Bioreactor
Un bioreactor este definit ca orice echipament capabil să ofere un mediu adecvat pentru creșterea organismelor biologice . [1]
Este, în general, un recipient în interiorul căruia se desfășoară o reacție chimică efectuată de microorganisme sau de substanțe derivate din acestea, activă din punct de vedere biochimic . Acest tip de bioreactor are de obicei formă cilindrică, din oțel inoxidabil și poate ajunge la dimensiuni cuprinse între câțiva litri și câțiva hectolitri.
Bioreactoarele sunt denumite și dispozitive care permit creșterea autonomă (fără intervenția continuă a unui operator) a celulelor sau a țesuturilor . Acest concept de bioreactor, similar cu cel al culturii celulare , este în prezent în curs de dezvoltare pe scară largă în special în domeniul regenerării țesuturilor (de exemplu pentru terapia arsurilor severe).
Tipuri de bioreactor
Bioreactoarele pot fi clasificate în funcție de trei parametri diferiți.
Asepticitatea recipientului
Există containere:
- neaseptice, utilizate de exemplu în fermentațiile tradiționale, cum ar fi fabricarea berii sau altele mai moderne, cum ar fi tratarea apelor uzate ;
- aseptic, utilizat pentru producerea de antibiotice , vitamine , proteine și orice alți compuși de interes.
Condiții cerute de bioproces
Bioprocesele pot avea loc:
- în fermentatoare amestecate continuu sau nu;
- în aerobioză sau anaerobioză ;
- în suspensie (mediu lichid) sau pe o suprafață de susținere (solidă).
Metoda de cultură a microorganismelor
Metodele de cultură a microorganismelor într-un bioreactor pot fi în esență cinci. Metoda de administrare a mediului de cultură , adică factorii necesari creșterii microorganismelor, este importantă pentru această clasificare.
- Culturi în lot ( sistem închis ). Volumul mediului lichid în care cresc microorganismele este în esență constant. Pe măsură ce microorganismele cresc, își cresc biomasa, reduc cantitatea de nutrienți disponibili, produc metaboliți care trebuie eliminați. Celulele ajung astfel la un nivel (numit stare de echilibru) care le împiedică să își mărească în continuare numărul.
- Culturi în lot alimentat ( sistem închis alimentat ). Acest sistem permite extinderea timpului de creștere a microorganismelor înainte de a ajunge la starea de echilibru. Un substrat care limitează creșterea este de fapt adăugat continuu la cultură.
- Culturi în perfuzie. Pe lângă adăugarea de mediu proaspăt , se colectează și mediul utilizat fără celule și metaboliții excretați. Este o metodă larg utilizată în culturile de celule animale .
- Culturi continue. O anumită cantitate de mediu proaspăt este adăugată la o cultură discontinuă în faza de creștere exponențială (adică creștere maximă) și se scade o cantitate echivalentă de mediu utilizat cu celule. În acest fel, prin menținerea constantă a biomasei, se obține o creștere aproape echilibrată: chiar și concentrațiile de nutrienți și metaboliți, de fapt, rămân în mod constant constante. Culturi similare sunt și cele numite semi-continue .
- Culturi cu strat solid. Acestea au loc în absența apei libere (în unele cazuri, apa este prezentă în cantități mici). Printre cele mai utilizate substraturi solide se numără leguminoasele, cerealele și alte materiale de origine vegetală precum paiul sau rumegușul.
Bioreactoare industriale
Construcția și utilizarea unui bioreactor nu sunt cu siguranță operații banale. Microorganismele își pot îndeplini funcțiile în mod optim numai dacă condițiile de mediu sunt optime. Din acest motiv, este necesar un control constant al concentrațiilor de gaze (cum ar fi O 2 , N 2 , CO 2 ), temperatura, pH-ul și viteza de amestecare a conținutului bioreactorului.
Majoritatea bioreactoarelor industriale sunt echipate cu senzori pentru a monitoriza fiecare parametru și software capabil să gestioneze aceste informații pentru a le furniza operatorului.
Murdăria poate deteriora dispozitivele instrumentului, în special schimbătorul de căldură . Pentru a evita deteriorarea, bioreactorul trebuie să fie ușor de curățat și compus din suprafețe netede (pentru aceasta, cea mai obișnuită formă este cea cilindrică).
Schimbătorul de căldură este necesar pentru a menține bioprocesul la o temperatură constantă. Organic fermentațiile sunt de multe ori o mare sursă de căldură, motiv pentru care este necesară o sursă de lichid de răcire. Acest dispozitiv poate consta dintr-un fel de cavitate izolatoare externă sau dintr-o bobină de răcire internă.
Bioreactoarele industriale folosesc în general bacterii sau alte organisme simple, care sunt preferate în comparație cu alte organisme mai complexe, deoarece au cerințe nutriționale mai simple și o rată de reproducere mai mare.
Întrebarea oxigenării
În interiorul unui bioreactor, cea mai complexă operațiune de controlat într-un proces aerob este menținerea concentrațiilor constante de O 2 pe tot dispozitivul.
Oxigenul molecular O 2 , de fapt, este un gaz care nu este foarte solubil în apă (și, prin urmare, și în soluțiile apoase în care se cultivă microorganisme) și are o presiune parțială relativ mică în aer (20,8%).
Există două tipuri de abordări pentru a rezolva această problemă.
- Utilizarea instrumentelor mecanice pentru a agita conținutul bioreactorului. Bioreactoarele structurate în acest mod se numesc reactoare cu amestecare continuă sau reactoare CSTR , din engleza Continuous Stirred Tank Reactor ). Cu toate acestea, există limite considerabile legate de intensitatea amestecului: pe de o parte necesită o cantitate mare de energie (proporțională cu cubul vitezei motorului electric), pe de altă parte, poate deteriora microorganismele în sine. În orice caz, acestea sunt cele mai utilizate bioreactoare industriale.
- Exploatarea difuzibilității aerului, care creează un flux forțat și controlat de lichid în bioreactorul însuși. Acești bioreactori, numiți bioreactori cu reciclare sau cu ciclu închis , au cu siguranță un consum de energie mai mic decât cei cu agitație continuă, dar rămân puțin utilizați în procesele de tip industrial.
Bioreactoare terapeutice
Bioreactorii care au ca obiectiv creșterea celulelor sau țesuturilor în scopuri terapeutice sau experimentale, au o structură substanțial diferită. Numeroase celule și țesuturi, în special cele ale mamiferelor , trebuie să aibă un suport specific pe care să crească și mediile amestecate continuu pot fi dăunătoare pentru ele. Cerințele nutriționale și factorii necesari creșterii sunt, de asemenea, mult mai mari.
Bioreactoare de alge
De un interes considerabil sunt bioreactoare alge, capabile, conform unor studii recente, pentru biodiesel de aprovizionare, CH metan 4 și hidrogen molecular H2.
Dispozitive organ-on-chip
Dispozitivele numite organ-on-chip prezintă, de asemenea, un interes considerabil. Ele pot fi considerate bioreactoare cu un sistem electronic de control al parametrilor integrat. Sunt dispozitive miniaturizate, de mare interes [2] , capabile să simuleze organe și sisteme întregi in vitro și au ca scop înlocuirea testării pe animale în viitor.
Notă
- ^(RO) IUPAC Gold Book, „bioreactor”
- ^ (EN) Human Organs-on-Chips in Wyss Institute, 5 august 2017. Accesat la 15 iunie 2018.
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikționarul conține dicționarul lema « bioreactor » -
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre bioreactor
linkuri externe
- Imagini cu bioreactoare cu agitare continuă , pe crab.abruzzo.it . Adus la 30 aprilie 2006 (arhivat din original la 6 mai 2006) .
- Ipoteza utilizării plantelor ca bioreactoare , pe unipa.it . Adus la 30 aprilie 2006 (arhivat din original la 14 februarie 2007) .
- ( EN ) Situl Bioreactorului tisular al NASA , dezvoltat pentru creșterea țesuturilor, cum ar fi țesutul cardiac și scheletic , la spaceresearch.nasa.gov . Adus la 27 aprilie 2006 (arhivat din original la 14 iunie 2006) .
| Controlul autorității | NDL ( EN , JA ) 00575935 |
|---|
