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.

Knowledge about fermenter is, therefore, essential to contemporary science and technology, irrespective of the choice of an individual profession.

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?

A bioreactor is a medical device designed to host living microorganisms and to provide conducive environments for these microorganisms to thrive. Essentially, fermenter mimic real-life environmental conditions of these microorganisms with the intention of producing certain organic compounds as desired. Without a bioreactor, these microorganisms would not survive, hence its significance cannot be understated especially in the field of medicine.

Так как же это достигается? Это замкнутая система в том смысле, что внешние факторы не могут влиять на среду внутри биореактора. Поэтому питательные вещества, pH, температура, концентрация растворенного кислорода и другие питательные вещества биореактора должны регулироваться и постоянно корректироваться, чтобы имитировать реальную среду естественной среды обитания этих микроорганизмов.

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

The foremost role of a bio reactor is to provide optimal conditions for biological organisms to bloom, reproduce, or synthesize essential items. To do this, it is crucial to fully understand the components of a bioreactor and how they work.

1. Контролируемые условия окружающей среды

Bioreactors are designed to host living organisms in a controlled environment to grow and develop in full storage. Without fermenter, these microorganisms would not survive outside their environments, and we would therefore never be able to produce important medical compounds.

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

Bioreactors use mixing and agitation processes to assist cells absorb nutrients and gas, such as oxygen, within the fermenter. Without this feature, the organisms would probably take long to absorb the necessary nutrients, or in the worst case scenario, die out of lack of nutrients or insufficient gaseous exchange.

While airlift bioreactors culturally mix by generating gas bubbles, stirred-tank bio reactors use mechanical impellers. Stirring is carried out continuously so that cell division and product formation occur throughout the system.

3. Стерильность

Sterility plays a major role in avoiding undesirable microorganism infection in bio reactors, which has the potential to destroy entire batches of biological products. Sterilization should be performed prior to each use of a bioreactor, which is why they are meticulously engineered to ensure sterility.

Это сохраняет целостность процесса и качество конечного продукта, гарантируя, что внутри будут процветать только желаемые организмы. Предотвращение загрязнения имеет важное значение, особенно в секторах, где чистота и однородность имеют решающее значение, таких как фармацевтическая промышленность.

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?

Без этой возможности углекислый газ внутри биореактора накапливался бы и снижал бы pH резервуара, делая его кислым. Это, в свою очередь, повлияло бы на пролиферацию клеток и снизило бы их эффективность.

For this reason, bio reactors come with two important features. Spargers and membranes. Spargers help in adding tiny oxygen bubbles to the culture while membranes allow for regulated oxygen delivery and carbon dioxide removal.

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

Вместо механического перемешивания, эрлифтные биореакторы смешивают с помощью пузырьков воздуха или газа. Циркуляционный контур создается в жидкой среде путем введения газа в дно реактора. Содержимое смешивается за счет скорости пузырьков, что высвобождает кислород и стимулирует рост клеток.

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:

• Мембраны необходимо регулярно очищать или заменять по мере их загрязнения.
• Его эксплуатация обходится дороже, чем конструкции биореакторов с более простой архитектурой.

5 применений биореакторов

Now that we’ve looked at what is a bioreactor and how it functions, it’s time to go through its wide range of applications. Bio reactors are at the core of several industries undergoing radical change, from improving sustainable energy solutions to altering the production of pharmaceuticals.

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

1. Фармацевтика и производство вакцин

One of the biggest markets for fermenter is the pharmaceutical sector. Gene-modified cells cultivated in bio reactors are used in the production of many life-saving medications, including insulin, monoclonal antibodies, and vaccinations.

To cultivate the required cells on a large scale, for instance, fermenter technology was very crucial to the development and mass production of COVID-19 vaccines. Cultures of microorganisms or genetically modified mammalian cells that yield particular proteins, enzymes, or other medicinal chemicals can be grown in bio reactors.

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

2. Биотопливо

As the world moves toward more sustainable energy sources, bio reactors are becoming increasingly important in the production of biofuels. Microorganisms such as algae, yeast, or bacteria can be grown in bioreactors, where they convert organic material into biofuels like ethanol, biodiesel, or even hydrogen.

Biofuels produced in fermenter offer a renewable alternative to fossil fuels and can significantly reduce greenhouse gas emissions. Algae, for example, can be cultivated in photobioreactors, where they photosynthesize and produce lipids, which can then be converted into biodiesel. These processes are seen as critical to the transition to a cleaner energy in future.

3. Еда и напитки

Промышленная ферментация, the process by which microorganisms break down sugars to generate goods like beer, wine, yogurt, and bread, has long been a food and beverage industry’s staple. This age-old method has been elevated by fermenter, which provide exact control over fermentation conditions for consistently high-quality and flavor results.

For example, these fermentation bio reactors, sometimes called промышленные ферментеры, are used in the brewing industry to efficiently convert sugars into alcohol by cultivating yeast in an ideal environment. Fermenter in dairy production allow milk to ferment on a massive scale to make fermented products like cheese and yogurt.

4. Очистка сточных вод

Environmental engineering requires fermenter especially for cleaning up wastewater. For instance, membrane bio reactors are used to clean industrial and sewage waste by cultivating bacteria that decompose organic waste. Water treated like this is safe to reuse or discharge into the environment.

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!