En bioreaktor , også kalt en fermenter eller propagator, er en anordning i hvilken mikroorganismer ( gjær , bakterier , mikrosopp, alger , animalske og planteceller ) multipliseres for produksjon av biomasse (økologi) , eller for fremstilling av en metabolitt eller ellers biokonvertering av et molekyl av interesse.
På 1800-tallet demonstrerte Pasteur, Kutzing, Schwann og Cagniard-Latour at gjæring var forårsaket av gjær, som er levende organismer (Hochfeld, 2006). Begrepet "gjæring" tar hensyn til både aerob og anaerob metabolisme. Den består i å multiplisere biomassen til levende mikroorganismer, og muligens bruke metabolismen.
I motsetning til de enklere systemene som brukes til å dyrke mikroorganismer , for eksempel kolber , gjør bioreaktoren det mulig å kontrollere kulturforholdene (temperatur, pH , lufting osv.), Og det gjør det mulig å samle informasjon fra større pålitelighet.
Laboratoriemodeller varierer fra 0,1 til 15 liter. Modellene som brukes til tester for industrialisering (kalt "piloter") varierer fra 20 til 1000 liter, mens de som er beregnet på industriproduksjon kan overstige 1000 m 3 (tilfelle av etanolproduksjon). Engangs bioreaktor modeller har vært på markedet siden 1995, som hovedsakelig brukes for volumer fra milliliter til et par hundre liter.
I vevsteknikk kan begrepet bioreaktor betegne et system som tillater vevskultur. Målet her er ikke å produsere metabolitter, men heller et komplett vev sammensatt av celler og den ekstracellulære matrisen .
En bioreaktor består av:
Bioreaktorer tillater produksjon av mange produkter:
En gjæremaskin er vanligvis bygget etter en bioreaktormodell uten et luftingssystem. Innen bioteknologi brukes begrepet fermenter noen ganger uten noen forskjell fra bioreaktorens. Det gjør det mulig å skille kulturtypen (bakterier, gjær for en gjæringsmiddel og dyreceller for en bioreaktor).
Bioreaktorer er generelt bygget på de samme modellene som kjemiske reaktorer .
Det er forskjellige kontrollmåter for fôring og uttak av kulturmedium fra bioreaktorer, både tradisjonelle og engangsbruk. Alle disse modusene kan brukes avhengig av typen engangs bioreaktor.
Tanken er fylt med det steriliserte dyrkningsmediet, deretter inokulatet. Gjæring skjer da uten tillegg av medium. Volumet forblir konstant og produktiviteten er relativt lav. Ved slutten av gjæringen tømmes gjæreren og innholdet erstattes (Carmaux, 2008).
Veksten starter raskere ettersom kulturvolumet kan reduseres. Den oppnådde konsentrasjonen kan da være høyere enn i batch-modus. Når veksten er i den stasjonære fasen, tilsettes sterilt dyrkningsmedium. Volumet i tanken øker deretter over tid. Strømningshastigheten justeres slik at substratkonsentrasjonen er konstant i tanken og at fortynningseffekten ikke hemmer produksjonen av biomasse. Når tanken er full, blir strømforsyningen avbrutt: røret er i diskontinuerlig modus. Matet batch tillater i praksis en tidsbesparelse, en økning i produktivitet og en mulighet for modifisering av mediet under kultur (Carmaux, 2008). Men risikoen for forurensning er høy (Eibl og Eibl, 2009).
Tilsetningen av sterilt medium og uttaket begynner når cellene går inn i den stasjonære vekstfasen. Suspensjonen er homogen på alle punkter i tanken. Fôring og trekking skjer i samme hastighet når en viss cellekonsentrasjon er nådd i tanken. I teorien er det ikke nødvendig å tømme tanken. Imidlertid krever mutasjoner og forurensninger at de tømmes. Produktiviteten er mye høyere enn i batch-modus (Carmaux, 2008).
KonsentrasjonsgradientGjæringen foregår i en rørformet reaktor, der dyrkningsmediet beveger seg samtidig som gjæringen finner sted. Hver volumenhet tilsvarer en reaksjonsfase (Carmaux, 2008).
Resirkulering av biomasseDyrkningsmediet fjernes utarmet i celler. Disse tas ikke og forblir inne i gjæreren. Dette systemet kalles også perfusjon med resirkulering av celler (Carmaux, 2008). Prinsippet for perfusjon kan brukes for effektive volum av medium som spenner fra 25 til 500 L uten å ha en negativ effekt på cellevekst eller proteinproduksjon. Perfusjonssystemet gir muligheten for å dyrke pasientspesifikke celler med høy tetthet. Denne teknologien brukes allerede til produksjon av glykoproteiner, virus og vaksiner (Brecht, 2010).
Membran bioreaktorDenne prosessen brukes i stor skala hovedsakelig for behandling av avløpsvann (Guo-min et al., 2004; Aileen og Albert, 2007; Stricot, M., 2008; Barrios-Martinez, A., 2006).