Bioreaktora , zwany również fermentor lub propagatora jest urządzenie, w którym drobnoustroje ( drożdże , bakterie , mikroskopijnych grzybów, alg , zwierzęce i roślinne komórki ) mnoży się do produkcji biomasy (ekologiczne) , lub do wytwarzania metabolitu lub inaczej biokonwersja cząsteczki będącej przedmiotem zainteresowania.
W XIX wieku Pasteur, Kutzing, Schwann i Cagniard-Latour wykazali, że fermentacja była spowodowana przez drożdże, które są organizmami żywymi (Hochfeld, 2006). Termin „fermentacja” uwzględnia metabolizm tlenowy i beztlenowy. Polega na namnażaniu biomasy żywych mikroorganizmów i ewentualnie wykorzystaniu jego metabolizmu.
W przeciwieństwie do prostszych systemów stosowanych do hodowli mikroorganizmów , takich jak kolby , bioreaktor umożliwia kontrolę warunków hodowli (temperatura, pH , napowietrzanie itp.), A co za tym idzie, umożliwia zbieranie informacji z większej niezawodności.
Modele laboratoryjne mają od 0,1 do 15 litrów. Modele użyte do badań industrializacji (zwany „pilot”) w zakresie od 20 do 1000 litrów, podczas gdy te przeznaczone do produkcji przemysłowej może przekraczać 1000 m 3 (przypadku produkcji etanolu).. Jednorazowe modele bioreaktorów są obecne na rynku od 1995 roku i są używane głównie do objętości od mililitrów do kilkuset litrów.
W inżynierii tkankowej termin bioreaktor może oznaczać system umożliwiający hodowlę tkankową. Celem nie jest tutaj produkcja metabolitów, ale raczej kompletna tkanka złożona z komórek i macierzy zewnątrzkomórkowej .
Bioreaktor składa się z:
Bioreaktory pozwalają na wytwarzanie wielu produktów:
Fermentor jest generalnie zbudowany na modelu bioreaktora bez systemu napowietrzania. W dziedzinie biotechnologii termin fermentator jest czasami używany bez żadnego rozróżnienia od terminu bioreaktor. Pozwala na zróżnicowanie typu hodowli (bakterie, drożdże do fermentora i komórki zwierzęce do bioreaktora).
Bioreaktory są generalnie zbudowane na tych samych modelach, co reaktory chemiczne.
Istnieją różne tryby kontroli podawania i pobierania pożywki hodowlanej z bioreaktorów, zarówno tradycyjne, jak i jednorazowe. Wszystkie te tryby mogą być używane w zależności od typu jednorazowego bioreaktora.
Zbiornik napełnia się wysterylizowaną pożywką hodowlaną, a następnie inokulum. Następnie zachodzi fermentacja bez dodatkowego dodawania pożywki. Objętość pozostaje stała, a produktywność jest stosunkowo niska. Pod koniec fermentacji fermentor jest opróżniany, a jego zawartość jest wymieniana (Carmaux, 2008).
Wzrost zaczyna się szybciej, ponieważ objętość kultury może zostać zmniejszona. Uzyskane stężenie może być wtedy wyższe niż w trybie okresowym. Gdy wzrost jest w fazie stacjonarnej, dodaje się jałową pożywkę hodowlaną. Z czasem objętość w zbiorniku wzrasta. Natężenie przepływu reguluje się tak, aby stężenie substratu w zbiorniku było stałe i aby efekt rozcieńczenia nie hamował produkcji biomasy. Gdy zbiornik jest pełny, zasilanie zostaje odcięte: rura jest wtedy w trybie nieciągłym. Podawana porcja pozwala w praktyce zaoszczędzić czas, zwiększyć produktywność oraz możliwość modyfikacji pożywki w trakcie hodowli (Carmaux, 2008). Ale ryzyko zanieczyszczenia jest wysokie (Eibl i Eibl, 2009).
Dodanie sterylnej pożywki i pobieranie rozpoczyna się, gdy komórki wchodzą w stacjonarną fazę wzrostu. Zawieszenie jest jednolite we wszystkich punktach zbiornika. Karmienie i pobieranie odbywa się z taką samą szybkością, gdy w zbiorniku zostanie osiągnięte określone stężenie komórek. Teoretycznie nie ma potrzeby opróżniania zbiornika. Jednak mutacje i zanieczyszczenia wymagają ich opróżnienia. Wydajność jest znacznie wyższa niż w trybie wsadowym (Carmaux, 2008).
Gradient stężeniaFermentacja odbywa się w reaktorze rurowym, w którym pożywka porusza się w tym samym czasie, gdy zachodzi fermentacja. Każda jednostka objętości odpowiada fazie postępu reakcji (Carmaux, 2008).
Recykling biomasyPożywkę hodowlaną usuwa się z wyczerpaną ilością komórek. Nie są one pobierane i pozostają w fermentorze. Ten system jest również nazywany perfuzją z recyklingiem komórek (Carmaux, 2008). Zasada perfuzji może być stosowana do efektywnych objętości pożywki od 25 do 500 L bez negatywnego wpływu na wzrost komórek lub produkcję białek. System perfuzyjny daje możliwość hodowli komórek specyficznych dla pacjenta o dużej gęstości. Technologia ta jest już wykorzystywana do produkcji glikoprotein, wirusów i szczepionek (Brecht, 2010).
Bioreaktor membranowyProces ten jest stosowany na dużą skalę głównie do oczyszczania ścieków (Guo-min i in., 2004; Aileen i Albert, 2007; Stricot, M., 2008; Barrios-Martinez, A., 2006).