W biotechnologii często wraca pytanie: czy możliwe jest skonstruowanie jednego, uniwersalnego bioreaktora, który nadawałby się do każdego rodzaju hodowli – od fermentacji drożdżowej po delikatne kultury komórek ssaczych? Choć taka koncepcja brzmi atrakcyjnie, rzeczywistość techniczna i biologiczna pokazuje, że jest to zadanie niezwykle trudne do zrealizowania.

Zróżnicowane wymagania organizmów

Podstawowym wyzwaniem w tworzeniu uniwersalnych bioreaktorów jest ogromna różnorodność biologicznych potrzeb. Każdy typ mikroorganizmu czy komórek eukariotycznych wymaga innych warunków prowadzenia procesu – zarówno w zakresie dostępu do tlenu, systemu mieszania, jak i kontroli środowiska gazowego.

Intensywność napowietrzania

Jednym z najbardziej istotnych parametrów różnicujących bioreaktory jest zapotrzebowanie na tlen. Mikroorganizmy takie jak bakterie czy drożdże potrzebują wysokiego natlenienia, co wiąże się z intensywnym przepływem powietrza przez układ. Tymczasem komórki ssacze wymagają znacznie łagodniejszego środowiska – nadmiar tlenu może prowadzić do ich uszkodzenia. Tak niskie przepływy są trudne do precyzyjnego sterowania za pomocą typowych masowych kontrolerów przepływu (MFC), stosowanych w fermentacjach mikrobiologicznych.

Napowietrzanie przestrzeni nad cieczą

W hodowlach komórek zwierzęcych niezbędne jest dodatkowe napowietrzanie przestrzeni nad powierzchnią cieczy – tzw. headspace aeration. To rozwiązanie poprawia wymianę gazową i umożliwia utrzymanie odpowiednich warunków fizykochemicznych. W przypadku bakterii i drożdży nie ma takiej potrzeby, co przekłada się na uproszczoną konstrukcję układu gazowego.

Systemy mieszania

Kolejnym czynnikiem są różnice w strategii mieszania. Fermentacje mikrobiologiczne zazwyczaj wykorzystują intensywne mieszadła (np. turbiny Rushtona) i deflektory, które umożliwiają efektywne rozprowadzanie tlenu oraz jednorodne warunki w całym zbiorniku. Komórki ssacze oraz niektóre grzyby (np. strzępkowe) są wrażliwe na ścinanie mechaniczne – wymagają łagodniejszego mieszania, często realizowanego przez łopatkowe mieszadła skośne (ang. pitched blade). W ich przypadku intensywne turbulencje mogą prowadzić do uszkodzeń i obniżenia wydajności hodowli.

Skład i kontrola mieszanek gazowych

W bardziej wymagających procesach – zwłaszcza w hodowli komórek eukariotycznych -niezbędna jest możliwość sterowania składem atmosfery gazowej w reaktorze. Oprócz powietrza, często wprowadza się dodatkowo tlen, azot lub dwutlenek węgla, w zależności od fazy procesu i potrzeb metabolicznych. Standardowe fermentory bakteryjne zwykle nie są przystosowane do takiej precyzji i elastyczności.

Fermentacja biomasy a fermentacja precyzyjna

W przypadku fermentacji precyzyjnej, gdzie mikroorganizmy zostały zmodyfikowane genetycznie do produkcji określonych związków (np. białek rekombinowanych), ważną rolę odgrywają zaawansowane systemy sterowania i monitoringu. Procesy te często prowadzone są w trybie fed-batch z dynamicznym zarządzaniem parametrami, co wymaga odpowiedniego zaplecza technicznego i automatyki. Choć fizyczna konstrukcja reaktora może być podobna jak przy produkcji biomasy, to różnice dotyczą przede wszystkim sposobu prowadzenia procesu i poziomu jego kontroli.

Choć rozwój technologii bioprocesowych umożliwia coraz większą elastyczność w projektowaniu bioreaktorów, stworzenie jednego, w pełni uniwersalnego urządzenia nadal pozostaje poza naszym zasięgiem. Możliwe jest konstruowanie systemów modułowych, w których można wymieniać elementy mieszające, dostosowywać systemy napowietrzania czy kontrolować skład gazów – ale w praktyce nadal konieczne jest dostosowanie konfiguracji bioreaktora do konkretnego typu procesu.