O que é um biorreator industrial?

Respondendo à questão central:O que é um biorreator industrial e como sustenta reações biológicas em escala de produção?Um biorreator industrial é um recipiente concebido para apoiar reações biológicas utilizando microorganismos (bactérias, leveduras, fungos), células de mamíferos,ou células vegetais para converter substratos em produtos valiosos, como antibióticosA diferença entre os reatores químicos que operam a altas temperaturas e pressões, os biorreatores operam em condições moderadas (20°C a 40°C,pressão atmosférica a 2 bar) mas exigem condições assépticas rigorosas., fornecimento preciso de oxigénio e controle cuidadoso da composição dos nutrientes, pH e estresse de cisalhamento para manter a viabilidade e a produtividade das células.

1Princípios de funcionamento essenciais dos biorreatores industriais

·**Desenho asséptico e esterilização**Os biorreatores devem evitar a contaminação por micro-organismos indesejados que competem com o organismo produtor em matéria de nutrientes ou produzem toxinas.O recipiente é esterilizado por vapor no local (SIP) a 121°C durante 30 minutos (alcançando SAL de 10−3) antes da inoculação.Todas as penetrações (eixo do agitador, sensores, portas de amostragem) utilizam duplas vedações mecânicas ou ligações bloqueadas por vapor.e todas as tubulações utilizam acoplamentos sanitários (ASME BPE) sem pernas mortas onde os contaminantes possam abrigar.

·** Transferência de oxigénio e kLa**Os microorganismos aeróbios necessitam de oxigénio dissolvido para o metabolismo.onde qO2 é a taxa específica de absorção e X é a densidade celular)Os biorreatores industriais com reservatório de agitação atingem valores de kLa de 50 300 h−1 utilizando turbinas de turbina Rushton a 100 400 rpm com ar a 0,5 2 vvm (volumes de ar por volume de líquido por minuto).Uma kLa insuficiente limita a densidade e a produtividade das células.

·**Geração e remoção de calor**O metabolismo microbiano gera 520 kJ de calor por grama de biomassa produzida.Este calor é removido por camisas externas (para reatores < 5 m3), bobinas de meio tubo (550 m3) ou defletores internos de arrefecimento (> 50 m3).Como os desvios de 2°C podem reduzir a taxa de crescimento celular em 50% ou desencadear respostas de estresse.

2Principais tipos de biorreatores industriais

·** Biorreator com tanque de estimulação (STR) **O padrão da indústria: um recipiente cilíndrico (50 L a 50 m3) com agitador montado no fundo ou no topo, rolamentos Rushton ou axial de vários estágios, sprayer de ar e jaqueta ou bobinas de arrefecimento.Fornece excelente mistura e transferência de oxigénio (kLa de 50 ‰ 300 h−1). Utilizado para antibióticos (penicilina, cefalosporina), enzimas, proteínas recombinantes (insulina, anticorpos) e ácidos orgânicos (citrico, láctico).Construção em aço inoxidável 316L com interior polido por electrólise (Ra < 0.8 μm) para a conformidade com as BPF.

·Biorreator de transporte aéreo.Um recipiente alto (H/D > 6) dividido em secções ascendente e descendente.Obtém menor tensão de cisalhamento (1050 s−1) e design mais simples (sem vedação do eixo) do que o STR. A transferência de oxigênio é menor (kLa de 20?? 80 h−1), limitando a densidade celular. Usado para cultura de células vegetais, fungos filamentosos e microorganismos sensíveis ao cisalhamento em volumes de 5?? 500 m3.

·** Photobioreactor **Um recipiente transparente (tubos de vidro ou painéis planos) concebido para fornecer luz a microorganismos fotossintéticos (microalgas, cianobactérias).e o ciclo luz/escuro são controlados para otimizar a eficiência fotossintética. Alcança uma produtividade de biomassa de 1 5 g / m 2 / dia. Utilizado para nutracêuticos (astaxantina, ômega-3), biocombustíveis e captura de CO2 em volumes de 1 100 m 3.

Tipos de biorreatores industriais Matriz de comparação

Perguntas Frequentes (FAQ)

Qual é a diferença entre um biorreator e um reator químico?

Os biorreatores suportam reações biológicas utilizando células vivas como catalisadores, operando em condições moderadas (20°C, pressão próxima da atmosfera) com requisitos estritos de esterilidade.Os reatores químicos suportam reações químicas usando catalisadores químicos (ou sem catalisador)Os biorreatores exigem um design asséptico, um abastecimento de oxigénio, um controlo do pH/nutrientes,e gestão de cisalhamentoOs reatores químicos concentram-se na transferência de calor/massa, na contenção da pressão e na cinética da reação.

O que é kLa e por que é crítico no projeto de biorreatores?

kLa (coeficiente volumétrico de transferência de oxigénio) é o parâmetro chave que mede a eficiência com que um biorreator transfere oxigénio das bolhas de gás para a fase líquida.Determina a densidade celular máxima alcançável: se o OTR (kLa × força motriz) for menor que o OUR (demanda de oxigênio celular), a cultura fica limitada ao oxigênio e o crescimento pára.,transporte aéreo (20 ̊80 h−1).

Como são esterilizados os biorreatores industriais?

O método padrão consiste em vapor no local (SIP) utilizando vapor limpo a 121 °C durante 30 minutos, atingindo um nível de garantia de esterilidade de 10−3 (probabilidade de sobrevivência de um contaminante por 1.000 unidades).Para suportes sensíveis ao calor, é utilizada a esterilização por filtro (0,2 μm de filtração absoluta).Os biorreatores de grande dimensão (> 5 m3) podem exigir tempos de esterilização prolongados ou esterilização fracionada (tindallização) para assegurar a penetração de calor em todas as superfícies.Após o SIP, o recipiente é mantido sob pressão positiva com ar filtrado estéril para evitar a recontaminação.

Qual é a densidade celular máxima que pode ser alcançada num biorreator industrial?

Na fermentação microbiana de lote alimentado (E. coli, levedura), as densidades celulares de 50-150 g/l de peso seco são alcançáveis com ar enriquecido com oxigénio e alimentação otimizada.Na perfusão, cultura de células de mamíferos com retenção de célulasNo caso dos reatores de fibra oca, as células podem atingir 1 5 × 108 células/mL. O limite prático é definido pela transferência de oxigénio, remoção de calor e subproduto (CO2,lactato, amónio) acumulação.