El biorreactor de elevación de aire utiliza la función de chorro de aire y la diferencia de densidad del fluido para hacer circular el líquido de reacción, de modo de lograr la agitación, mezcla y transferencia de oxígeno del líquido. Es decir, sin agitación mecánica, depende completamente del gas para hacer circular el líquido y generar turbulencia, logrando así el propósito de la mezcla y transferencia de gas-líquido.
En comparación con los reactores de tanque agitado tradicionales, los biorreactores de transporte aéreo tienen un mejor rendimiento y efecto en el proceso de transferencia de masa gas-líquido. Tienen ventajas obvias y se han utilizado ampliamente en la producción de SCP, hongos filamentosos y tratamiento de aguas residuales.
La estructura del biorreactor de transporte aéreo es relativamente simple, no requiere agitación, es fácil de limpiar y mantener, no se contamina fácilmente, tiene un bajo consumo de energía y una alta eficiencia de oxígeno disuelto. Además, tiene bajos costos de operación y construcción.
Existen muchos tipos de biorreactores de elevación de aire, los más comunes son el tipo de circulación de elevación de aire, el tipo de burbujeo, el tipo de inyección de aire, etc. Los biorreactores de elevación de aire que se han utilizado ampliamente en la bioindustria incluyen fermentadores de circulación interna de elevación de aire, fermentadores de circulación de elevación de aire de inyección dual de gas-líquido y biorreactores de elevación de aire de torre con placas de distribución multicapa. El tanque de burbujeo es el fermentador aireado más primitivo. Por supuesto, no hay un tubo guía en el reactor de burbujeo, por lo que el flujo direccional principal del líquido no está controlado.
Los biorreactores de transporte aéreo tienen varias ventajas significativas sobre los reactores de tanque agitado. En primer lugar, el biorreactor de transporte aéreo puede proporcionar un área de contacto gas-líquido más grande, aumentar la eficiencia de transferencia de masa gas-líquido y ayudar a satisfacer por completo las necesidades de oxígeno de las células. En segundo lugar, el flujo de líquido generado por el movimiento de burbujas en el biorreactor de transporte aéreo promueve la mezcla celular y reduce la diferencia en el entorno líquido local.
Esto es importante para el crecimiento uniforme de las células y la distribución uniforme de los productos. Además, el biorreactor de transporte aéreo reduce la fuerza de corte y el estrés mecánico que reciben las células, lo que es beneficioso para el crecimiento celular y la estabilidad de las reacciones biológicas.
Sin embargo, los biorreactores de transporte aéreo también presentan algunos desafíos y limitaciones. En primer lugar, su estructura es relativamente compleja e involucra tecnologías clave como la distribución de gases y el control de la presión. En segundo lugar, la selección del tamaño de las burbujas en los fermentadores de transporte aéreo tiene una influencia importante en la eficiencia de transferencia de masa gas-líquido y las condiciones de crecimiento celular, y requiere una optimización sistemática. Además, los fermentadores de transporte aéreo también deben considerar la influencia de parámetros como la densidad de células suspendidas, la entrada de gas y la velocidad de agitación en operaciones específicas.
Aunque existen algunos desafíos técnicos en los biorreactores de transporte aéreo, sigue siendo un tipo de biorreactor de cultivo celular en suspensión ampliamente utilizado. Los reactores de transporte aéreo mejoran el crecimiento celular y la eficiencia de las reacciones biológicas al optimizar el proceso de transferencia de masa gas-líquido, lo que brinda un fuerte apoyo para el desarrollo de productos biofarmacéuticos, biocombustibles y otros bioprocesos. En futuras investigaciones, podremos mejorar aún más el diseño y el funcionamiento de los biorreactores de transporte aéreo para satisfacer las necesidades de cultivo de diferentes tipos de células y promover su aplicación generalizada en la producción industrial.
Estructura de biorreactor de transporte aéreo (ALR)
El biorreactor de elevación por aire es un sistema de circulación formado por la instalación de un tubo ascendente fuera del tanque, con sus dos extremos conectados a la parte inferior y superior del tanque respectivamente. Como el fermentador de elevación por aire no tiene dispositivo de agitación, es más fácil mantener un estado estéril durante mucho tiempo.
El biorreactor de elevación de aire realiza la circulación de aire a través de la diferencia de presión estática entre el líquido ascendente y el líquido descendente para garantizar un buen efecto de transferencia de masa, al tiempo que hace que la distribución de la fuerza de corte sea más uniforme y promueve el movimiento periódico del medio de cultivo y las células en un tiempo de mezcla más corto.
En la actualidad, los fermentadores de circulación interna con sistema de elevación de aire se han utilizado ampliamente en la fermentación aeróbica en el campo de la bioingeniería, como el cultivo de células animales y vegetales, el cultivo de proteínas unicelulares, el cultivo de ciertas células microbianas y el tratamiento de aguas residuales. Entre los productos que se producen con ellos se incluyen proteínas unicelulares, alcohol, antibióticos, biosurfactantes, etc.
Nuestro país ha producido una gran cantidad de preparados biológicos utilizando biorreactores, la mayoría de los cuales utilizan biorreactores de cultivo celular de transporte aéreo. Biorreactor de cultivo celular Airlift es la abreviatura de biorreactor de transporte aéreo.
Los biorreactores de elevación aérea se pueden dividir en biorreactores de elevación aérea de circulación interna y fermentadores de elevación aérea de circulación externa según los diferentes métodos de circulación de líquido que adoptan. Los biorreactores de elevación aérea de circulación interna establecen el tubo ascendente y descendente en el proceso de circulación dentro del mismo fermentador; mientras que los biorreactores de elevación aérea de circulación externa establecen el tubo ascendente y descendente por separado.
Los biorreactores de transporte aéreo utilizan principalmente circulación interna, pero también utilizan circulación externa. Hay cuatro componentes dentro del biorreactor de circulación interna:
(1) Fluido de elevación En el centro del fermentador airlift, dentro del tubo de aspiración. Si se inyecta aire en la parte inferior del tubo de aspiración, debido a la diferencia de presión estática entre el fluido dentro y fuera del tubo, el fluido mezclado gas-líquido sube a lo largo del tubo, separa parte del gas en la parte superior del biorreactor airlift y luego desciende a lo largo del tubo de bajada, formando un flujo de circulación. Si se inyecta aire en la parte inferior del tubo de bajada, la dirección de circulación del fluido es exactamente la opuesta.
(2) Zona de bajante El espacio anular entre el tubo de aspiración y la pared del reactor. El fluido asciende o desciende por la zona de bajada, dependiendo de la posición del aire inyectado.
(3) Parte inferior El área donde se conectan la zona de elevación y la parte inferior de la zona de descenso, lo que tiene poco efecto en las características del biorreactor de elevación de aire.
(4) Superior El área donde se conectan la zona de elevación y la parte superior de la zona de bajada. Se puede instalar un separador gas-líquido en la parte superior para eliminar el líquido atrapado en los gases de escape.
Además, el dispositivo también está equipado con un inyector de gas de tubo anular, etc.
La aplicación del biorreactor de elevación por aire en el campo de la biotecnología es principalmente la fermentación, el tratamiento de aguas residuales y el cultivo de células biológicas. Debido a la alta viscosidad, para aumentar la tasa de transferencia de masa, a menudo se utilizan tanques de agitación mecánica para el caldo de fermentación y el caldo de cultivo de células biológicas.
De hecho, siempre que se agregue el polímero apropiado al medio, el uso de biorreactores de transporte aéreo no sólo puede mejorar la transferencia de masa y aumentar la producción, sino también reducir el consumo de energía.
Además de las ventajas y desafíos mencionados anteriormente, existen otras características y precauciones del biorreactor de transporte aéreo que vale la pena agregar.
(1) Controlar el tamaño de la burbuja y la tasa de generación: El tamaño y la tasa de generación de burbujas tienen un impacto importante en la transferencia de masa gas-líquido y el crecimiento celular. Las burbujas más grandes aumentan la fuerza de corte sobre las células, mientras que las burbujas más pequeñas pueden provocar una transferencia insuficiente de masa gas-líquido. Por lo tanto, en el biorreactor de transporte aéreo, el tamaño y la tasa de generación de burbujas deben controlarse razonablemente para equilibrar el efecto de transferencia de masa y la fuerza de corte sobre las células.
(2) Controlar la altura del punto de burbuja: La altura del punto de burbuja se refiere al punto final ascendente de las burbujas en la capa de ducha mixta gas-líquido. El control de la altura del punto de burbuja tiene un impacto importante en la transferencia de masa gas-líquido y en el crecimiento celular. Si la altura del punto de burbuja es demasiado alta, las células no pueden contactar completamente con las burbujas y el efecto de transferencia de masa es deficiente; Si la altura del punto de burbuja es demasiado baja, la fuerza de corte sobre las células aumentará. Por lo tanto, en el funcionamiento real, la altura del punto de burbuja del biorreactor de transporte aéreo debe controlarse razonablemente de acuerdo con el tipo de célula específico y los requisitos del cultivo.
(3)Reducir la fluctuación del nivel de líquido: En el biorreactor de transporte aéreo, el nivel del líquido fluctuará durante el proceso de ascenso de las burbujas. Una fluctuación excesiva puede provocar el desprendimiento de las células y daños en la interfaz gas-líquido. Por lo tanto, es necesario tomar las medidas correspondientes para reducir la fluctuación del nivel de líquido. Por ejemplo, la fluctuación del nivel del líquido se puede reducir aumentando la altura del reactor, ajustando la velocidad del flujo de aire o utilizando un sistema de control de retroalimentación.
(4) Optimización de la estructura del reactor: Teniendo en cuenta las características y necesidades del biorreactor de transporte aéreo, los investigadores optimizan constantemente el diseño de la estructura del reactor. Por ejemplo, la configuración interna y la forma del biorreactor de transporte aéreo están diseñadas para promover la distribución uniforme del flujo de líquido y el movimiento ascendente de las burbujas, y para mejorar la eficiencia de la transferencia de masa gas-líquido y el efecto de mezcla. Al mismo tiempo, el funcionamiento del biorreactor de transporte aéreo también se puede optimizar y ajustar mediante simulación y experimentos de mecánica de fluidos.
(5) Biorreactor de transporte aéreo multietapa: Para mejorar aún más la eficiencia de transferencia de masa y el crecimiento celular del reactor, a veces se utiliza una combinación de biorreactores de elevación por aire de múltiples etapas. Los biorreactores de transporte aéreo de múltiples etapas generalmente se componen de múltiples reactores de transporte aéreo en serie, cada reactor es responsable de una etapa de cultivo específica. De esta manera, se puede lograr una mayor densidad celular y un mayor rendimiento del producto.
Los biorreactores de transporte aéreo se utilizan ampliamente en el campo de la bioingeniería, especialmente en los campos de los productos biofarmacéuticos, los biocombustibles y el tratamiento de aguas residuales. Lo siguiente es un complemento a algunas aplicaciones específicas de los biorreactores de transporte aéreo en estos campos:
(1) Biofarmacéuticos: Los biorreactores Airlift se utilizan ampliamente en el campo de los productos biofarmacéuticos para el cultivo celular y la producción de proteínas recombinantes. Entre ellos, la producción de proteínas recombinantes tiene altos requisitos de densidad celular y calidad del producto. Los biorreactores de transporte aéreo pueden proporcionar una buena transferencia de masa gas-líquido y efectos de mezcla celular, y mantener un buen crecimiento celular al tiempo que aumentan la producción.
(2)Biocombustibles: Los biorreactores de transporte aéreo se pueden utilizar para la producción de energía de biomasa a partir de algas. Las algas tienen una alta tasa de crecimiento y un alto contenido de aceite. A través de la fotosíntesis, el dióxido de carbono se puede convertir en ácidos grasos. El cultivo y tratamiento en reactores aéreos puede lograr un crecimiento eficiente de algas y la extracción de petróleo, que puede usarse para producir biodiesel o biogás, etc.
(3)Tratamiento de aguas residuales: Los biorreactores de elevación aérea se pueden utilizar en unidades de tratamiento biológico en procesos de tratamiento de aguas residuales para tratar aguas residuales que contienen contaminantes como materia orgánica, nitrógeno y fósforo. El biorreactor de elevación aérea proporciona una interfaz de contacto gas-líquido más grande, promueve el metabolismo microbiano y las reacciones bioquímicas en las aguas residuales y logra el propósito de purificación de aguas residuales y utilización de recursos a través de la degradación microbiana y la transformación de contaminantes.
(4)Biocerámicas: Los biorreactores de elevación por aire también se utilizan para la preparación de biocerámicas. Las biocerámicas son un tipo de material cerámico con propiedades y estructuras específicas que se preparan mediante intervención biológica, aprovechando la actividad y la capacidad de síntesis de materiales de los organismos. Mediante la regulación adecuada de la atmósfera y las condiciones de cultivo en el reactor, se pueden controlar las vías metabólicas de las bacterias para promover la biosíntesis y la deposición de materiales cerámicos.
El biorreactor de elevación de aire proporciona buenas condiciones de transferencia de masa gas-líquido y efectos de mezcla, lo que ayuda a las bacterias a sintetizar y depositar materiales cerámicos durante el proceso de cultivo, obteniendo así biocerámicas con buenas propiedades y estructuras.
Sobre Bailun
Bailun tiene una amplia experiencia en la fabricación de diversos biorreactores y recipientes a presión. Cuenta con un equipo de expertos en los campos de reacción biológica, tecnología de fermentación, fabricación de maquinaria y control de automatización. El nivel de procesos e investigación científica está siempre al nivel líder nacional e internacional de primera clase, brindándole una experiencia de producto cómoda, segura y protegida.
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