Cos'è un bioreattore industriale?

Rispondendo alla domanda fondamentale:Che cos'è un bioreattore industriale e come sostiene le reazioni biologiche su scala produttiva?Un bioreattore industriale è un recipiente progettato per sostenere reazioni biologiche utilizzando microrganismi (batteri, lieviti, funghi), cellule di mammiferi,o cellule vegetali per trasformare i substrati in prodotti preziosi come gli antibioticiA differenza dei reattori chimici che operano a temperature e pressioni elevate, i bioreattori operano in condizioni mite (20°C-40°C,2 bar) ma richiedono condizioni asettiche rigorose, un accurato approvvigionamento di ossigeno e un attento controllo della composizione dei nutrienti, del pH e dello stress da taglio per mantenere la vitalità e la produttività delle cellule.

1Principi fondamentali di funzionamento dei bioreattori industriali

·** Progettazione e sterilizzazione asettiche**I bioreattori devono prevenire la contaminazione da microrganismi indesiderati che competono con l'organismo di produzione per i nutrienti o producono tossine.Il recipiente viene sterilizzato con vapore in posizione (SIP) a 121°C per 30 minuti (per raggiungere un SAL di 10−3) prima dell'inoculazione.. Tutte le penetrazioni (albero dell'agitatore, sensori, porte di campionamento) utilizzano sigilli meccanici doppi o connessioni bloccate dal vapore.e tutte le tubazioni utilizzano accessori sanitari (ASME BPE) senza gambe morte dove i contaminanti potrebbero ospitare.

·** Trasferimento di ossigeno e kLa**I microrganismi aerobi richiedono ossigeno disciolto per il metabolismo.dove qO2 è il tasso di assorbimento specifico e X è la densità cellulare)I bioreattori industriali a serbatoio agitato raggiungono valori di kLa pari a 50 300 h−1 utilizzando le turbine Rushton a 100 400 giri/minuto con aria che scatena a 0,5 2 vvm (volumi di aria per volume di liquido al minuto).Un kLa insufficiente limita la densità e la produttività cellulare.

·**Generazione e rimozione di calore**Il metabolismo microbico genera 520 kJ di calore per grammo di biomassa prodotta.Questo calore viene eliminato da giacche esterne (per reattori < 5 m3), bobine a mezza tubazione (550 m3) o deflettori di raffreddamento interni (> 50 m3).come deviazioni di 2 ̊3°C possono ridurre il tasso di crescita cellulare del 50% o innescare risposte di stress.

2Principali tipi di bioreattori industriali

·** Bioreattore a serbatoio stirato (STR) **Lo standard del settore: un recipiente cilindrico (50 L a 50 m3) con agitatore montato sul fondo o sulla parte superiore, motori Rushton o assiali a più stadi, spruzzatore d'aria e giacca o bobine di raffreddamento.Fornisce un'eccellente miscelazione e trasferimento di ossigeno (kLa di 50 ‰ 300 h−1)Utilizzato per antibiotici (penicillina, cefalosporina), enzimi, proteine ricombinanti (insulina, anticorpi) e acidi organici (citrico, lattico).Construzione in acciaio inossidabile 316L con interno polito elettricamente (Ra < 0.8 μm) per la conformità alle BPM.

·** Bioreattore di trasporto aereo **Un vaso alto (H/D > 6) diviso in sezioni ascendente e discendente.Raggiunge una tensione di taglio inferiore (1050 s−1) e un design più semplice (senza sigillo dell'albero) rispetto allo STR. Il trasferimento di ossigeno è inferiore (kLa di 20?? 80 h−1), limitando la densità cellulare. Utilizzato per la coltura cellulare vegetale, i funghi filamentosi e i microrganismi sensibili al taglio a volumi di 5?? 500 m3.

·** Photobioreattore **un recipiente trasparente (tubi di vetro o pannelli piatti) progettato per fornire luce ai microrganismi fotosintetici (microalghe, cianobatteri).e il ciclo luce/buio sono controllati per ottimizzare l'efficienza fotosintetica. Raggiunge una produttività di biomassa di 1 ‰ 5 g/m2/giorno. Utilizzato per nutraceutici (astaxantina, omega-3), biocarburanti e cattura di CO2 a volumi di 1 ‰ 100 m3.

Tipologie di bioreattori industriali Matrice di confronto

Domande frequenti (FAQ)

Qual è la differenza tra un bioreattore e un reattore chimico?

I bioreattori supportano le reazioni biologiche utilizzando cellule viventi come catalizzatori, operando a condizioni miti (20-40°C, pressione quasi atmosferica) con severi requisiti di sterilità.I reattori chimici supportano le reazioni chimiche utilizzando catalizzatori chimici (o nessun catalizzatore)I bioreattori richiedono una progettazione asettica, un approvvigionamento di ossigeno, un controllo del pH/nutrienti,e gestione del taglioI reattori chimici si concentrano sul trasferimento di calore/massa, sul contenimento della pressione e sulla cinetica delle reazioni.

Cos'è il kLa e perché è fondamentale nella progettazione dei bioreattori?

kLa (coefficiente di trasferimento dell'ossigeno volumetrico) è il parametro chiave che misura l'efficienza con cui un bioreattore trasferisce l'ossigeno dalle bolle di gas alla fase liquida.Determina la densità cellulare massima raggiungibile: se OTR (kLa × forza motrice) è inferiore a OUR (domanda di ossigeno delle cellule), la coltura diventa limitata all'ossigeno e la crescita si ferma.,trasporto aereo (20 ̊80 h−1).

Come vengono sterilizzati i bioreattori industriali?

Il metodo standard consiste nel mettere il vapore in posizione (SIP) utilizzando vapore pulito a 121°C per 30 minuti, raggiungendo un livello di garanzia di sterilità di 10−3 (probabilità di sopravvivenza di un contaminante per 1.000 unità).Per supporti sensibili al calore, viene utilizzata la sterilizzazione mediante filtro (filtrazione assoluta di 0,2 μm).I bioreattori di grandi dimensioni (> 5 m3) possono richiedere tempi di sterilizzazione prolungati o sterilizzazione frazionata (tindalizzazione) per garantire la penetrazione del calore su tutte le superficiDopo il SIP, il recipiente viene mantenuto sotto pressione positiva con aria filtrata sterile per evitare la ricontaminazione.

Qual è la densità cellulare massima raggiungibile in un bioreattore industriale?

Nella fermentazione microbica a batch alimentati (E. coli, lievito), con aria arricchita di ossigeno e alimentazione ottimizzata è possibile raggiungere densità cellulari di 50-150 g/l di peso secco.In perfusione coltura cellulare di mammiferi con ritenzione cellulareIn reattori a fibra cava, le celle possono raggiungere i 1 5 × 108 celle/ml. Il limite pratico è fissato dal trasferimento di ossigeno, dalla rimozione del calore e dal sottoprodotto (CO2,latticini, ammonio) accumulazione.