Was sind Bioreaktoren und Fermenter?
Bioreaktoren und Fermenter sind Kultursysteme zur Herstellung von Zellen oder Organismen. Sie werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, unter anderem in der Grundlagenforschung und -entwicklung sowie bei der Herstellung von Biopharmazeutika, Lebensmitteln und Lebensmittelzusatzstoffen, Chemikalien und anderen Produkten.
In Bioreaktoren und Fermentern kann ein breites Spektrum an Zelltypen und Organismen kultiviert werden, darunter Zellen (wie Säugetierzelllinien, Insektenzellen und Stammzellen), Mikroorganismen (wie Bakterien, Hefen und Pilze) sowie Pflanzenzellen und Algen. Die Begriffe „Bioreaktor“ und „Fermenter“ sind im Grunde dasselbe.
Chemikalien und Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen, wie z.B. Biomasse, werden in der Kreislaufwirtschaft der Zukunft zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die Technologie der Fermentationsumwandlung wird dabei der wichtigste Teil dieses Prozesses sein.
Bei der Fermentation wird der Zucker in der Biomasse durch ausgewählte Mikroorganismen verdaut, wobei bestimmte Chemikalien und gelegentlich CO2 entstehen. Denken Sie zum Beispiel an die Herstellung von Wein. Die Herstellung von Ethanol (Alkohol) ist eine sehr gut entwickelte Anwendung der Fermentationstechnologie. So wird beispielsweise Bioethanol bereits in großem Umfang aus Biomasse hergestellt. Nicht für den menschlichen Verzehr, sondern für nachhaltige Biokraftstoffe. Die Fermentation wird seit langem auch in der Lebensmittelindustrie und bei der Milchsäureproduktion kommerziell genutzt.
Belüftung/Vergasung
Der Zweck der Belüftung bei der Gärung ist die Zufuhr von Sauerstoff und die Entfernung von Kohlendioxid aus den in der Flüssigkeit suspendierten mikrobiellen Zellen. Die Höhe der Belüftung ist von großer Bedeutung, da sie die Geschwindigkeit des Zellwachstums und der Produktbildung steuert.
Die Vermischung der Gas- und Flüssigphase beeinflusst die Belüftungseigenschaften des Fermenters.
Die folgenden Arten der Belüftung werden angewandt:
- Abgefüllte Fermenter mit Rührwerk,
- Blasensäulenfermenter,
- Schlaufenfermenter.
Beim Sparged Fermenter mit Rührwerk wird Gas, in der Regel Luft, in die Flüssigkeit eingeleitet, die dann vom Rührwerk gerührt wird. Dies ist die häufigste Art von Fermentern. Bei diesem Verfahren hat das Rührwerk einen großen Einfluss auf den Fermentationsprozess. Solche Fermenter werden am häufigsten für verschiedene aerobe Fermentationen verwendet.
Die Blasensäule ist ein zylindrischer Behälter, der eine Flüssigkeit enthält, durch die Gas geblasen wird; sie kann kontinuierlich mit Flüssigkeits- oder Gasströmen im Gegen- oder Gleichstrom betrieben werden.
Im Loop-Fermenter wird die Flüssigkeit durch die Differenz der durchschnittlichen Dichten der Brühe zwischen dem begasten und dem unbegasten Teil oder durch eine Pumpe oder einen Flüssigkeitsstrahl umgewälzt.
Bioreaktoren
Ein Bioreaktor ist ein hergestelltes Gerät oder System, das eine biologisch aktive Umgebung unterstützt. Der Bioreaktor kann ein Gefäß sein, in dem ein biochemischer Prozess mit Organismen oder biochemisch aktiven Substanzen aus solchen Organismen durchgeführt wird.
Dieser Prozess kann entweder sein:
- Aerobic oder
- Anaerob
Bioreaktorbehälter sind in der Regel zylindrisch, haben eine Größe von Litern bis zu Kubikmetern und sind häufig aus Edelstahl gefertigt. Er kann sich auch auf ein Gerät oder System beziehen, das für die Züchtung von Zellen oder Geweben im Rahmen der Zellkultur bestimmt ist. Diese Geräte werden für den Einsatz in der Gewebezüchtung oder in der Biochemie/Bioverfahrenstechnik entwickelt.
Allgemeiner Aufbau eines kontinuierlich gerührten Bioreaktortyps
Je nach Betriebsweise kann ein Bioreaktor als Batch-, Fed-Batch- oder kontinuierlicher Reaktor (z. B. ein kontinuierlicher Rührkesselreaktor) klassifiziert werden.
Organismen oder biochemisch aktive Substanzen, die in Bioreaktoren wachsen, können in ein flüssiges Medium eingetaucht oder an der Oberfläche eines festen Mediums verankert sein. Submerse Kulturen können suspendiert oder immobilisiert werden. Suspensionsbioreaktoren können eine größere Vielfalt von Organismen aufnehmen, da keine speziellen Anheftungsflächen benötigt werden, und können in einem viel größeren Maßstab betrieben werden als immobilisierte Kulturen. Bei einem kontinuierlich betriebenen Verfahren werden die Organismen jedoch mit dem Abwasser aus dem Reaktor entfernt. Immobilisierung ist ein allgemeiner Begriff, der eine Vielzahl von Methoden zur Befestigung oder zum Einschluss von Zellen oder Partikeln beschreibt. Sie kann grundsätzlich auf alle Arten der Biokatalyse angewendet werden, einschließlich Enzymen, Zellorganellen, tierischen und pflanzlichen Zellen und Organen. Die Immobilisierung ist für kontinuierlich betriebene Prozesse nützlich, da die Organismen nicht mit dem Reaktorabfluss entfernt werden, ist aber in ihrem Umfang begrenzt, da die Mikroben nur auf den Oberflächen des Behälters vorhanden sind.
Bei Bioreaktoren mit Rührwerken wird die Verfahrenstechnik der Kultivierung im Bioreaktor selbst durch Mischen oder Rühren genutzt.
Ein Rührkessel-Bioreaktorsystem besteht aus mehreren Teilen wie z. B.:
- Reaktorgefäß, das mit dem Medium gefüllt ist, in dem die Zellen kultiviert werden.
- Bauteile im oder am Gefäß oder Gefäßkopf zur Messung und Einstellung der Kultivierungsbedingungen, wie z. B. Zuführungsleitungen und Sensoren.
- Ein Steuerungssystem, das externe Komponenten zur Einstellung der Kultivierungsbedingungen (z. B. Pumpen) und Steuerungssoftware zur Schaffung optimaler Kultivierungsbedingungen wie Inkubatoren und Schüttler umfasst, ermöglicht die Schaffung optimaler Umweltbedingungen für das Wachstum von Zellen oder Mikroben. Sie unterscheiden sich jedoch in der Art und Weise, wie diese festgelegt werden.
- Kühlmantel mit Temperatursensoren
Und schließlich, aber sicher nicht zuletzt:
- Rührwerk oder Mischer; im Bioreaktor, in dem die Kultur mit einer Reihe von Mischelementen gerührt wird. Die am häufigsten verwendeten Mischelemente in Fermentationsprozessen sind Rushton-Turbinen oder Concave turbinen.
Diese Mischelemente haben 2 verschiedene Mischaufgaben:
- Verbesserung des Belüftungsprozesses
- Erzeugen Sie einen Aufwärtsstrom, um sicherzustellen, dass alle Teile des Gefäßes kontinuierlich gemischt werden.
In einem Bioreaktor werden nicht nur Bakterien-, Hefe- und Suspensionszellkulturen ständig gemischt, sondern auch Kulturen von adhärenten Zellen, die an einer Wachstumsmatrix befestigt sind.
Die Temperatur des Kulturmediums wird kontinuierlich mit einem Temperatursensor überwacht. Zu seiner Regulierung ist das Gefäß mit einem Mantel ausgestattet, der zum Heizen oder Kühlen geeignet ist.
Bei der Herstellung aerober Bedingungen wird Sauerstoff aus der Umgebungsluft in das Kulturmedium übertragen.
Dieser Prozess ist effizienter, wenn Mischer oder Rührwerke eingesetzt werden, da diese die Flüssigkeitsoberfläche besser belichten.
Leitbleche im Inneren des Reaktorbehälters
Ein Reaktorbehälter, der mit Schikanen ausgestattet ist, kann die Bewegung einer Fermentationsbrühe erhöhen und die Reaktionszeit des Substrats im Reaktor verlängern, wodurch sich die Leistung der Wasserstoffproduktion und die Energieumwandlungsrate verbessern. Daher werden in Reaktorbehältern mit Rührwerken in der Regel Schikanen eingesetzt.
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