بیوراکتور

  • تعریف بیوراکتور
  • طراحی
  • اصول
  • اجزاء
  • انواع
  • کاربرد
  • محدودیت

تعریف

بیوراکتور نوعی ظرف تخمیر است که برای تولید مواد شیمیایی مختلف و واکنش‌های بیولوژیکی استفاده می‌شود. این یک ظرف دربسته با آرایش کافی برای هوادهی، هم زدن، کنترل دما و pH و تخلیه یا دریچه سرریز برای حذف زیست توده میکروارگانیسم های کشت شده همراه با محصولات آنها است.

یک بیوراکتور باید موارد زیر را فراهم کند:

  • هم زدن (برای اختلاط سلول ها و محیط)،
  • هوادهی (فرمانتورهای هوازی)؛ برای تامین O2،
  • تنظیم عواملی مانند دما، pH، فشار، هوادهی، تغذیه مواد مغذی و سطح مایع.
  • استریلیزاسیون و حفظ استریل بودن و
  • خروج سلول ها / محیط

بیوراکتورها برای تولید زیست توده، متابولیت ها و آنتی بیوتیک ها استفاده می شوند.

Bioreactor

طراحی

  • طراحی و نحوه عملکرد یک بیوراکتور بر اساس تولید یک ارگانیسم، شرایط بهینه مورد نیاز برای تشکیل محصول مورد نظر، ارزش محصول و مقیاس تولید آن است.
  • یک طراحی بیوراکتور خوب به بهبود بهره وری و ارائه محصولات با کیفیت بالاتر با قیمت کمتر کمک می کند.
  • بیوراکتور دستگاهی است که از ویژگی‌های مختلفی مانند سیستم همزن، سیستم اکسیژن رسانی، سیستم کنترل کف و انواع سیستم‌های دیگر مانند سیستم کنترل دما و pH، پورت‌های نمونه‌برداری، سیستم تمیز کردن و استریل‌سازی تشکیل شده است همچنین خطوطی برای شارژ و تخلیه راکتور.

مواد مورد استفاده برای ساخت یک بیوراکتور باید دارای ویژگی های مهم زیر باشد:

  • نباید خورنده باشد.
  • نباید هیچ گونه ماده سمی به محیط تخمیر اضافه کند.
  • باید فرآیند استریلیزاسیون با بخار را تحمل کند.
  • باید بتواند فشار بالا را تحمل کند و در برابر تغییرات pH مقاومت کند.
اندازه بیوراکتور بسته به کاربرد بسیار متفاوت است. برخی از بیوراکتورها برای تخمیرکننده های مقیاس کوچک و برخی برای کاربردهای صنعتی در مقیاس بزرگ استفاده می شود.

اصول بیوراکتور

  • بیوراکتور قلب هر فرآیند بیوشیمیایی است زیرا محیطی را برای میکروارگانیسم‌ها فراهم می‌کند تا رشد بهینه را به دست آورند و متابولیت‌هایی را برای بیوترنسفورماسیون و تبدیل زیستی بسترها به محصولات مطلوب تولید کنند.
  • راکتورها را می توان بر اساس نیازهای رشد موجودات مورد استفاده مهندسی یا تولید کرد.
  • راکتورها ماشین هایی هستند که می توانند برای تبدیل مواد بیولوژیکی به محصولات مطلوب ساخته شوند.
  • آنها را می توان برای تولید آنزیم های مختلف و سایر فرآیندهای کاتالیز زیستی استفاده کرد.

بخش هایی از بیوراکتور و عملکرد آنها

این راکتورها برای حفظ پارامترهای خاصی مانند نرخ جریان، هوادهی، دما، pH، کنترل کف و سرعت همزدن طراحی شده‌اند.

تعداد پارامترهایی که می توان نظارت و کنترل کرد با تعداد حسگرها و عناصر کنترلی که در یک بیوراکتور معین گنجانده شده اند محدود می شود.

عوامل دیگری را باید قبل از طراحی یک تخمیر در نظر داشت که در زیر توضیح داده شده و در شکل زیر نشان داده شده است.

1- فرمانتور

فرمانتور سیلندر بزرگی است که در بالا و پایین بسته شده و با لوله ها و دریچه های مختلف متصل است. فرمانتورها به گونه ای طراحی شده است که اجازه می دهد در شرایط کنترل شده کار کند. شیشه و فولادهای ضد زنگ دو نوع فرمانتور مورد استفاده هستند. بیوراکتور شیشه ای معمولاً در صنایع کوچک استفاده می شود. این نوع غیر سمی و ضد خوردگی است. بیوراکتور فولادی ضد زنگ در صنایع بزرگ استفاده می شود و می تواند در برابر فشار و خوردگی مقاومت کند.

2- دستگاه گرمایش و سرمایش

قسمت بیرونی دریچه فرمانتور با یک ژاکت خنک کننده تعبیه شده است که ظرف را مهر و موم می کند و آب خنک کننده را فراهم می کند. حمام ها یا کویل های داخلی با کنترل ترموستاتیک معمولاً برای تأمین گرما استفاده می شوند در حالی که از ژاکت های سیلیکونی برای حذف گرمای اضافی استفاده می شود. یک ژاکت خنک کننده برای استریل کردن محیط غذایی و حذف گرمای تولید شده در طی تخمیر در فرمانتوذ ضروری است.

3- سیستم هوادهی

سیستم هوادهی یکی از بخش های بسیار مهم یک تخمیر است. انتخاب یک سیستم هوادهی خوب برای اطمینان از هوادهی مناسب و در دسترس بودن اکسیژن در سرتاسر کشت مهم است. این شامل دو دستگاه هوادهی مجزا (اسپرگر و پروانه) برای اطمینان از هوادهی مناسب در تخمیر است.

هم زدن دو چیز را انجام می دهد:

  • به مخلوط کردن حباب های گاز از طریق محیط کشت مایع کمک می کند.
  • این به مخلوط کردن سلول های میکروبی از طریق محیط کشت مایع کمک می کند که دسترسی یکنواخت سلول های میکروبی به مواد مغذی را تضمین می کند.

4- آب بندی فرمانتور

مجموعه آب بندی برای آب بندی محور همزن استفاده می شود تا همزن مناسب را ارائه دهد.

سه نوع مجموعه آب بندی در فرمانتور وجود دارد:

  • Packed gland seal
  • Mechanical seal
  • Magnetic drives

5- بافل ها

بافل ها به منظور جلوگیری از گرداب باعث بهبود هوادهی در تخمیرها می شوند. این شامل نوارهای فلزی است که به صورت شعاعی به دیوار متصل شده اند.

6- پروانه

پروانه ها برای تامین تعلیق یکنواخت سلول های میکروبی در محیط های غذایی مختلف استفاده می شوند. آنها از تیغه های پروانه متصل به موتور روی درب ساخته شده اند. پره های پروانه نقش مهمی در کاهش اندازه حباب های هوا دارند و آنها را به طور یکنواخت در محیط های فرمانتور پخش می کنند.

پروانه های متغیر در فرمانتورها استفاده می شوند و به شرح زیر طبقه بندی می شوند:

  • Disc turbines
  • Variable pitch open turbine

7- اسپارگر

اسپارگر سیستمی است که برای وارد کردن هوای استریل به ظرف فرمانتور استفاده می شود. به ارائه هوادهی مناسب به فرمانتور کمک می کند.

لوله های اسپارگر حاوی سوراخ های کوچکی به ابعاد 5-10 میلی متر هستند که از طریق آنها هوای تحت فشار آزاد می شود.

سه نوع اسپارگر استفاده می شود:

  • اسپارگر متخلخل
  • اسپارگر نازل
  • اسپارگر-همزن ترکیبی

8- پورت های تغذیه

از آنها برای افزودن مواد مغذی و اسید/قلیا به فرمانتور استفاده می شود. پورت های تغذیه لوله هایی هستند که از سیلیکون ساخته شده اند و استریل سازی در محل قبل از حذف یا اضافه کردن محصولات انجام می شود.

9- کنترل فوم (کف)

  • سطح کف در ظرف باید به حداقل برسد تا از آلودگی جلوگیری شود، این یکی از جنبه های مهم فرمانتور است.
  • فوم توسط دو واحد حسگر کف و یک واحد کنترل، کنترل می شود.
  • یک دستگاه کنترل کننده کف در بالای فرمانتور نصب شده است که یک ورودی به fermentor دارد.

10- دریچه

از شیرها در فرمانتور برای کنترل حرکت مایع در ظرف استفاده می شود. حدود پنج نوع شیر استفاده می شود، یعنی

  • globe valve
  • butterfly valve
  • ball valve
  • diaphragm valve

11- دستگاه های کنترل کننده عوامل محیطی

دستگاه‌های مختلفی برای کنترل عناصر محیطی مانند دما، غلظت اکسیژن، pH، توده سلولی، سطوح مواد مغذی ضروری و غلظت محصول مورد استفاده قرار می‌گیرند.

12- استفاده از کامپیوتر در تخمیر

برای یک فرآیند کارآمد، نظارت و جمع‌آوری داده‌ها، فرمانتورها معمولاً با رایانه‌ها و پایگاه‌های داده مدرن و نیمه خودکار همراه می‌شوند.

انواع بیوراکتور

انواع فرمانتور (بیوراکتور) به طور گسترده در صنایع استفاده می شود:

1- راکتور مخزنی همزن دار پیوسته

یک بیوراکتور مخزنی همزن دار پیوسته (continuous stirred tank bioreactor) از یک ظرف استوانه ای با شفت مرکزی که توسط موتوری کنترل می شود که یک یا چند همزن (پرانه) را پشتیبانی می کند، تشکیل شده است. اسپارگر، در ترکیب با پروانه ها (همزن)، امکان توزیع بهتر گاز در سراسر کشتی را فراهم می کند. بیوراکتور همزن دار را می توان به طور مداوم در تخمیر کار کرد، کنترل دما بدون دردسر است، ساخت و ساز ارزان است، کار با آن آسان است، در نتیجه هزینه کار کم است و تمیز کردن آن آسان است. رایج ترین نوع بیوراکتور مورد استفاده در صنعت است.

راکتور همزن دار پیوسته

2- راکتور بالابرنده هوا

راکتور هوای بالارونده (airlift reactor) معمولاً برای دستگاه های تماس گاز-مایع یا گاز-مایع-جامد استفاده می شود. همچنین به عنوان یک راکتور برج شناخته می شود. یک بیوراکتور با استفاده از یک سیستم حمل و نقل هوایی، حجم سیال را به دو ناحیه تقسیم می کند تا گردش، انتقال اکسیژن و یکسان سازی نیروها در راکتور بهبود یابد. در یک سیستم دو منطقه ای، تنها یک منطقه با گاز پاشیده می شود. منطقه ای که گاز در آن پاشیده می شود، بالارونده است. بیورآکتورهای Airlift برای فناوری پردازش زیستی هوازی استفاده می‌شوند تا بتوانند جریان مایع کنترل‌شده را در یک سیستم بازیافت با استفاده از پمپ‌ها فراهم کنند. این تجهیزات دارای چندین مزیت از جمله سادگی طراحی آن به دلیل نداشتن قطعات متحرک یا همزن، استریل شدن آسان، نیاز به انرژی پایین و هزینه پایین آن است.

3- راکتور ستونی حبابدار

تخمیر ستون حباب از یک ظرف استوانه ای مجهز به اسپارگر گاز تشکیل شده است که حباب های گاز را به فاز مایع یا سوسپانسیون مایع-جامد هل می دهد. پایه ستون هوا یا گاز از طریق لوله ها یا صفحات سوراخ دار یا اسپارگر میکرو متخلخل فلزی وارد می شود. خواص رئولوژیکی سیال و سرعت جریان گاز تأثیر قابل توجهی بر اختلاط O2 و سایر عوامل عملکردی دارد. برای بهبود انتقال جرم و اصلاح طراحی اولیه ظرف، دستگاه‌های داخلی مانند صفحات سوراخ‌دار افقی، بافل‌های عمودی و بسته‌بندی‌های ورق موجدار در ظرف قرار دارند. این راکتورها در ساخت و ساز ساده، تعمیر و نگهداری آسان و هزینه عملیاتی پایینی دارند. راکتورهای ستون حبابی در فرآیندهای بیوشیمیایی مانند تخمیر و تصفیه بیولوژیکی فاضلاب استفاده می شود. همچنین در بسیاری از صنایع شیمیایی، پتروشیمی و بیوشیمیایی استفاده می شود.

راکتور ستونی حبابدار

4- راکتور بستر سیال

بیوراکتورهای بستر سیال، بسترهای بسته بندی شده با ذرات کوچکتر را تشکیل می دهند. این امر از بروز مشکلاتی مانند گرفتگی، افت فشار مایع بالا، کانال‌کشی و تراکم بستر مرتبط با راکتورهای بستر پر شده جلوگیری می‌کند. کاتالیزور در کف راکتور گذاشته می شود و واکنش دهنده ها از طریق پمپ توزیع کننده به داخل راکتور پمپ می شوند تا بستر سیال شود. در این راکتورها، سلول‌ها ذرات کوچک بی‌حرکتی هستند که با سیال حرکت می‌کنند و در نتیجه انتقال جرم، انتقال اکسیژن و تغذیه به سلول‌ها افزایش می‌یابد. بیوراکتورها را می توان برای واکنش هایی که شامل بیوکاتالیست های معلق در مایع، مانند آنزیم های بی حرکت، سلول های بی حرکت، و لخته های میکروبی است، استفاده کرد.
از مزایای اصلی آن می توان به توانایی آن در حفظ دماهای یکسان، جایگزینی و بازسازی آسان کاتالیزور، تداوم و خودکار بودن عملکرد و کاهش زمان تماس بین گاز و جامد در مقایسه با سایر راکتورهای کاتالیستی اشاره کرد.

بیوراکتورهای بستر سیال

5- بیوراکتورهای بستر ثابت

بیوراکتور بستر ثابت، بستری از ذرات جامد است که دارای کاتالیزور زیستی روی یا درون ماتریکس جامدات است. می توان آن را در حالت غوطه ور (با یا بدون هوادهی) یا در حالت جریان قطره ای اجرا کرد. راکتورهای بستر پرشده که اغلب در فرآیندهای پردازش شیمیایی مانند جذب، تقطیر، جداسازی، فرآیند جداسازی و واکنش‌های کاتالیزوری استفاده می‌شوند، راکتورهای بستر ثابت نیز نامیده می‌شوند. در بیوراکتورهای بستر بسته، هوا از طریق غربال که از بستر حمایت می کند وارد می شود.

این راکتور دارای مزایای بسیاری مانند نرخ تبدیل بالا برای کاتالیزور، سهولت کار، هزینه ساخت و بهره برداری کم، افزایش تماس بین واکنش دهنده و کاتالیزور و توانایی کار در دما و فشار بالا می باشد.

6- فوتوبیوراکتور

  • فوتوبیوراکتور یک واحد تخصصی برای تخمیر است که یا با نور مستقیم خورشید روشن می شود یا به طور مصنوعی روشن می شود.
  • آنها از شیشه یا معمولاً پلاستیک شفاف ساخته شده اند و لوله ها یا صفحات تخت از سیستم های دریافت نور تشکیل شده اند.
  • در این بیوراکتور می توان از پمپ های گریز از مرکز یا پمپ های هوایی برای گردش محیط از طریق گیرنده های خورشیدی استفاده کرد.
  • فتو بیوراکتورها معمولاً در یک حالت پیوسته در دمایی در محدوده 25 تا 40 درجه سانتیگراد کار می کنند.
  • فتوبیوراکتورها برای کشت فتوسنتزی میکروجلبک ها و سیانوباکتری ها برای تولید محصولاتی مانند آستاگزانتین و بتاکاروتن استفاده می شوند.
Photobioreactor

7- بیوراکتور غشایی

  • این سیستم درمان سنتی را با فیلتراسیون غشایی ترکیب می کند که منجر به حذف مواد آلی و جامدات معلق و همچنین حذف سطوح بالای مواد مغذی می شود.
  • غشاهای این سیستم در یک راکتور بیولوژیکی هوادهی غوطه ور می شوند. اندازه منافذ غشا از 0.035 میکرون تا 0.4 میکرون متغیر است.
  • با اکسیژن خالص، مزایای این بیوراکتور افزایش می‌یابد و در نتیجه سیستم‌های تصفیه بیولوژیکی با سرعت بالاتری ایجاد می‌شود که کنترل فشرده COD، میکروارگانیسم‌ها را فراهم می‌کند.
Membrane bioreactor

کاربردهای بیوراکتور

برخی از کاربردهای مهم بیوراکتور عبارتند از:
نوع بیوراکتور
فرمانتور مخزنی همزن دارآنتی بیوتیک ها، اسید سیتریک، اگزوپلی ساکاریدها، سلولز، آنزیم های کیتینولیتیک، لاکاز، زیلاناز، پکتیک و پکتات لیاز، کشت توده ای بافت، لیپاز، پلی گالاکترونازها، اسید سوکسینیک
فرمانتور ستون حبابیکشت جلبک، آنزیم های کیتینولیتیک
فرمانتور هوا بالاروندهآنتی بیوتیک ها، آنزیم های کیتینولیتیک، اگزوپلی ساکاریدها، اسید جیبرلیک، لاکاز، سلولاز، اسید لاکتیک، پلی گالاکترونازها، کشت انبوه بافت
فرمانتور بستر مایعلاکاز
فرماناتور بستر ثابتلاکاز، هیدروژن، اسیدهای آلی، سلول های پستانداران،
فتوبیوراکتورتصفیه فاضلاب، مدیریت کیفیت آب، اصلاح خاک آلوده
فرمانتور غشاییآلژینات، آنتی بیوتیک، هیدرولیز سلولز، تولید هیدروژن، تصفیه آب، تصفیه VOCs

محدودیت های بیوراکتور

بیوراکتورمحدودیت
بیوراکتور مخزنی همزن دارتنش برشی بالا
مصرف برق بالا
جابجایی قطعات داخلی
بیوراکتور ستونی حبابداربازده فتوسنتزی پایین
بیوراکتور هوا بالاروندهتامین غیر یکنواخت مواد مغذی
اختلاط ناکافی
ویسکوزیته بالا می تواند گردش فله را محدود کند
بیوراکتور بستر مایعذره (گسست) رایج است
افزایش اندازه ظرف رآکتور
پیش بینی بسترهای حباب دار ذرات ریز دشوار است و کارایی کمتری دارند.
دیواره لوله و فرمانتور به دلیل برخورد ذرات فرسایش می یابد
بیوراکتور بستر ثابتگرادیان های حرارتی نامطلوب
کنترل ضعیف دما
تعویض کاتالیزور مشکل است
فتوبیوراکتورمشکلات فروشندگی
نیاز به نگهداری دما دارند زیرا فاقد خنک کننده تبخیری هستند
تمیز کردن دوره ای به دلیل قرار گرفتن در معرض نور
بیوراکتور غشاییبه حداکثر نوردهی نیاز دارید
رشد بیش از حد بیوفیلم منجر به تمیز کردن دوره ای می شود
غشا می تواند با سرعت جریان بالا پاره شود

کیمیا زیست گستر نوین” در راستای ارتقاء تولیدات و سطح علمی کشور مبادرت به واردات و توزیع مواد شیمیایی و مصرفی آزمایشگاهی کرده است. هدف مجموعه ما تأمين مواد و تجهيزات مورد نياز در بخش هاى مختلف آزمايشگاهى، تحقيقاتى، بيمارستانى، صنعتى و … مي باشد.