بیوراکتور

بیوراکتور

بیوراکتور به هر وسیله یا سیستمی گفته می شود که از یک محیط بیولوژیکی فعال پشتیبانی می کند، این وسایل و سیستم ها می تواند طبیعی باشد و یه مهندسی شده و بطور مصنوعی ساخته شده باشند. به زبان ساده تر، راکتورهای زیستی (Bioreactor)، راکتورهای شیمیایی هستند که واکنش های زیستی را شبیه سازی می کنند.

این راکتورهای زیستی، محیط و شرایطی را فراهم می کنند تا موجودات زنده ای مثل میکروارگانیسم ها قادر به انجام فرآیندهای شیمیایی و بیوشیمیایی در آنها باشند.

شکل این بیوراکتورها عموما استوانه ای و از جنس استیل ضد زنگ است. اندازه و حجم آنها بسته به نوع استفاده متغیر بوده و از چند لیتر تا چندین مترمکعب را شامل می شود. یکی از مهمترین کابردهای این راکتورها، ایجاد شرایط مناسب برای رشد سلول ها و بافت ها در کشت سلولی است.

 

 

 

طبقه بندی بیوراکتورها

نوع عملکرد راکتورهای زیستی با هم متفاوت است، بر این اساس رکتورهای زیستی به دسته اصلی طبقه بندی  می شوند:

• Batch
• Fed-Batch
• Continuous (پیوسته)

.

طراحی بیوراکتور

رشته مهندسی بیوشیمی کار طراحی راکتور زیستی که نسبتا پیچیده ای است را برعهده دارد. در شرایط بهینه ، میکروارگانیسم ها یا سلول ها قادرند عملکرد تولیدی مناسب را  با میزان محدودی ناخالصی انجام دهند. شرایط محیطی موجود در داخل بیوراکتور مانند دما ، غلظت مواد مغذی ، pH و گازهای محلول (بویژه اکسیژن برای تخمیرهای هوازی) بر رشد و بهره وری موجودات زنده تأثیر می گذارد.

مواد مغذی ممکن است به طور مداوم به دستگاه تخمیر اضافه شود ، مانند یک سیستم  Fed- Batch، یا ممکن است در ابتدای تخمیر وارد راکتور شود. pH محیط بسته به نوع تخمیر ، با مقادیر کمی اسید یا باز اندازه گیری و تنظیم می شود. برای تخمیر هوازی و حتی برخی تخمیرهای بی هوازی، گازهای واکنش دهنده بویژه اکسیژن باید به محیط تخمیر اضافه شوند. گازی مانند اکسیژن به دلیل محلول نبودن در آب باید دائما به محیط تخمیر تزریق شود. اضافه شدن اکسیژن خالص ایجاد حباب کرده که  علاوه بر کمک به  مخلوط شدن بهتر محیط سبب خروج گازهای اضافی مانند دی اکسید کربن می شود.

 

 

اکثر رکتورها دارای شرایط ایجاد فشار هستند، این فشار ایجاد شده در داخل راکتور سبب افزایش میزان حلالیت اکسیژن در محیط می شود. وجود همزن برای راکتورها به منظور مخلوط کردن مواد مغذی و نیز حفظ محیط همگن تخمیر ، لازم است. علاوه بر این، همزن ها به انتقال اکسیژن به محیط نیز کمک می کنند. در طراحی راکتورهای زیستی از همزن های گازی نیز استفاده شده است که وظیفه مهم آن شکستن حباب های ایجاد شده و گردش آنها در کل محیط است.

طراحی بیوراکتورهای باید به گونه ای باشد که به راحتی قابل شستشو باشند زیرا رسوب گذاری به مبدل های حرارتی آسیب رسانده و عملکرد و بهره وری کلی بیوراکتور را نیز کاهش می دهد. سطوح داخلی از فولاد زنگ زنگ ( استیل ضدزنگ) ساخته شده که براحتی قابل تمیزکاری و شستشو است. بطور معمول بیوراکتورها بعد از هر سری فعالیت تمیز می شوند، در غیر این صورت باید به گونه ای طراحی شوند که در هنگام کار مداوم، میزان رسوب گذاری به حداقل ممکن برسد.

انتقال حرارت بخش مهمی از طراحی بیوراکتور است. سیستم های کوچک را می توان با یک ژاکت خنک کننده خنک کرد ، اما سیستم های  بزرگتر ممکن است نیاز به کویل یا مبدل حرارتی خارجی داشته باشند.

.

انواع بیوراکتورها

بیوراکتورهای نوری  PBR – Photo Bioreactors

نوعی راکتور زیستی است که از منبع نوری استفاده می کند، این منابع نوری می تواند نور خورشید و یا نورهای مصنوعی باشد. ظرف راکتور نوری باید حتما شفاف باشد تا امکان انتقال نور به محیط فراهم شود. این نوع از راکتور برای رشد میکروارگانیسم های نور زی (Phototropic) مانند سیانو باکتری ها، خزه ها و جلبکها استفاده می شود. این موجودات از نور به عنوان منبع تغذیه و انرژی استفاده کرده و نیازی به چربی و قند ندارند. این ویژگی سبب شده امکان آلودگی راکتورهای نوری بوسیله باکتریها، قارچ ها و  میکروارگانیسم های هتروتروف  به حداقل برسد.

 

 

بیوراکتورهای تصفیه فاضلاب

همانطور که از نامش پیداست، این راکتور زیستی برای تصفیه پساب ها و فاضلاب طراحی شده است. این راکتور دارای محیطی است که باکتری های فاضلاب خوار را کشت و پرورش می دهد. از آنجایی که این باکتری ها هوازی هستند برای تجزیه فاضلاب به هوادهی منظم نیاز دارند. مخلوط کن ها در این راکتورهای زیستی تصفیه فاضلاب با فرو رفتن در آب وظیفه مخلوط کردن باکتری و مواد آلی موجود در فاضلاب را بر عهده دارند.

.

بیوراکتورهای بافت های تخصصی

بسیاری از سلول ها و بافت ها به ویژه مربوط به پستانداران نیاز به سطح و ساختار متفاوتی برای رشد دارند. محیط های آشفته و متلاطم نه تنها اثر مثبتی بر رشد نداشته بلکه سبب تخریب بافت و سلول های نیز می شود. بافت ها و سلول های موجودات عالی به محیط های کاملا تخصصی برای رشد احتیاج دارند.

از آنجایی که هدف استفاده از راکتور زیستی در این موارد اغلب درمانی است، محیط ها و سیستم هایی که برای اهداف صنعتی مانند رشد سیستم های بیان پروتئین مثل مخمر و باکتری مورد استفاده قرار می گیرد، کاربردی ندارد و باید راکتورهای زیستی با طراحی کاملا متفاوت مورد استفاده قرار بگیرد.

 

 

بسیاری از گروه های تحقیقاتی، بیوراکتورهای جدیدی با ساختار داربست مانند ایجاد کردند که بطور تخصصی برای رشد سلول و بافت ها طراحی شده است. این حرکت، تلاشی به منظور بازآفرینی ساختار بافت مانند اندام در شرایط درون شیشه ای است. از جمله این موارد می توان به بیوراکتور بافتی بافت عضله اسکلتی قلب ، رباط ها ، مدل های بافت سرطانی و سایر موارد اشاره کرد.

یکی از چالش ها و زمینه های کاری و تحقیقاتی این بخش، تولید راکتورهای زیستی تخصص یافته در مقیاس صنعتی است که هنوز فعالیت و تحقیقات چندانی روی آن انجام نشده است.

نویسنده: محمد خیاط تهرانچی، کارشناس ارشد بیوتکنولوژی