Bioreactors Flashcards
En bioreaktor kan definieras som:
En bioreaktor kan definieras som:
“En behållare eller kärl där biologiska reaktioner sker, särskilt för att odla mikroorganismer eller celler.”
I en bioreaktor kan man använda olika typer av biologiska material, inklusive:
* Mikroorganismer (bakterier, svampar, jäst)
* Växtceller
* Djurceller
* Cellfria system, såsom enzymer
En fermentor är en specifik typ av bioreaktor som används för att odla mikroorganismer, såsom jäst.
Alla fermentorer är bioreaktorer, men inte alla bioreaktorer är fermentorer.
Fermenters ≠ Bioreactors
Bioreaktorer används för att
Bioreaktorer används för att producera olika biokemiska ämnen genom odling av biologiska organismer. Exempel på produkter som framställs i bioreaktorer inkluderar:
* Antibiotika
* Vitaminer
* Vacciner
* Öl
* etc
Utformningen av en bioreaktor beror på vilka celler eller mikroorganismer som ska odlas. Bioreaktorer finns i olika former och storlekar beroende på användningsområde och produktionsbehov.
En bioreaktor är en kärl som vanligtvis är tillverkat av rostfritt stål i industriell skala. Detta material används eftersom det är:
1- Lätt att rengöra
2- Möjligt att tillsätta material under processen
Bioreaktorn är kopplad till en Control unit (Brain of system) som övervakar och registrerar viktiga parametrar såsom: 1) Temperatur 2) pH-värde 3) Syrenivå (O₂)
För att kontrollera temperaturen används en H2O jacket runt bioreaktorn, där vattenflödet justeras för att hålla en optimal temperatur.
Först tillsätts näringsämnen (flytande medium), vilket inkluderar; vatten, glukos och viktiga element som kväve (N) och aminosyror. Näringsinnehållet anpassas beroende på vilket bioprodukt man vill framställa.
Syretillförsel: Steril luft under högt tryck tillförs för att syre ska kunna lösas i vätskan. Dock kan för högt tryck skada cellkulturen.
Homogenitet: För att säkerställa att alla celler får lika förutsättningar används en omrörare (impeller). Impeller hjälper alltså att homogenisera, blanda och ta sönder bubblorna.
Omröraren består av roterande blad inne i bioreaktorn som hjälper till att blanda innehållet jämnt. Alternativt kan en gungande rörelse användas för att skapa blandning.
I vissa bioreaktorer, särskilt omrörda tankbioreaktorer (stirred tank bioreactors), bildas skum. För att förhindra att skummet stör processen används skumbrytare som bryter ner skum som bildas under loppet av en bioprocess.
I mindre skala
I mindre skala är bioreaktorer ofta tillverkade av glas för att man ska kunna observera reaktionen inuti kärlet.
För att en bioreaktor ska fungera optimalt krävs att flera faktorer hanteras:
För att en bioreaktor ska fungera optimalt krävs att flera faktorer hanteras:
1- Massöverföring
* Aeroba processer (med syre) – Mikroorganismer som kräver O₂ behöver effektiv syretillförsel.
* Anaeroba processer (utan syre) – Vissa mikroorganismer och jäst behöver istället CO₂ för sin metabolism.
2- Värmeproduktion
* Biokemiska reaktioner producerar värme under processen.
3- Kemiska reaktioner
4- Vätskedynamiken: Det är viktigt att förstå flödesdynamiken för att säkerställa effektiv närings- och gastransport.
5- Celltillväxt kinetik: Bioreaktorn måste kunna hantera och kontrollera cellkoncentration och biomassetillväxt för att optimera produktiviteten.
- Agitation/mixing
- Temperature
- Light
- pH
- Gas exchange
- Batch time:
- Specific growth rate
- Substrate concentration
- Biomass productivity
Above are important factors in bioreactor reactions.
Driftslägen för Bioreaktorer:
* Batch: Enkel men begränsad produktivitet.
* Semi-batch: Kan förbättra produktiviteten genom gradvis tillsats av näringsämnen.
* Continuous stirred tank: Ger jämn och stabil produktion genom kontinuerlig tillförsel och skörd. Är bra för att erhålla en Steady-state miljö för en stabil cell tillväxt.
Har en sparger för en bättre gas fördelning i bioreaktorn.
* Continuous plug flow: Där celler återanvänds tillbaka till bioreaktorn.
Typer av Bioreaktorer
Typer av Bioreaktorer
1- Continuous Stirred-Tank Bioreactor: En av de vanligaste bioreaktortyperna. Har en omrörare som säkerställer att näringsämnen och mikroorganismer blandas jämnt. Används för jämn och stabil produktion av biotekniska produkter.
2- Airlift Bioreactor: Blir allt mer populär. Används främst för känsliga och aeroba mikroorganismer. Dyrare att driva än andra bioreaktorer. Har ingen bubble breaker, vilket kan påverka gasfördelningen.
3- Bubble Column Bioreactor: Hög, vertikal kolonn där vätskan rör sig från botten uppåt. Luftbubblor används för syresättning, blandning och luftning av mikroorganismer. Är dyrare och mindre effektiv jämfört med andra bioreaktorer.
4- Fluidized Bed Bioreactor: Har ett högt flöde för att skapa suspension av partiklar i vätskan. Kräver noggrann kontroll av flödet för att fungera optimalt.
5- Packed Bed Bioreactor: Innehåller fasta partiklar där mikroorganismer eller enzymer kan immobiliseras. Används ofta för högdensitetskulturer och termiskt stabila processer. Svåra att rengöra och justera temperaturen, vilket kan vara en nackdel.
Immobiliseras betyder att något fästs eller binds fast på en yta eller i ett material så att det inte rör sig fritt.
6- Photobioreactor: Nyare teknologi som utnyttjar solljus för att omvandla energi. Miljövänlig och används bland annat inom avloppsvattenrening.
7- Membrane Bioreactor: Används främst för avloppsvattenrening. Kräver lufttillförsel. Måste rengöras och membranen behöver bytas ut regelbundet
För att optimera bioreaktorer:
För att optimera bioreaktorer: Ska man försöka optimera följande faktorer:
pH
Temp
Näringstillförsel
Där målet är att maximera mängd produkt och minska kostnader.
För att hitta de bästa parametrarna kan småskaliga experiment göras i laboratoriet. Genom att justera pH och temperatur och testa olika variabler kan vi identifiera de förhållanden som ger bästa resultat.
När laboratorieförhållanden har optimerats, kan avancerade verktyg och teknologier hjälpa till att skala upp processen till industriell nivå.
