Wat zijn bioreactoren en fermentoren?
Bioreactoren en fermentoren zijn kweeksystemen om cellen of organismen te produceren. Zij worden gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder fundamenteel onderzoek en ontwikkeling, en de vervaardiging van biofarmaceutica, levensmiddelen en levensmiddelenadditieven, chemicaliën en andere producten.
In bioreactoren en fermentoren kan een breed scala van celtypes en organismen worden gekweekt, waaronder cellen (zoals zoogdiercellijnen, insectencellen en stamcellen), micro-organismen (zoals bacteriën, gisten en schimmels), alsmede plantencellen en algen. De woorden “Bioreactor” en “Fermenter” zijn eigenlijk hetzelfde.
Chemicaliën en materialen uit hernieuwbare grondstoffen, zoals biomassa, zullen steeds belangrijker worden in de circulaire economie van de toekomst. Omzettingstechnologie op basis van vergisting wordt daarbij het belangrijkste onderdeel.
Fermentatie is de vertering van suikers in biomassa door geselecteerde micro-organismen, waarbij bepaalde chemicaliën en soms CO2 worden geproduceerd. Denk bijvoorbeeld aan de productie van wijn. De productie van ethanol (alcohol) is een zeer goed ontwikkelde toepassing van de fermentatietechnologie. Er wordt bijvoorbeeld al op grote schaal bio-ethanol uit biomassa geproduceerd. Niet voor menselijke consumptie, maar voor duurzame biobrandstoffen. Fermentatie wordt ook al lang commercieel gebruikt in de voedingsindustrie en bij de productie van melkzuur.
Beluchting / Vergassing
Het doel van beluchting bij gisting is de toevoer van zuurstof en de verwijdering van kooldioxide uit de microbiële cellen in de vloeistof. De hoeveelheid beluchting is van groot belang, aangezien deze de snelheid van de celgroei en de productvorming bepaalt.
Het mengen van de gas- en de vloeistoffase beïnvloedt de beluchtingseigenschappen van de vergister.
De volgende soorten beluchting worden toegepast:
- Sparged fermentoren met een roerwerk,
- Bubble kolom fermentor,
- Loop fermenters.
In de Sparged fermentor met een roerwerk wordt gas, meestal lucht, in de vloeistof gespoten, die vervolgens door het roerwerk wordt geroerd. Dit is het meest voorkomende type vergister. In dit proces is het roerwerk van grote invloed op het fermentatieproces; dergelijke fermentoren worden het meest gebruikt voor diverse aërobe fermentaties.
De bellenkolom is een cilindrisch vat dat een vloeistof bevat waar gas doorheen borrelt; deze kan continu werken met tegen- of gelijkstroom van vloeistof of gas.
In de lusfermentor wordt de vloeistof gerecirculeerd door het verschil in gemiddelde dichtheid van de bouillon tussen het vergaste en het nietvergaste gedeelte of door middel van een pomp of een vloeistofstraal.
Bioreactoren
Een bioreactor is een gefabriceerd apparaat of systeem dat een biologisch actieve omgeving ondersteunt. De bioreactor kan een vat zijn waarin een biochemisch proces wordt uitgevoerd waarbij organismen of biochemisch actieve stoffen afkomstig van dergelijke organismen betrokken zijn.
Dit proces kan ofwel:
- Aerobic of
- Anaëroob
Bioreactorvaten zijn gewoonlijk cilindervormig, variërend in grootte van liters tot kubieke meters, en zijn vaak gemaakt van roestvrij staal. Het kan ook verwijzen naar een apparaat of systeem dat ontworpen is om cellen of weefsels te kweken in de context van celcultuur. Deze hulpmiddelen worden ontwikkeld voor gebruik bij weefselmanipulatie of biochemische/bioprocestechniek.
Algemene structuur van een continu roerende bioreactor
Op basis van de werkingswijze kan een bioreactor worden ingedeeld als batch-, gevoede batch- of continue reactor (bijvoorbeeld een model van een continue geroerde tank).
Organismen of biochemisch actieve stoffen die in bioreactoren groeien, kunnen ondergedompeld zijn in een vloeibaar medium of verankerd zijn aan het oppervlak van een vast medium. Ondergedompelde culturen kunnen worden gesuspendeerd of geïmmobiliseerd. Suspensiebioreactoren kunnen een grotere verscheidenheid aan organismen ondersteunen, aangezien er geen speciale hechtingsoppervlakken nodig zijn, en kunnen op een veel grotere schaal werken dan geïmmobiliseerde culturen. In een continu proces worden de organismen echter met het effluent uit de reactor verwijderd. Immobilisatie is een algemene term voor een breed scala van methoden om cellen of deeltjes vast te zetten of op te sluiten. Zij kan worden toegepast op vrijwel alle soorten biokatalyse, met inbegrip van enzymen, cellulaire organellen, dierlijke en plantaardige cellen en organen. Immobilisatie is nuttig voor continu werkende processen, aangezien de organismen niet worden verwijderd met het effluent van de reactor, maar is beperkt in schaal omdat de microben alleen aanwezig zijn op de oppervlakken van het vat.
Bioreactoren met roerwerken maken gebruik van de procestechniek van het kweken in de bioreactor zelf door mengen of roeren .
Een stirred-tank bioreactor systeem bestaat uit verschillende onderdelen zoals:
- Reactorvat dat gevuld is met medium waarin cellen worden gekweekt.
- Onderdelen in of aan het vat of de kop van het vat om de kweekomstandigheden te meten en aan te passen, zoals voedingsleidingen en sensoren.
- Bioreactoren, bestaande uit externe componenten die worden gebruikt om de kweekomstandigheden aan te passen (bijvoorbeeld pompen) en besturingssoftware die optimale kweekomstandigheden creëert, zoals incubators en shakers, maken het mogelijk optimale milieuomstandigheden te creëren voor de groei van cellen of microben. Zij verschillen echter in de wijze waarop deze worden vastgesteld.
- Koelmantel met temperatuursensoren
En als laatste, maar zeker niet de minste:
- Agitator of Mixer; in de bioreactor waarin de cultuur wordt geroerd met een reeks mengelementen. De meest toegepaste mengelementen in gistingsprocessen zijn Rushton Turbines of Concave Turbines.
Deze mengelementen hebben 2 verschillende mengtaken:
- Het beluchtingsproces verbeteren
- Zorg voor een opwaartse stroming zodat alle delen van het vat continu worden gemengd.
In een bioreactor worden niet alleen voortdurend bacteriële, gist- en suspensiecelculturen gemengd, maar ook culturen van adherente cellen die aan een groeimatrix zijn bevestigd.
De temperatuur van het kweekmedium wordt voortdurend gecontroleerd met een temperatuursensor. Om dit te regelen is het vat uitgerust met een mantel die geschikt is voor verwarming of koeling.
Door aërobe omstandigheden te creëren, wordt zuurstof uit de omgevingslucht overgedragen naar het kweekmedium.
Dit proces is efficiënter wanneer mixers of roerders worden toegepast, aangezien deze de blootstelling van het vloeistofoppervlak vergroten.
In het reactorvat geplaatste schotten
Een reactorvat met schotten kan de agitatie van een gistingsbouillon verhogen en de reactietijd van het substraat in de reactor verlengen, waardoor de waterstofproductie en de energieomzettingssnelheid verbeteren. Het is daarom gebruikelijk om schotten toe te passen in reactorvaten met roerwerken.
Wilt u meer weten over Jongia ’s fermentatieproces of Bioreactoren, Rushton Turbine, de Concave Turbine of andere mengelementen van Jongia Mixing Technology?
Bezoek gerust de website om meer te lezen op onze technologiecentrum pagina of Rushton mengelement productpagina.
Wilt u een Mixing Specialist spreken? Neem gerust contact met ons op via Info@www.jongia.com
We praten graag met u over de meest uitdagende mengoplossingen!
Contacteer ons gespecialiseerde team voor al uw vragen
Tom Pruymboom
Sales Director
Area Worldwide
Bart Brouwer
Area Sales Manager
Area Worldwide
Gerelateerde Artikelen
VVTI Biogas Tilburg
VTTI Biogas Tilburg ontwikkelt een nieuwe bio-energie faciliteit, gericht op de verwerking van organisch afval. De fabriek zal naar verwachting jaarlijks ongeveer 23 miljoen kubieke meter biogas produceren. Een deel hiervan zal worden omgezet in groen gas voor het Nederlandse
Homogeniseren en koelen bij de productie van zuivelroomproductie
Jongia’s cup mixer gebruiken Homogeniseren is een standaardprocedure die wordt gebruikt bij de productie van zuivelroom om te zorgen voor een consistente verdeling van vetbolletjes in zowel melk als room. Dit proces, dat wordt bereikt door een hogedrukhomogenisatieapparaat, breekt vetbolletjes
Tutorial: Rushton Turbine vs Concave Turbine
Wij zijn verheugd om namens Jongia Mixing Technology aan te kondigen dat we zojuist een nieuwe tutorial hebben gelanceerd op onze website! Deze keer nemen we je mee in de mengtechnologie met een diepgaande vergelijking tussen de ‘’Rusthon Turbine en
