесс ферментации, поскольку уменьшается коэффициент заполнения биореактора жидкостью, что может привести к уменьшению выхода конечного продукта, контаминации посторонней микрофлорой и загрязнению окружающей среды. Кроме того, возникновение пены может спровоцировать загрязнение фильтров, предназначенных для очистки поступающего и выходящего воздуха. Для предотвращения пенообразования и ее выброса из биореактора существуют различные методы: физические, физико-химические и технологические. Выбор метода зависит от механизма пенообразования. Среди химических средств пеногашения в основном используют поверхностно-активные вещества. Интеграция ПАВ в стенки пузырьков нарушает их структуру и, как следствие, способствует распаду.
В качестве пеногасителей также используют масла и животные жиры. Их основным недостатком является то, что они могут использоваться биообъектами в процессе биосинтеза, а их продукты распада вызывать пенообразование. К механическим способам относят различные устройства, такие как лопасти и диски. Обычно их располагают в верхней части емкости.
Управление и визуализация протекающих процессов в биореакторе осуществляется с помощью контрольно-измерительных приборов, получающих сигнал от датчиков с дальнейшей их передачей на сенсорный экран. В зависимости от модификации биореактор может быть подсоединен к персональному компьютеру. Как правило, основными контролируемыми параметрами являются уровень рН, концентрация растворенного кислорода и давление.
Помимо традиционной конструкции различают одноразовые биореакторы. Они представляют собой стерильный пластиковый мешок. Также как и традиционные установки такой биореактор может быть снабжен различными патрубками, барботером и мешалкой. Через патрубки поступают стерильные жидкие компоненты и газы. Объем их поступления контролируется блоком управления.
Виды биореакторов
Биореактор предназначен для того, чтобы создавать оптимальные условия для протекания биосинтеза: осуществлять своевременный отвод метаболитов, обеспечивать равномерное распределение питательных веществ по объему емкости и поддерживать подачу газов для дыхания микроорганизмов. При этом, реализуя оптимальные условия в техническом плане, необходимо учитывать, что биообъекты не должны подвергаться механическому или тепловому воздействиям.
По способу перемешивания и аэрации культуральной субстанции в емкости различают следующие виды биореакторов: механические, аэрлифтные и барботажные. По типу участвующих в биосинтезе микроорганизмов выделяют биореакторы: аэробные (с подачей воздуха или смеси газов), анаэробные (без подачи воздуха) и комбинированные (аэробно-анаэробные).
Механический биореактор
Механический биореактор является самой распространенной и простой в исполнении конструкцией. В таком аппарате механическая мешалка с лопастями крепится к центральному валу, а стенки рабочей емкости оснащены металлическими пластинами. Такие пластины предназначены для равномерного распределения необходимых субстанций по всему объему емкости, предотвращая образование водоворотов и вихревого движения культуральной среды. Однако такой тип реактора имеет отрицательные стороны: с одной стороны механическое перемешивание может способствовать гибели биообъектов, с другой - имеет место недостаточно равномерное перемешивание всех компонентов. К тому же наличие мешалки в рабочей емкости может стать причиной контаминации.
Барботажный биореактор
В таком типе реактора аэрация культуральной среды осуществляется с помощью барботажа. Барботаж - это подача воздуха или газовой смеси в емкость посредством горизонтальной трубки. Причем направление воздуха происходит снизу вверх. Иногда аэрирование осуществляют с помощью специальных вибраторов, которые характеризуются более высокой степенью стерильности, небольшим расходом электроэнергии и, главное, наименьшим травмирующим воздействием на биообъекты. Поскольку перемешивание происходит не с помощью мешалки, а за счет пузырьков газа, то и скорость массообмена в таком аппарате значительно ниже. Кроме того, такой метод аэрации может вызывать пенообразование. Однако такой процесс перемешивания является более щадящим, что положительно сказывается на культивировании клеток растительных и животных тканей.
Аэрлифтный биореактор
Аэрлифтный биореактор — это аппарат, в котором подача воздушного потока осуществляется пневматическим способом, т.е. перемешивание происходит с помощью газа, поступающего снизу под давлением через разбрызгиватель. В отличии от барботажного биореактора такие аппараты являются более эффективными и вероятность возникновения пены не так велика. В основном аэрлифтные биореакторы используют для биосинтеза, который протекает в культуральной среде, имеющей большую плотность и вязкость. Благодаря такой подаче воздуха происходит непрерывная циркуляция культуральной среды.
Области применения биореактора
В настоящее время работу научно-исследовательской лаборатории трудно представить без высокотехнологичного оборудования. К такому оборудованию относятся и биореакторы. Они позволяют при требуемых условиях проводить биосинтез целевого продукта, осуществлять накопление микробиологической биомассы и выращивать тканевые культуры. Биореакторы существенно расширяют возможности не только в современной фармацевтике и медицине, но и нашли широкое применение в областях биологической направленности. Перечислим основные из них:
-биотехнология (ферменты, белки);
-биомедицина (лекарственные и ветеринарные препараты, вакцины, гормоны, сыворотки, антитела);
-трансплантология (разработка экстракорпоральных систем);
-биоинженерия (получение жизнеспособных органов и тканей человека, тестирование лекарственных препаратов, исследование стволовых клеток, моделирование опухолей);
-пищевая промышленность (пищевые добавки, глюкозные сиропы, заквасочные культуры для молочной и мясной индустрий, пивоварение);
-микробиология (накопление биомассы).
Как выбрать биореактор
Перед тем, как приобрести биореактор для своей лаборатории, нужно учесть множество факторов. Прежде всего, система должна обеспечивать не только надежность протекания процессов, но иметь продолжительный срок эксплуатации. В связи с этим большую роль при выборе такого высокотехнологичного оборудования играют материалы, из которых производится емкость и выполняются основные узлы.
Материалы, из которых выполнен биореактор и которые непосредственно контактируют с культуральной средой и биообъектами, не должны влиять на ход биосинтеза. Они должны быть нетоксичными, химически нейтральными и не выделять побочных веществ.
Материалы, которые контактируют с газами или жидкостями, поступающими в биореактор должны обладать антикоррозионными свойствами для предотвращения загрязнения металлами культуральной среды.
Материалы должны выдерживать высокое давление для многократной стерилизации емкости без риска ее повреждения.
Места поступления необходимых жидкостей и места выхода побочных продуктов биосинтеза должны быть с точки зрения осуществления процесса легко доступными и прочными, чтобы при случайных механических воздействиях не подвергаться деформациям и повреждениям.
Чтобы обеспечить визуальный контроль за протекающими процессами в биореакторе, емкость должна быть выполнена из прозрачных материалов.
При выборе биореактора нужно учитывать и объем рабочей емкости агрегата. Лабораторные биореакторы рассчитаны на малые объемы, в то время как промышленные достигают нескольких сотен литров.
Различают одноразовые и автоклавируемые биореакторы. Использование одноразовых емкостей позволяет экономить время на подготовке процесса и соблюдать полную стерильность, поскольку она часто комплектуются одноразовыми датчиками. Автоклавируемые емкости характеризуются более низкими эксплуатационными расходами из-за отсутствия необходимости комплектующих.
Организация контроля за физическими, химическими и биологическими процессами с помощью соответствующего выбора вспомогательного оборудования и датчиков для осуществления мониторинга параметров синтеза.
При комплектации биореактора нужно учитывать тип перемешивания и способ теплоотвода, метод пеногашения и запорное оборудование.
Также следует обратить внимание на то, что современные биореакторы должны иметь тот или иной уровень компьютеризации, вывод параметров на ПК, наличие USB-портов.
Вы можете купить биореакторы Molecule и CEKG в Москве в нашей компании по наименьшей цене.
