Bioreaktory

Bioreaktory to urządzenia umożliwiające przeprowadzanie procesów biologicznych i/lub biochemicznych w kontrolowanych warunkach środowiskowych (pH, temperatura, ciśnienie, substancje odżywcze itp.).

Jednym z najważniejszych zagadnień w projektowaniu bioreaktorów jest transfer masy. Jeśli transfer masy nie jest na pożądanym poziomie, wytworzone tkanki nie mogą być wystarczająco odżywione. Bioreaktory muszą przede wszystkim ciągle dostarczać komórkom substancje odżywcze (glukozę i aminokwasy), czynniki biochemiczne i tlen, zapewniać dyfuzję różnych chemikaliów do wewnętrznych części rusztowania tkankowego oraz nieprzerwanie usuwać produkty uboczne metabolizmu komórkowego, takie jak kwas mlekowy. Dodatkowo, bardzo ważne parametry, takie jak pH, stosunek tlenu i ilość składników odżywczych, mogą być kontrolowane w zależności od efektywności transferu masy. Transfer masy w bioreaktorach może odbywać się poprzez dyfuzję pasywną lub bezpośrednie perfuzję. Transfer tlenu przez dyfuzję jest skuteczny tylko do głębokości 100-200 μm w warstwie komórkowej. Dlatego perfuzja zapewnia bardziej efektywny transfer.

Inne ważne aspekty projektowania bioreaktorów to zapewnienie powtarzalności i niezawodności pożądanego produktu na dużą skalę do badań klinicznych. Jednocześnie, aby móc śledzić pożądane funkcje specyficzne dla tkanek w bioreaktorach, konieczne jest zapewnienie warunków aseptycznych w dłuższym okresie.

Rodzaje bioreaktorów

Bioreaktory mogą być klasyfikowane jako: okresowe, półokresowe i ciągłe, w zależności od trybu pracy.

Działanie okresowe („batch”): Bioreaktory przemysłowe są zazwyczaj obsługiwane w trybie okresowym. W trybie tym bioreaktor jest najpierw napełniany płynem fermentacyjnym, komórki są inokulowane do medium, a następnie oczekuje się na namnożenie komórek. Na koniec tego okresu gęstość komórek lub stężenie produktu osiągnia określoną wartość. Następnie reaktor jest opróżniany i przygotowywany do nowego procesu.

W działaniu okresowym wyróżnia się cztery etapy: przygotowanie reaktora, wzrost komórek, opróżnianie reaktora i czyszczenie. W trakcie procesu fermentacji nie prowadzi się zasilania ani usuwania produktu. Powietrze dostarczane jest tylko do fermentacji tlenowej. Stężenie substratu i biomasy zmienia się w trakcie reakcji. Podczas reakcji stężenie substratu maleje, a stężenie biomasy rośnie.

Działanie półokresowe („semi-batch”): W działaniu półokresowym substrat jest dostarczany do bioreaktora przez cały czas trwania fermentacji. Nie usuwa się produktu oprócz próbek pobieranych z reaktora. Ponieważ substrat jest dostarczany ciągle, a produkt nie jest usuwany, całkowita objętość reakcji wzrasta z upływem czasu. Działanie półokresowe może być kontynuacją działania okresowego poprzez dodawanie substratu, lub fazy wzrostu i proliferacji komórek mogą być kontrolowane jako osobno. Dodatkowo, w działaniu półokresowym można stosować różne metody kontrolne z różnymi typami zasilania. W tym trybie uzyskuje się wysokie stężenia biomasy i produktu.

Gdzie są stosowane bioreaktory?

Bioreaktory to systemy, które umożliwiają kontrolowanie parametrów procesu w badaniach nad hodowlą komórkową i fermentacją przy pomocy czujników. Systemy te są zazwyczaj używane w fermentacji przemysłowej, oczyszczaniu ścieków, przemyśle spożywczym, produkcji farmaceutyków i białek rekombinowanych (przeciwciała, czynniki wzrostu, szczepionki, antybiotyki itp.).