Все, что вам следует знать о биореакторах и о том, как они работают

Что такое биореактор? Биореактором называют любое производственное или инженерное оборудование, обеспечивающее биологически активную среду.

Одним из важнейших технологических достижений в области промышленной микробиологии и биотехнологии является изобретение биореакторов. Почему? Они позволили нам создать важные медицинские продукты, такие как вакцины, гормоны и ферменты, некоторые из которых лечат серьезные хронические заболевания. Эти прочные и глубокие системы являются основой прогресса в области медицины.

Поэтому знания о биореакторах необходимы для современной науки и техники, независимо от выбора профессии.

В этой статье рассматриваются различные категории биореакторов, как они работают и отрасли, которые получают выгоду от их использования. Прочитав эту статью, вы поймете, что такое биореактор и почему он является таким важным инструментом в будущих научных и технологических достижениях.

Что же такое биореактор и как он функционирует?

Что такое биореактор?

Биореактор — это медицинское устройство, предназначенное для размещения живых микроорганизмов и создания благоприятных условий для их процветания. По сути, биореакторы имитируют реальные условия окружающей среды этих микроорганизмов с целью производства определенных органических соединений по желанию. Без биореактора эти микроорганизмы не выжили бы, поэтому его значение нельзя недооценивать, особенно в области медицины.

So how does it achieve this? It is a closed-loop system in the sense that external factors are not allowed to influence the environments inside a bioreactor. Therefore, the nutrients, pH, temperature, dissolved oxygen concentration, and other nutritional content of the bioreactor must be regulated and constantly adjusted to mimic actual environments of these microorganisms’ natural habitat.

Но почему биореакторы необходимы? Потому что они позволяют производить важные медицинские соединения, которые в противном случае никогда не были бы получены. К ним относятся вакцины, гормоны роста и даже гиалуроновая кислота, что особенно важно, когда речь идет об улучшении внешнего вида и повышении эластичности кожи.

5 основных функций биореакторов

Основная роль биореактора — обеспечить оптимальные условия для цветения, размножения или синтеза необходимых биологических организмов. Для этого крайне важно полностью понимать компоненты биореактора и то, как они работают.

1. Контролируемые условия окружающей среды

Биореакторы предназначены для размещения живых организмов в контролируемой среде для роста и развития в условиях полного хранения. Без биореакторов эти микроорганизмы не выжили бы вне своей среды, и поэтому мы никогда не смогли бы производить важные медицинские соединения.

Для обеспечения оптимальных условий развития необходимо контролировать температуру воздуха, pH, растворенный кислород, концентрацию углекислого газа, нитратов, фосфатов, аммиака и калия, а в большинстве случаев — контролировать их.

Эти параметры регулируются биосенсорами в реальном времени, которые обеспечивают сохранение организмами правильного функционального состояния и производство правильных продуктов. Управление этими качествами является важным фактором в принятии решений на всех предприятиях, особенно в медицинской, биотопливной и пищевой промышленности.

2. Перемешивание и смешивание

Биореакторы используют процессы смешивания и перемешивания, чтобы помочь клеткам поглощать питательные вещества и газ, такой как кислород, внутри биореактора. Без этой функции организмы, вероятно, долго бы поглощали необходимые питательные вещества или, в худшем случае, погибли бы из-за недостатка питательных веществ или недостаточного газообмена.

В то время как биореакторы с воздушным лифтом смешивают культурно, генерируя пузырьки газа, биореакторы с мешалкой используют механические крыльчатки. Перемешивание осуществляется непрерывно, так что деление клеток и образование продукта происходит по всей системе.

3. Стерильность

Стерильность играет важную роль в предотвращении нежелательного заражения микроорганизмами в биореакторах, что может привести к уничтожению целых партий биологических продуктов. Стерилизация должна проводиться перед каждым использованием биореактора, поэтому они тщательно спроектированы для обеспечения стерильности.

This keeps the process’s integrity and the end product’s quality intact by guaranteeing that only the desired organisms flourish within. Contamination prevention is essential, particularly in sectors where purity and uniformity are vital, such as the pharmaceutical industry.

4. Газообмен

Микроорганизмам для процветания необходим адекватный газообмен. Им необходимо иметь доступ к кислороду и иметь возможность легко выделять углекислый газ. Биореакторы помогают в этом, улучшая распределение кислорода и удаление углекислого газа. Почему это важно?

Without this ability, the carbon dioxide inside the bioreactor would accumulate and lower the tank’s PH, making it acidic. This would in turn affect the proliferation of cells and reduce their efficiency.

По этой причине биореакторы оснащены двумя важными функциями. Барботеры и мембраны. Барботеры помогают добавлять крошечные пузырьки кислорода в культуру, в то время как мембраны обеспечивают регулируемую подачу кислорода и удаление углекислого газа.

Эта система газообмена поддерживает высокую урожайность и эффективное производство, гарантируя, что организмы получат кислород, необходимый для функционирования на оптимальном уровне, и одновременно выделяя опасные газы.

5. Мониторинг и обратная связь

Недостаточно просто иметь биореактор и просто позволить ему выполнять свои функции. Вы должны постоянно контролировать его и проверять различные параметры, такие как уровень кислорода, pH, температура, концентрация питательных веществ. Таким образом, биореакторы оснащены биодатчиками, которые собирают данные по этим жизненно важным показателям.

Каждая культура будет иметь свои собственные оптимальные параметры, которые должны постоянно проверяться и пересматриваться. Часто эти датчики предназначены для автоматического сбора этой информации и соответствующей регулировки для создания наилучшей возможной среды для роста и производительности клеток. Этот механизм обратной связи гарантирует, что биореактор работает эффективно даже в отсутствие человека, который постоянно регулирует среду.

5 основных типов биореакторов

Биореакторы не все одинаковы. Существует 5 различные виды биореакторов в зависимости от их применения. Каждый из них предназначен для определенного типа процесса. Конструкция и качество сборки каждого биореактора полностью зависят от типов культивируемых организмов и предполагаемых результатов.

Рассмотрим наиболее распространённые разновидности биореакторов.

1. Стеклянный биореактор

Стеклянные биореакторы широко используются в лабораториях для исследований, мелкосерийного производства и испытаний.

Преимущества:

• Видимость: наблюдение за внутренними биологическими процессами упрощается благодаря прозрачному материалу.
• Универсальность: адаптируется к различным процессам и выпускается в различных конфигурациях, таких как механический привод или магнитное перемешивание.
• Стерильность: многие модели допускают стерилизацию на месте для предотвращения заражения.

Недостатки:

• Масштаб: Не подходит для крупномасштабного промышленного производства; ограничено малыми предприятиями.
• Хрупкость: по сравнению с такими материалами, как нержавеющая сталь, стекло более хрупкое.

2. Биореакторы из нержавеющей стали

Благодаря своей прочности и способности выдерживать высокое давление, биореакторы из нержавеющей стали часто используются в крупномасштабном промышленном производстве.

Преимущества:

• Долговечность: Биореакторы, изготовленные из нержавеющей стали, достаточно прочны, чтобы выдерживать длительное использование и процедуры высокого давления.
• Масштабируемость: подходит для крупномасштабного производства; часто применяется в ферментации и фармацевтике.
• Очищаемость: для поддержания стерильности в промышленных условиях необходимо, чтобы нержавеющая сталь легко поддавалась очистке и дезинфекции.

Недостатки:

• Стоимость: По сравнению с меньшими или одноразовыми биореакторами, его строительство и установка обходятся дороже.
• Сложное обслуживание: это может занять больше времени, поскольку требует более строгих процедур очистки и проверки.

3. Биореакторы с перемешиванием (STR)

Они наиболее известны, и многие люди предпочитают их. Они имеют цилиндрическую банку с крыльчаткой или устройством для взбалтывания в середине. Жидкость внутри постоянно перемешивается крыльчаткой, что гарантирует равномерное распределение организмов, газов и питательных веществ.

Преимущества:

• Идеально подходит для промышленного производства.
• Превосходное смешивание питательных веществ и транспортировка кислорода.
• Легко масштабируется от небольших исследовательских проектов до крупных производственных операций.

Недостатки:

• Для чувствительных организмов, таких как клетки млекопитающих, сдвиговое напряжение может быть создано путем механического перемешивания.
• Высокое потребление энергии в результате использования механического перемешивающего механизма.

4. Воздушные биореакторы

In lieu of mechanical agitation, airlift bioreactors mix using air or gas bubbles. A circulation loop is created in the liquid medium by introducing gas at the reactor’s bottom. The contents mix due to the velocity of the bubbles, which releases oxygen and encourages cell growth.

Преимущества:

• Сниженное напряжение сдвига, что подходит для чувствительных клеток.
• По сравнению с системами с механическим перемешиванием он более энергоэффективен.

Недостатки:

• Сниженная эффективность перемешивания по сравнению с биореакторами с мешалками.
• Масштабировать его для использования в производстве сложнее.

Биореакторы Airlift часто используются в операциях с чувствительными организмами, а также для выращивания растительных и животных клеток.

5. Мембранные биореакторы

Полупроницаемая мембрана используется в мембранных биореакторах для разделения биологических клеток и продуктов, которые они производят. Такая конфигурация оказывается особенно выгодной в процедурах, требующих постоянного разделения, таких как очистка сточных вод, где биомасса удерживается в резерве, пока чистая вода протекает через мембрану.

Преимущества:

• Отделение клеток от продукта, который работает хорошо.
• Исключительная производительность и эффективность текущих операций.

Недостатки:

• It’s necessary to clean or replace membranes on a regular basis when they get fouled.
• Его эксплуатация обходится дороже, чем конструкции биореакторов с более простой архитектурой.

5 применений биореакторов

Теперь, когда мы рассмотрели, что такое биореактор и как он функционирует, пришло время рассмотреть широкий спектр его применения. Биореакторы находятся в центре нескольких отраслей, претерпевающих радикальные изменения, от улучшения устойчивых энергетических решений до изменения производства фармацевтических препаратов.

Биореакторы оказали значительное влияние на будущее, производя лекарства, способные спасать жизни, используя биоэнергию и продвигая экологически ответственное управление отходами.

1. Фармацевтика и производство вакцин

Одним из крупнейших рынков для биореакторов является фармацевтический сектор. Генно-модифицированные клетки, культивируемые в биореакторах, используются в производстве многих жизненно важных лекарств, включая инсулин, моноклональные антитела и вакцины.

Например, для выращивания требуемых клеток в больших масштабах технология биореактора имела решающее значение для разработки и массового производства вакцин от COVID-19. Культуры микроорганизмов или генетически модифицированных клеток млекопитающих, которые производят определенные белки, ферменты или другие медицинские химикаты, можно выращивать в биореакторах.

Благодаря этому появилась возможность производить сложные биологические препараты, которые обычно невозможно производить в больших масштабах с использованием традиционных химических методов.

2. Биотопливо

По мере того, как мир движется к более устойчивым источникам энергии, биореакторы становятся все более важными в производстве биотоплива. Микроорганизмы, такие как водоросли, дрожжи или бактерии, можно выращивать в биореакторах, где они преобразуют органический материал в биотопливо, такое как этанол, биодизель или даже водород.

Биотопливо, произведенное в биореакторах, представляет собой возобновляемую альтернативу ископаемому топливу и может значительно сократить выбросы парниковых газов. Например, водоросли можно выращивать в фотобиореакторах, где они фотосинтезируют и производят липиды, которые затем можно преобразовать в биодизель. Эти процессы рассматриваются как критически важные для перехода к более чистой энергии в будущем.

3. Еда и напитки

Промышленная ферментация, процесс, посредством которого микроорганизмы расщепляют сахара для производства таких товаров, как пиво, вино, йогурт и хлеб, уже давно является основным продуктом пищевой и безалкогольной промышленности. Этот старый метод был усовершенствован биореакторами, которые обеспечивают точный контроль над условиями ферментации для получения неизменно высококачественных и вкусовых результатов.

Например, эти ферментационные биореакторы, иногда называемые промышленные ферментеры, используются в пивоваренной промышленности для эффективного преобразования сахара в спирт путем выращивания дрожжей в идеальной среде. Биореакторы в молочном производстве позволяют ферментировать молоко в больших масштабах для производства ферментированных продуктов, таких как сыр и йогурт.

4. Очистка сточных вод

Экологическая инженерия требует биореакторов, особенно для очистки сточных вод. Например, мембранные биореакторы используются для очистки промышленных и канализационных отходов путем выращивания бактерий, которые разлагают органические отходы. Вода, обработанная таким образом, безопасна для повторного использования или сброса в окружающую среду.

Это достигается, когда микроорганизмы в этих системах расщепляют органические соединения в сточных водах и производят безопасные побочные продукты. Этот метод сокращает опасные химикаты и энергоемкие обработки эффективным и экологически ответственным образом.

5. Тканевая инженерия и регенеративная медицина

Биореакторы используются в тканевой инженерии для культивирования клеток на каркасах для создания тканей или целых органов. Эти биореакторы предлагают регулируемую среду, похожую на ту, что находится в организме человека, позволяя клеткам размножаться и трансформироваться в ценные ткани.

С помощью этой технологии поврежденные ткани или органы могут быть однажды заменены выращенными в лаборатории заменителями в области регенеративной медицины. Биореакторы, например, использовались для создания печеночной ткани, хрящей и сердечных клапанов, давая надежду пациентам, которым требуется трансплантация органов, но которые находятся в длинных листах ожидания.

Используйте технологии, разработанные для удовлетворения потребностей современной биотехнологии, чтобы улучшить свои операции. Обновитесь сейчас и посмотрите на влияние современных инноваций, сотрудничая с Bailun Biotechnology.

Связаться с нами сейчас, чтобы найти идеальное решение для биореактора, соответствующее вашим конкретным потребностям!