Bioreaktor, oprócz tego, że jest miejscem, gdzie zachodzą wszystkie procesy prowadzące do powstania pożądanego produktu, zapewnia także odpowiednie środowisko reakcji w warunkach aseptycznych (szczególnie używając mikroorganizmów wrażliwych na inne kultury). Pozwala on również kontrolować inne warunki środowiska takie jak zawartość tlenu, pH i temperaturę. Bioreaktory mogą służyć do oczyszczania ścieków w browarach, mleczarniach, przy produkcji soków, czy w gorzelniach, do oczyszczania ścieków komunalnych, do otrzymywania enzymów, kwasów organicznych czy antybiotyków, do wytwarzania białek leczniczych i do otrzymywania metabolitów wtórnych (w biotechnologii roślin).
Budowa bioreaktorów
Bioreaktor składa się z kilku podstawowych części, a jego budowa zależy od rodzaju mikroorganizmu wykorzystywanego w procesie, od jego wymagań fizjologicznych, np. zapotrzebowania na światło, tlen, rodzaj pożywki, czy metody namnażania (Rycina 1.). Jednak istnieją pewne elementy wyposażenia, bez których biofermentator nie może istnieć. Najprostszym bioreaktorem jest taki, który posiada kadź fermentacyjną oraz kuwety. Kadź reakcyjna (inaczej naczynie hodowlane), najczęściej w cylindrycznym kształcie, wykonana jest ze szkła lub kwasoopornej stali. Te bardziej zaawansowane w budowie i zapewniające lepsze warunki do prowadzenia hodowli i reakcji będą wymagały dodatkowego sprzętu. Jednym z najważniejszych takich elementów jest mieszadło, które umożliwia mieszanie zawartości reaktora, zapewniając tym samym jednorodne, homogenne środowisko, by umożliwić wszystkim komórkom jednakowe dostarczanie składników odżywczych i tlenu, ale również ciągłe “odprowadzanie” ich metabolitów. W zależności od typu bioreaktora mieszadła mogą być napędzane od góry lub od dołu mechanicznie albo magnetycznie. Preferowane są bioreaktory z napędem wbudowanym/stosowanym od dołu, by umożliwić w górnej części wprowadzenie niezbędnych sond, np. kontroli temperatury, pH, rozpuszczonego tlenu, dwutlenku węgla lub umieszczenia portów wlotowych dla kwasów, zasad, piany. Z drugiej jednak strony, mechaniczne wirniki montowane w dolnej części wymagają zastosowania wysokiej jakości uszczelnień mechanicznych, by zapobiec ewentualnemu wyciekowi bulionu. Przegroda wbudowana w zbiornik zapobiega powstawaniu i utrzymywaniu się w nim wiru. Rozpraszacz zapewnia dostarczenie tlenu do hodowli tlenowych komórek. Dodatkowo, przyczynia się do delikatnego mieszania zawartości reaktora, dzięki temu zmniejsza moc potrzebną do utrzymania jednorodnego środowiska w hodowli za pomocą mieszadła. Płaszcz okrywa bioreaktor i stanowi pierścieniowy obszar przepływu stałej temperatury wody, by zapewnić stabilne warunki temperaturowe bioreaktorowi. Pożądana temperatura krążącej wody w płaszczu jest utrzymywana w oddzielnym systemie cyrkulatorowym i ma zapewnić odpowiednio niską lub też wysoką temperaturę w zbiorniku. Płaszcz musi się stykać, lub okrywać bioreaktor na dostatecznie dużej powierzchni, by zapewnić odpowiednią i jak najlepszą (najkorzystniejszą) wymianę ciepła.
Oczywiście oprócz systemów zapewniających odpowiednie warunki, bioreaktor musi w czasie rzeczywistym kontrolować i reagować na ewentualne zmiany środowiska. W związku z tym, biofermentatory są wyposażone w specjalne systemy kontroli. Do pomiaru temperatury służą termoogniwa (inaczej termopary), które wysyłają sygnał do sterownika temperatury. Kontrola pH odbywa się za pomocą sterylnej sondy, która wcześniej została skalibrowana. Sygnał jest mierzony w bioreaktorze i wynik jest porównywany z tym zaprogramowanym, zadanym okresowo, bądź w czasie rzeczywistym. Oprócz systemu kontroli kwasowości/zasadowości środowiska bulionu, on sam ma istotną właściwość – tak zwaną pojemność buforową bulionu. Pojemność buforowa to zdolność danej mieszaniny, roztworu do utrzymywania pH na odpowiednim poziomie. Sonda rozpuszczonego tlenu mierzy jego ilość w pożywce. Bardzo istotna jest również kontrola ilości piany. Bulion reakcyjny zawiera szereg związków organicznych i jest energicznie mieszany, by komórki były przez cały czas utrzymywane w zawiesinie i by zapewnić im wydajne dostarczanie składników odżywczych i tlenu w niej rozpuszczonych. Warunki te powodują powstawanie dużych ilości piany, dlatego istotne jest by na bieżąco kontrolować jej poziom i zbijać jej zbyt dużą ilość.
Typy i podział bioreaktorów
Bioreaktory można podzielić patrząc na różne parametry. Po pierwsze, ze względu na sterylność środowiska reakcji, na sterylne, względnie sterylne i niesterylne. Następnie, ze względu na obecność tlenu lub odpowiednio jego brak (uwzględniając potrzeby używanych mikroorganizmów lub warunki określonego procesu wytwarzania), można je podzielić na aerobowe i anaerobowe. Wyróżnia się również bioreaktory okresowe, półciągłe i ciągłe, które różnią się przepływem pożywki czy jej ewentualną zmianą. Ze względu na sposób prowadzenia procesów fermentacji w bioreaktorze, można je podzielić na bioreaktory do hodowli wgłębnych, bioreaktory z unieruchomionym materiałem biologicznym i bioreaktory do hodowli w podłożu stałym. - Dziś w produkcji leków biopodobnych dominują bioreaktory do hodowli wgłębnej – zaznacza Juris Vanags, prezes w Biotehniskais centrs. - W produkcji wielu substancji stosuje się pojedyncze bioreaktory, które również są w typie hodowli wgłębnej. Oczywiście w zależności od właściwości hodowanych drobnoustrojów, mogą różnić się elementy w tych bioreaktorach – mieszadła, napowietrzacze i różnorodność urządzeń kontrolujących poszczególne, wymagane w hodowli/produkcji parametry.
W zależności od zastosowania bioreaktory mogą mieć różne pojemności. Do produkcji szczepionek wykorzystywane są bioreaktory o pojemności od 0,1 m3 do 1 m3. Produkcja antybiotyków odbywa się w większych bioreaktorach o pojemności od 10 do 100 m3. Większe stosuje się do produkcji aminokwasów i kwasów organicznych (powyżej 150 m3), białek (pojemność do 1000 m3) i w oczyszczalniach ścieków (kadzie mogą przekraczać objętość 10 000 m3). Pożywki używane w bioreaktorach są stałe lub ciekłe (w postaci pasty bądź też płynnej).
Bioreaktory możemy również klasyfikować ze względu na ich budowę. Wyróżniamy mieszadłowe, barbotażowe, typu air lift, ze złożem upakowanym, ze złożem fluidalnym i fotobioreaktory. Bioreaktor mieszadłowy to naczynie w kształcie cylindra z wałem, na którym umieszczone są mieszadła w różnych kształtach. Bioreaktory tego typu stosuje się głównie w produkcji antybiotyków i kwasów organicznych. Bioreaktor barbotażowy odróżnia się tym, że za pomocą perforowanych rur lub płyt od dołu doprowadzane jest powietrze. Takie bioreaktory są najczęściej stosowane w oczyszczaniu ścieków oraz w procesach fermentacyjnych. Bioreaktory typu air lift charakteryzują się swojego rodzaju cyrkulacją wewnętrzną lub zewnętrzną. Objętość cieczy jest podzielona przegrodą na dwie połączone wciąż ze sobą części. Powietrze lub inny gaz doprowadzany jest do jednej części tylko bioreaktora, która nazywana jest strefą wznoszenia, druga to strefa opadania. Bioreaktory ze złożem upakowanym zawierają złoże stałych, stykających się ze sobą cząstek. Cząstki zbudowane są z polimerów ściśliwych lub odpowiednich, sztywniejszych materiałów. Przez immobilizowane cząsteczki przez cały czas przepływa strumień cieczy z substratami niezbędnymi do reakcji. Bioreaktory ze złożem fluidalnym zawierają w sobie cząstki stałe, które są utrzymywane w zawieszeniu przez stały strumień cieczy (fazy płynnej), który przemieszcza się do góry. Jeśli złoża fluidalne w tego typu bioreaktorach zostaną zasilane gazem (np. powietrzem) spowodują trzy fazy – cząstki stałe, ciecz i gaz. Fotobioreaktory są używane do hodowli kultur mikroalg i cyjanobakterii, które fotosyntezują. Kultury te wymagają światła słonecznego lub specjalnie przygotowanego światła sztucznego, dlatego ten typ biofermentatorów zbudowany jest ze specjalnych materiałów, które przepuszczają światło.
Dlaczego warto korzystać z bioreaktorów?
Juris Vanags, podkreśla wiele zalet wynikających z wykorzystywania bioreaktorów: - Główną korzyścią, która płynie wraz z użyciem bioreaktorów jest fakt, że można uzyskać różne substancje zgodnie z potrzebami ludzi za pomocą mikroorganizmów. Produkty tak uzyskane mogą następnie zostać poddane ekstrakcji by uzyskać z nich poszczególne związki. Substancje odzyskiwane z produkcji biotechnologicznych są bardziej przyjazne dla środowiska, a procesy ich produkcji mogą być z powodzeniem stosowane jako alternatywa procesów chemicznych. Ponadto, wiele produktów może być otrzymywane tylko za pomocą mikroorganizmów i produkcji biotechnologicznej – dodaje Juris.
Generalnie, biotechnologiczne metody produkcji wciąż są droższe od tych tradycyjnych, laboratoryjnych. Kiedy zatem zacznie się opłacać firmom rozpoczęcie produkcji z użyciem bioreaktorów? - W laboratorium opłaca się produkować małe ilości związków na potrzeby np. prowadzonych badań – zaznacza Juris Vanags. - Firma poradzi sobie z taką produkcją, o ile jej potrzeby nie będą duże. Ale gdy produktywność zaczyna być stabilna, firma rozpocznie sprzedaż i będzie stabilna zarobkowo (ma stały dochód) warto jest przenieść produkcję z laboratorium do środowiska przemysłowego. W takim przypadku przejście z warunków laboratoryjnych do przemysłu biotechnologicznego może być rozpatrywane w różnych aspektach zarobkowych. Obecnie produkcja na skalę przemysłową może być już stosunkowo w niewielkiej skali – objętość może wynosić około 100 litrów, co z kolei jest zależne od wartości jednostki produktu. Ze względu na nią nie zawsze jest istotne czy produkcja odbywa się w laboratorium, czy w bioreaktorze – komentuje.
O czym powinna wiedzieć firma?
Juris Vanags pytany bezpośrednio o koszty wprowadzenia produkcji biotechnologicznej nie potrafił precyzyjnie odpowiedzieć na to pytanie: - Istnieje wiele czynników, które mają wpływ na takie koszty. Po pierwsze skala uprawy, następnie wymagania produkcji, właściwości użytych związków i substancji pożądanej, wydajność reakcji, warunki środowiskowe itp. W związku z tym, by móc rozpocząć szacowanie kosztów, trzeba najpierw rozpatrzyć wymagania dotyczące konkretnego zastosowania. Co więcej, mimo hodowli podobnych mikroorganizmów, czy komórek, to cena może się różnić w zależności od poziomu technologicznego używanych bioreaktorów – poziomu ich automatyzacji, stopnia zaawansowania rozwiązań, metod projektowania i programowania procesów oraz kraju pochodzenia. Ale należy pamiętać, że Unia Europejska wspiera młode biotechnologiczne firmy. – podkreśla Juris Vanags. - Daje możliwość takim spółkom otrzymywania dotacji na rozwój produktów i projektów. Takie wsparcie może uzyskać firma, która dopiero rozpoczyna działalność, po kilku pierwszych latach firma będzie musiała stanąć na własne nogi i stać się finansowo samowystarczalna działając na rynku. Jednak w Unii Europejskiej w dziedzinie biotechnologii nie jest tak łatwo małym i średnim przedsiębiorcom podbić rynek.
Czym zatem powinien martwić się prezes młodej, nowej spółki usiłując wejść na rynek biotechnologiczny? Przede wszystkim zbytem swoich produktów. Unia Europejska nie będzie pomagała firmom w dalszym rozwoju, wsparcia udziela tylko i wyłącznie na początku działalności wybranym kandydatom. Zakładając, że spółka liczy się z kosztami i decyduje się „wypuścić” swój biotechnologiczny produkt, to jakie jeszcze powinna spełnić wymogi? Okazuje się, że technicznie tylko te określone w dobrej praktyce wytwarzania (z ang. good manufacture practice, GMP – przyp.red.). - Czasami nasi klienci pytają o GMP – zaznacza Juris Vanags. -Aczkolwiek podstawowe wymogi produkcji określają właśnie warunki GMP. Następnie, na podstawie tych wymagań i konkretnego procesu produkcyjnego muszą zostać określone wymagania techniczne stosowanego bioreaktora.
Bioreaktor umożliwia prowadzenie procesów mikrobiologicznych, enzymatycznych czy zwykłej hodowli komórek organizmów wyższych. Dzięki systemom kontroli zapewnia optymalne i najkorzystniejsze środowisko hodowli, czy też reakcji. Pozwala na monitorowanie procesu produkcji, dokonywanie pomiarów oraz regulację parametrów i ich zmienność (o ile proces lub hodowla tego wymagają). Dodatkowo, wszystko to dzieje się w warunkach aseptycznych lub maksymalnie ograniczonych zakażeniem.
KOMENTARZE