Bioreactoare

Principalul scop al biotehnologiei este obţinerea de produse sau servicii utile activităţii umane, cu ajutorul organismelor vii.

Procesul de bază în biotehnologie este „procesul biologic", după cum procesul de bază în tehnologia chimică este „procesul chimic". Spaţiul în care se desfăşoară o reacţie sau un proces chimic se numeşte „reactor chimic". In mod asemănător, spaţiul în care se desfăşoară un proces biologic se numeşte bioreactor.

'Deşi procesul de bază din tehnologia de biosinteză este „procesul biologic", el aparţine, totuşi, domeniului ingineriei biochimice, care se ocupă de studiul proceselor de fermentaţie aerobă şi anaerobă, al reacţiilor enzimatice, precum şi de procese specifice industriei fermentative, cum ar fi: sterilizarea, . pasteurizarea, liofilizarea, uscarea prin atomizare, izolarea şi purificarea produselor extrase din mediile biologice.

Descoperirile succesive şi dezvoltarea spectaculoasă a biotehnologiei au favorizat atât studiul aprofundat al proceselor implicate, cât şi al aparaturii utilizate, în principal, al bioreactoarelor. S-a născut astfel „bioingineria", care studiază bioprocesele sub toate aspectele (modul de desfăşurare, cinetică, transfer de masă şi căldură), oferind soluţii de optimizare a procesului biotehnologie.

În bioreactor, transformarea materiilor prime este realizată de sistemul enzimatic al microorganismelor vii, al celulelor animale şi vegetale sau de enzimele izolate din acestea. Reuşita experimentului biotehnologie depinde în cea mai mare măsură de condiţiile optime de creştere a microorganismelor create în bioreactor. Celulele se luptă continuu cu modificările din mediul înconjurător, astfel încât să obţină şi să-şi menţină condiţiile optime de creştere. într-un bioreactor, această tendinţă a celulelor este asistată, este controlată în mod continuu. Reactorul trebuie să asigure aprovizionarea continuă a celulelor cu mijloacele necesare creşterii sau producerii de metaboliţi, asigurând pe cât este posibil valorile optime pentru pH, temperatură, concentraţia substratului, concentraţiile în săruri minerale, factorii de creştere şi pentru concentraţia în oxigen.

În legătură cu reactorul în care trebuie să aibă loc procesul biologic sau biochimic, apar următoarele probleme importante:

• care este cel mai bun reactor pentru o transformare biochimică dată;

• cum se calculează mărimea şi volumul interior util, alte elemente constructive al bioreactorului;

• care sunt condiţiile optime de operare, astfel încât bioreactorul să realizeze performanţele dorite.

Fenomenele care au loc în bioreactor au un caracter complex, datorită interdependenţei fenomenelor de transfer cu cele biochimice. Analiza procesului trebuie să ia în considerare, pe lângă reacţiile biochimice propriu-zise, şi fenomenele fizice cu care acestea interacţionează şi anume: curgerea, transferul de masă şi transferul de căldură, prezente în orice reactor industrial. Descrierea cantitativă a acestor fenomene furnizează ecuaţiile cu ajutorul cărora bioreactorul poate fi analizat, optimizat, dimensionat, reglat.

Pentru a micşora riscul în procesul de realizare la scară industrială a unui proces biotehnologic stabilit în laborator, este necesară construirea unei instalaţii pilot care să furnizeze informaţii intermediare şi foarte utile pentru proiectul industrial; trecerea de la model la producţie poate fi adesea uşurată cu ajutorul teoriei similitudinii. Aceasta stabileşte criterii care permit calcularea mărimilor fizice ale sistemului la scară mare, bazat pe rezultatele obţinute în modelul experimental, la scară mică. Pentru fiecare proces elementar, factorii determinanţi pot fi incluşi într-un număr caracteristic, denumit criteriu de similitudine; acesta trebuie să rămână constant pentru ca procesul la nivel industrial să se desfăşoare în mod similar cu procesele de laborator şi pilot. Dacă această similitudine este asigurată, atunci, rezultatele care s-au obţinut în laborator sau pilot pot fi utilizate pentru proiectarea reactorului industrial.

Înainte de alegerea modului de operare (discontinuu, continuu, semicon-tinuu), a tipului, a mărimii şi a condiţiilor de operare, este necesară o alegere preliminară a tipului de reactor în funcţie de microorganismul utilizat, mediul de cultură şi de caracteristicile procesului biochimic. Alegerea tipului de bioreactor se efectuează în momentul în care bioprocesul se află încă în faza de cercetare, de obicei în perioada de experimentare la nivel pilot.

CONCEPTE DE BAZĂ ÎN OPERAREA BIOREACTOARELOR

Există două sisteme majore de cultivare a microorganismelor care s-au impus cu timpul în domeniul biotehnologiei:

• în sistem submers;

• în culturi de suprafaţă.

în cazul cultivării microorganismelor în sistem submers, mediul de cultură este lichid, agitat şi aerat; din punct de vedere al continuităţii procesului, se disting trei moduri de operare: discontinuu, semicontinuu şi continuu.

Operarea în sistem discontinuu, adică în şarje (sistem batch). Cultiva¬rea începe la timpul t = 0 şi se termină la timpul t = t'. La început, proliferarea celulelor are loc în condiţii nelimitative. După ce s-a atins densitatea maximă în celule are loc operarea în condiţii limitative de substrat. Substratul se referă la unul dintre nutrienţi (sursa de carbon, sursa de azot etc.) sau la oxigen.

În particular, pentru oxigen, care este consumat foarte rapid, o apro¬vizionare continuă în mediu este posibilă, astfel încât concentraţia sa să nu scadă sub o valoare critică specifică microorganismului.

Operarea în sistem discontinuu se notează DC, fiind reprezentată grafic

astfel:

În cazul acestui tip de operare avem regimul de circulaţie amestecare perfectă, caracteristică fiind în această situaţie uniformitatea valorilor concentraţiei, temperaturii în spaţiul bioreactorului şi, în general, a tuturor parametrilor care influenţează bioprocesul.