Utformningen av bioreaktorer bestäms i första hand av metoden för energiförsörjning och luftning av mediet. Baserat på dessa kriterier kan bioreaktorer kategoriseras i följande typer:
- Bioreaktorer med energitillförsel till gasfasen
- Bioreaktorer med energitillförsel till vätskefasen
- Bioreaktorer med kombinerad energiförsörjning
Bioreaktorer med energiförsörjning till gasfasen
I denna typ av bioreaktor utförs luftning och blandning av odlingsmediet med hjälp av tryckluft, som införs i systemet under ett specifikt tryck. Dessa inkluderar:
- Bubblande reaktorer: Luft tillförs genom bubblande enheter placerade längst ner på apparaten, vilket säkerställer effektivt gasutbyte.
- Airlift-bioreaktorer (diffusor-baserade): Dessa innehåller en inre cylinder-diffusor som underlättar blandning av substratet och luft, som kommer in genom distributionsrör i den nedre delen av systemet.
- Rörformiga (gaslyft) bioreaktorer: Dessa består av en skal-och-rörstruktur, där vätskan rör sig uppåt genom en luftström, kommer in i en separator och återvänder för recirkulation.
- Bioreaktorer för luftdistribution av munstycken: Utrustade med munstycken för lufttillförsel vid den nedre delen och en diffusor ovanför, vilket säkerställer intern vätskecirkulation.
- Bioreaktorer av kolumntyp: Cylindriska kolonner segmenterade av horisontella plattor, där luftbubblor passerar genom varje vätskeskikt, vilket möjliggör motströmsrörelse av vätske- och gasfaserna.
Bioreaktorer med energiförsörjning till vätskefasen
I dessa system införs energi direkt i vätskefasen, med anmärkningsvärda konstruktioner inklusive:
- Självsugande turbinapparat: Bestående av en cylindrisk diffusor och en omrörare med ihåliga blad, genererar detta system ett vakuum under rotation, som drar in luft för att främja vätskecirkulation.
- Turbo-ejektoromrörare: Med vertikala skiljeväggar som delar upp bioreaktorn i sektioner, som var och en innehåller en självsugande turbinomrörare och en diffusor, vilket underlättar vätskerörelse mellan sektioner.
Bioreaktorer med kombinerad energiförsörjning
Dessa bioreaktorer integrerar energiförsörjning till både gas- och vätskefasen, vilket säkerställer optimerad luftning och blandning. Systemet består typiskt av ett cylindriskt kärl utrustat med både en mekanisk omrörare och en bubblare, placerade under omrörarens nedre skikt.
Bioreaktorklassificering genom blandningsmetod
Bioreaktorer kan också klassificeras baserat på deras blandningsmekanismer:
- Mekanisk blandning: Använder ett centralt skaft och olika formade blad. Luftning kan förbättras genom bubbling, med en mekanisk vibrator som hjälper till att sprida luft till fina bubblor.
- Pneumatisk blandning: Blandning och luftning förbättras genom roterande skivor med perforeringar eller bottenpropellrar. Vissa mönster har en diffusor placerad ovanför bubblaren.
- Cirkulerande blandning: Har pumpar eller ejektorer som genererar ett riktat vätskeflöde genom en sluten krets. Vissa modeller kombinerar pneumatisk och cirkulerande blandning, såsom ”fallande jet” och ”submerged jet”-system, samt ejektorbaserad blandning. Cirkulerande system innehåller ofta fasta förpackningsmaterial för att förbättra blandningseffektiviteten.
Strukturella och operativa överväganden
Bioreaktorer är vanligtvis cylindriska, hermetiskt förseglade behållare, med ett förhållande mellan höjd och diameter på 2:1 eller 2,5:1. Rostfritt stål är det föredragna materialet för konstruktion, vilket säkerställer hållbarhet och sterilitet. Temperaturreglering uppnås genom ett dubbelt hölje eller värmeväxlare av batterityp.
Sterilitets- och prestandaöverväganden
Att bibehålla sterilitet är avgörande för bioreaktordrift. För att uppnå detta är bioreaktorer designade för att vara lufttäta, med alla rörledningar och inre ytor tillgängliga för ångsterilisering vid hög temperatur. Arbetsvolymen för en bioreaktor överstiger vanligtvis inte 70 % av den totala kapaciteten.
Valet av bioreaktor beror på de specifika kraven för den biotekniska processen, inklusive mikroorganismens natur, mediumegenskaper och ekonomisk genomförbarhet. För aeroba processer är luftningseffektiviteten avgörande. Syreöverföringshastigheter måste optimeras genom att utvärdera balansen mellan syreintag från gasfasen och dess massöverföring till det flytande mediet, såväl som syreförbrukning av mikroorganismer och dess avlägsnande från systemet.
Hastigheten för syreöverföring från gasfasen till vätskefasen definieras av den volymetriska absorptionshastigheten och kan uttryckas med ekvationen:
dC/dt = KLa (Cp – C),
där:
- KLa är den volymetriska massöverföringskoefficienten vid gränssnittet mellan gas och vätska,
- Cp representerar jämviktssyrekoncentrationen i mediet,
- C är den faktiska momentana syrekoncentrationen i mediet.
Genom att optimera dessa parametrar kan bioreaktorer uppnå effektiv massöverföring, vilket säkerställer optimal mikrobiell tillväxt och bioprocessprestanda.
