1. Co to jest bioreaktor?

Bioreaktor (inaczej biofermentor) to specjalne urzadzenie, w którym zachodzą procesy chemiczne i biochemiczne, mające na celu przekształcenie substratów w produkty końcowe. Używany jest w produkcji leków, biotransformacji związków chemicznych oraz degradacji odpadów. Procesy te mogą zachodzić dzięki mikroorganizmom, enzymom lub komórkom zwierzęcym/roślinnym.

2. Jakie są główne zastosowania bioreaktorów?

Bioreaktory są wykorzystywane w różnych dziedzinach, takich jak:

• Produkcja leków (np. antybiotyki, szczepionki)
• Oczyszczanie ścieków
• Wytwarzanie białek leczniczych
• Produkcja kwasów organicznych i enzymów
• Hodowla kultur mikroorganizmów i komórek

3. Jakie elementy wchodzą w skład bioreaktora?

Bioreaktor składa się z kadzi fermentacyjnej, mieszadła, sond kontrolnych (m.in. do pomiaru pH, tlenu, temperatury), systemów napowietrzania i kontroli poziomu piany. Ważnym elementem jest płaszcz chłodzący, który zapewnia stabilne warunki temperaturowe.

4. Jakie typy bioreaktorów wyróżniamy?

Bioreaktory można podzielić na różne kategorie:

• Pod względem sterylności: sterylne, względnie sterylne i niesterylne.
• Pod względem dostępu do tlenu: aerobowe (z dostępem do tlenu) i anaerobowe (beztlenowe).
• Pod względem sposobu pracy: okresowe, półciągłe i ciągłe.
• Pod względem budowy: mieszadłowe, barbotażowe, typu air lift, złożowe i fotobioreaktory.

PODZIAŁ BIOREAKTORÓW POD WZGLĘDEM BUDOWY:

Bioreaktory mieszadłowe (CSTR – Continuous Stirred Tank Reactor)

• Budowa: Mają cylindryczny kształt z mieszadłem umieszczonym wewnątrz zbiornika. Zazwyczaj wyposażone są w jedno lub więcej mieszadeł oraz system napędowy.
• Funkcjonowanie: Mieszanie odbywa się mechanicznie za pomocą mieszadeł. Zapewnia to równomierne rozprowadzenie substancji odżywczych, tlenu i jednorodną temperaturę w całym bioreaktorze.
• Zastosowanie: Najczęściej używane do hodowli mikroorganizmów, produkcji enzymów oraz w przemyśle biotechnologicznym.
• Zalety: Dobrze kontrolowana wymiana gazów, efektywne mieszanie, możliwość prowadzenia procesów w trybie ciągłym.
• Wady: Wysoka energochłonność spowodowana pracą mieszadła.

Bioreaktory barbotażowe (bubble column reactor)

• Budowa: Mają prostą budowę w postaci pionowego cylindra. Nie posiadają mechanicznego mieszadła. Gazy są wprowadzane przez dno zbiornika.
• Funkcjonowanie: Mieszanie i napowietrzanie medium odbywa się poprzez wprowadzanie gazów (zwykle powietrza lub tlenu), które tworzą bąbelki w cieczy.
• Zastosowanie: Często stosowane w procesach fermentacji, hodowlach mikroorganizmów, w produkcji biopaliw.
• Zalety: Prosta konstrukcja, niskie koszty eksploatacyjne, brak elementów ruchomych.
• Wady: Mniejsze możliwości kontroli parametrów mieszania i transportu gazu niż w bioreaktorach mieszadłowych.

Bioreaktory typu airlift

• Budowa: Są podobne do bioreaktorów barbotażowych, jednak posiadają dwie strefy: wznoszącą (gdzie wprowadzany jest gaz) oraz opadającą (gdzie gaz nie występuje).
• Funkcjonowanie: Różnice w gęstości cieczy między strefą wznoszącą a opadającą powodują naturalne krążenie medium w reaktorze. Gaz wprowadzany jest do strefy wznoszącej, gdzie tworzą się bąbelki, które podnoszą ciecz.
• Zastosowanie: Głównie do hodowli mikroorganizmów, alg oraz produkcji biomasy.
• Zalety: Efektywne mieszanie przy minimalnym zużyciu energii, brak mechanicznych elementów, które mogłyby ulec uszkodzeniu.
• Wady: Ograniczona kontrola nad stopniem mieszania i wymianą gazu.

Bioreaktory złożowe

• Budowa: W tego typu bioreaktorach materiał biologiczny rozwija się na stałym złożu, które znajduje się wewnątrz reaktora. Złoże może mieć formę kulek, pierścieni, granulek lub innych nośników.
• Funkcjonowanie: Ciecz (z substancjami odżywczymi) przepływa przez złoże, umożliwiając mikroorganizmom rosnącym na nośniku absorpcję składników pokarmowych i tlenu.
• Zastosowanie: Powszechnie stosowane w oczyszczaniu ścieków, produkcji biogazu, biofiltracji i w hodowli komórek.
• Zalety: Wysoka wydajność procesów, większa stabilność procesów biologicznych, możliwość prowadzenia reakcji przez dłuższy czas.
• Wady: Możliwość zatykania złoża, trudności w jego wymianie.

Fotobioreaktory

• Budowa: Są to bioreaktory przystosowane do hodowli organizmów fotosyntetycznych, takich jak mikroalgi, sinice lub roślinne komórki. Posiadają system doświetlania, umożliwiający efektywny dostęp do światła.
• Funkcjonowanie: Światło dostarczane do wnętrza bioreaktora stymuluje proces fotosyntezy, który zapewnia wzrost organizmów. Często stosuje się sztuczne światło, aby umożliwić hodowlę w zamkniętych warunkach.
• Zastosowanie: Produkcja biopaliw, suplementów diety, kosmetyków oraz substancji farmaceutycznych.
• Zalety: Możliwość kontroli ilości i jakości światła, co prowadzi do optymalizacji procesu fotosyntezy.
• Wady: Wysokie koszty budowy i eksploatacji, konieczność monitorowania intensywności oświetlenia.

5. Jakie są zalety korzystania z bioreaktorów?

Bioreaktory umożliwiają produkcję substancji w sposób bardziej przyjazny dla środowiska. Dzięki nim można uzyskać produkty, które są trudne do wytworzenia tradycyjnymi metodami chemicznymi. Ponadto, biotechnologiczne procesy są często efektywniejsze i bardziej precyzyjne.

6. Co decyduje o kosztach produkcji w bioreaktorze?

Koszty produkcji w bioreaktorze zależą od wielu czynników, takich jak skala procesu, wymagania technologiczne, właściwości użytych mikroorganizmów oraz poziom automatyzacji bioreaktora. Duże znaczenie ma także zaawansowanie technologiczne i miejsce produkcji.