Bioreactoare

După cum este bine cunoscut principalul scop al biotehnologiei este obținerea de produse și sau servicii utile activității umane, cu sprijinul organismelor sau a părților lor componente sau chiar a derivatelor provenite din acestea (de ex. preparate enzimatice excretate în mediul de cultură).

Procesul de bază în biotehnologie este cel care caracterizează „procesul biologic", dacă dorim să realizăm o paralelă ci tehnologia chimică care se bazează pe „procese chimice" organice sau anorganice. Practic în procesul de obținere a unui produs sau serviciu se apelează la o funcție biologică foarte bine caracterizată. Cu alte cuvinte, este extrem de importantă cunoașterea completă a procesului biologic care stă în centrul procesului biotehnologic. Cum, organismele sunt caracterizate de existența și funcționarea metabolismului în baza reacțiilor biochimice concrete, acestea din urmă fundamentează procesul biotehnologic.

Sintetic vorbind biotehnologia este carcaterizată de procesul biotehnologic sau reacțiile biochimice importante pentru activitățile umane.

Dacă reacțiile biochimice au loc în interiorul celulei sau la nivelul suprafeței externe a acestora, reacțiile biochimice din industria biotehnologică se derulează în incinte specifice numite bioreactoare.

Bioreactoarele sunt incinte în interiorul cărora, în mod controlat, se pot obține anumite preparate biotehnologice care pot să sprijine activitatea de producere de produse și servicii pentru activități economice concrete. Una dintre aceste activități este reprezentată de exemplu de activitățile de protecție a mediului înconjurător când se face apel la preparate biotehnologice pentru reducerea impactului negativ asupra mediului a diferiților poluanți, pentru diferite medii.

La fel ca în microbiologie, biotehnologia de utilizare a bioreactoarelor face apel la o serie de cunoștințe despre procese fermentative aerobe sau anaerobe, cinetica reacțiilor enzimatice, randamente de produs de reacție dar și de sterilizare, menținere a sterilizării, pasteurizare pentru incinta bioreactorului și a tuturor conexiunilor acestuia reprezentate de intrări și ieșiri din sistemele biotehnologice. O serie de procese biotehnologice includ cunoștințe despre liofilizare, atomizare, izolare și purificare de produse extrase din mediile biologice.

Dar bioreactoarele se caracterizează de controlul anumitor paramterii fizico-chimici specifici la fel ca reactoarele chimice și anume: temperatură, pH, presiune la intrarea în reactor, presiune la ieșirea din reactor, controlul oxigenului, controlul azotului, controlul gazelor de fermentație.

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

În bioreactorul bazat pe utilizarea microorganisemlor (bacterii, fungi, suspensii celulare), transformarea materiilor prime este realizată de sistemul enzimatic al microorganismelor, al celulelor animale și vegetale sau de enzimele izolate din acestea.

Reușita experimentului biotehnologic depinde în cea mai mare măsură de condițiile optime de creștere a microorganismelor în bioreactor în raport cu substratul primar sau secundar utilizat în cazul protecției mediului.

Este fundamentat științific faptul că celulele, în general, dezvoltă mecanisme de adaptare continuă la modificările mediului înconjurător, astfel încât să obțină și să-și mențină condițiile optime de creștere.

Dacă ne referim la procese de bioremediere, menținerea la concentrații optime în mediul de cultură a substratului secundar – este responsabilă pentru menținerea unei reacții biochimice specifice și esențiale procesului de bioremediere, la o viteză de reacție controlabilă.

Practic în incinta bioreactorului, inginerul biotehnolog are drept scop principal monitorizarea creșterii celulare pe de o parte dar și a cineticii proceselor biotehnologice specifice pe de altă parte dar și concentrația substratului, concentrațiile în săruri minerale, factorii de creștere și pentru concentrația în oxigen.

În acest sens, procesul de monitorizare este asistat de o serie de parametrii urmăriți, în general fiind reprezentați de: creșterea masei celulare pe de o parte și obținerea produsului de reacție dorit pe de altă parte.

Inginerul biotehnolog, trebuie să aibe în vedere o serie de aspecte importante pentru puenrea în practică a procesului biotehnologic și anume:

Tipul de reactor este ales în funcție de scopul urmărit;

Urmărirea procesului biotehnologic ține cont de constanța volumului bioreactorului și monitorizarea tuturor parametrilor aferenți (de ex. presiune) și ca atare arhitectura bioreactorului impune o serie de praguri de evaluat procesului biotehnologic;

Odată rezolvate barierele impuse de arhitectura bioreactorului este importantă reglarea procesului biotehnologic per se pentru atingerea celei mai bune performanțe în sensul obținerii biopreparatului respectiv.

Menținerea constantă a sterilității incintei bioreactorului, asigurarea accesului la substrat într-un mod cât mai uniform după cerințele arhitecturii bioreactorului, asigurarea obținerii unui produs bazat pe un proces optimizat cost-eficiență.

Trebuie să se rețină faptul că dacă în bioreactor se urmărește o anumită reacție specifică de exemplu pentru transformarea unui substrat secundar (de ex. petrol, nitrat, sulfat etc.), întregul proces biotehnologic nu se limitează la a avea doar acest tip de reacție. Celulele sau părțile celulare utilizate derulează un complex de procese biochimice, între anumite limite, asociate practic anumitor momente ale funcționării bioreactorului și nu numai. Complexul de procese biochimice derulate într-o astfel de incintă stă la baza fundamentării manifestării proceselor de creștere și dezvoltare celulară în corelație strânsă cu procesele oxido-reducătoare și respiratorii asociate.

Analiza mai atentă a procesului biotehnologic trebuie să ia în considerare, pe lângă reacțiile biochimice propriu-zise, și interacțiunea propriu-zisă a proceselor cinetice de transfer de energie întrucât în bioreactor are loc un transfer constant de energie între sistemul de încălzire și celule. Descrierea cantitativă a acestor fenomene în baza ecuațiilor specifice sprijină inginerul biotehnolog în controlul cât mai apropiat de perfecțiune al bioreactorului pentru scopul urmărit.

Există trei faze ale trasferului de tehnologie în biotehnologie și anume

scara de laborator – de cercetare propriu-zisă când se strâng date cu privire la sistemul biologic utilizat, procesul biotehnologic specific și randamentul acestuia

scara pilot – aparține cercetării aplicative când se configurează un minibioreactor pentru evidențierea capacității de control al procesului biotehnologic și

scara industrială când în bioreactorul industrial se aplică procesele biotehnolgice studiate în faza de laborator și sunt controlate în baza rezultatelor fazei pilor la care se adaugă caracteristicile tehnice ale arhitecturii bioreactorului ales.

Pentru a micșora riscul în procesul de realizare la scară industrială a unui proces biotehnologic stabilit în laborator, este necesară construirea unei instalații pilot care să furnizeze informații intermediare și extrem de utile pentru proiectul industrial; trecerea de la model la producție poate fi adesea ușurată cu ajutorul teoriei similitudinii. Procesul nu este ușor și necesită investiții financiare specifice.

Faza pilot stabilește criterii care permit calcularea mărimilor fizice ale sistemului la scară mare, bazat pe rezultatele obținute în modelul experimental, la scară mică. Pentru fiecare proces elementar, factorii determinanți putând fi incluși într-un număr caracteristic, denumit criteriu de similitudine.

Acesta trebuie să rămână constant pentru ca procesul la nivel industrial să se desfășoare în mod similar cu procesele de laborator și pilot. Dacă această similitudine este asigurată, atunci, rezultatele care s-au obținut 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 și a condițiilor de operare, este necesară o alegere preliminară a tipului de reactor în funcție de microorganismul utilizat, mediul de cultură și 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

Sisteme majore de cultivare a microorganismelor

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

în sistem submers;

în culturi de suprafață.

în cazul cultivării microorganismelor în sistem submers, mediul de cultură este lichid, agitat și aerat.

Moduri de operare al procesului

Din punct de vedere al continuității procesului, se disting trei moduri de operare:

discontinuu,

semicontinuu și

continuu.

Operarea în sistem discontinuu, adică în șarje sau baie (sistem batch)

Cultivarea începe la timpul t = 0 și se termină la timpul t = t'. La început, proliferarea celulelor are loc în condiții nelimitative. După ce s-a atins densitatea maximă în celule are loc operarea în condiții limitative de substrat. Substratul se referă la unul dintre nutrienți (sursa de carbon, sursa de azot etc.) sau la oxigen iar în cazul bioremedierii la substratul specific secundar.

În particular, pentru oxigen, care este consumat foarte rapid, o aprovizionare continuă în mediu este posibilă, astfel încât concentrația 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 circulație amestecare perfectă, caracteristică fiind în această situație uniformitatea valorilor concentrației, temperaturii în spațiul bioreactorului și, în general, a tuturor parametrilor care influențează bioprocesul.

Operarea în sistem semicontinuu („extended culture operation")

În acest caz, reactorul este astfel operat încât concentrația substratului limitativ este păstrată constantă prin aprovizionarea sa continuă („fed batch"). Se notează SC și se reprezintă grafic astfel:

Operarea în sistem continuu („continuous operation")

Aceasta presupune alimentarea continuă cu nutrienți și în același timp evacuarea din reactor a unei cantități echivalente de mediu de cultură. Se ține cont de faptul că viteza de intrare trebuie să fie echivalentă celei de ieșire și corelată procesului biotehnologic în pbținerea unui biopreparat.

Cultivarea continuă poate fi realizată în două tipuri de reactoare ideale: R și D. Pentru reactorul R (cu recirculație) se impune amestecare perfectă, deci un grad foarte mare de omogenitate, iar în cazul reactorului D (cu deplasare) se consideră o curgere tip piston.

Reprezentarea schematică a reactoarelor R și D.

În modelul cu deplasare ideală, D, elementele dintr-o secțiune transversală, odată intrate în reactor, se deplasează prin translație în direcție axială prin reactor; nu există elemente de fluid care să depășească alte elemente de fluid. Cantitativ, acest model se exprimă prin constanța vitezei fluidului în secțiunea transversală.

În biotehnologie, există însă și sistemul de cultivare a microorganismelor în culturi de suprafață în care mediul de cultură poate fi solid sau semisolid, astfel încât, dacă se ține seama de omogenitatea fazelor se poate face o clasificare a bioreactoarelor în:

omogene: L-L

heterogene:

unde:

L-L: [lichid – lichid] = monofazice

L-S: [lichid – solid] = multifazice

G – L- S: [gaz – lichid – solid] = multifazice

In sistemele omogene, compoziția mediului de fermentație este uniformă pe tot parcursul bioprocesului. În orice moment, microorganismele din diferite zone ale sistemului au aceeași stare fiziologică (același stadiu de dezvoltare)

În sistemele heterogene, în mediul de fermentație există gradiente de celule sau de substrat (concentrația diferă). Microorganismele din diferite zone ale sistemului sunt expuse la diferite condiții de mediu și, în consecință, vor avea diferite stări fiziologice (adică se vor afla în diferite stadii de dezvoltare).

Sistemele de operare continuă sunt prezentate în figura urmatoare:

Sisteme de operare continuă: S – substrat; C – celule.

Regimul termic al bioreactoarelor

Un alt criteriu care stă la baza clasificării bioreactoarelor este regimul termic

Pentru reactoarele chimice, se pot practica următoarele regimuri:

izoterm: au loc schimburi de căldură cu exteriorul, temperatura rămânând constantă;

adiabat: nu au loc schimburi de căldură cu exteriorul;

neizoterm-neadiabat: au loc schimburi de căldură cu exteriorul, iar temperatura în reactor nu este constantă;

programat: se modifică regimul termic, astfel încât să se atingă un optim dorit;

autoterm: reactorul se susține singur din punct de vedere termic.

Reacțiile chimice pot fi exoterme, cu degajare de căldură (ΔIR < 0) sau endoterme, cu absorbție de căldură din mediul exterior (ΔIr> 0). Reacțiile chimice exoterme pot fi conduse în oricare din regimurile termice specificate, pe când cele endoterme nu pot fi operate autoterm.

Reacțiile biologice sunt exoterme, indiferent de microorganismul utilizat, de condițiile de lucru sau de produșii obținuți. Deși cantitatea de căldură degajată în urma proceselor biologice este mică în comparație cu cea degajată în procesele chimice, nu trebuie neglijată deoarece materialul biologic (microorganisme, enzime) este foarte sensibil la variațiile de temperatură.

CARACTERIZAREA BIOREACTOARELOR

1. Bioreactorul discontinuu

Bioreactorul discontinuu este caracterizat prin amestecarea ideală a mediului de cultură și prin operarea în șarje: se încarcă componentele mediului, se inoculează, iar după un interval de timp determinat se descarcă mediul de fermentație conținând produșii de biosinteză.

2. Bioreactorul continuu

În cazul cultivării continue, prelungirea fazei de creștere exponențială un timp nedefinit se realizează prin adăugarea continuă în reactor a unei soluții de mediu proaspăt cu un debit volumetric și eliminarea continuă a biomasei cu același debit, astfel încât volumul biomasei din fermentator să rămână constant.

Pentru stabilirea ecuației ce generează dezvoltarea microorganismelor, trebuie să se țină seama de faptul că variația concentrației biomasei este datorată existenței a două fenomene antagoniste:

-creșterea numărului microorganismelor datorită dezvoltării populației

-scăderea cantității de microorganisme datorită eliminării lor din sistem.

3. Bioreactorul cu recirculare externă

In unele cazuri, mediul de fermentație de la ieșirea din bioreactor este supus unei operații de separare (prin centrifugare, filtrare, sedimentare), iar concentratul conținând biomasa se recirculă parțial în bioreactor.

Ecuațiile ce guvernează acest proces se bazează pe aplicarea bilanțurilor de materiale pentru biomasă și substrat.

Notăm cu r raportul de recirculare și presupunem aceeași concentrație a substratului și a produsului în debitul de alimentare și în cel de evacuare.

Reprezentarea schematică a bioreactorului cu recirculare.

Bilanțul de materiale

Bilanțul de materiale pentru biomasă se descrie astfel:

Biomasă intrată + Biomasă existentă + Biomasă generată = Biomasă rămasă + Biomasă ieșită

4. Bioreactorul ideal cu deplasare (D) (curgere tip piston)

Reactoarele cu amestecare, operate discontinuu sau continuu sunt tipurile de bioreactoare cel mai frecvent întâlnite în biotehnologie.

Există însă situații în care se utilizează și reactoarele tubulare (cu diametrul mult mai mic decât lungimea), acestea având următoarele avantaje:

construcție simplă, fără zone stagnante; în acest caz ridicarea la scară industrială se realizează mai ușor, fără riscuri;

se poate regla durata de staționare a celulelor în bioreactor, astfel încât conversia substratului să fie mai mare și concentrația produsului finit mai mare;

spumarea este mai mică;

eforturile de forfecare sunt mai mici, deci distrugerea pereților celulelor este mai mică.

Reactorul cu o curgere tip piston este caracterizat prin existența unui profil plan de viteze în secțiune perpendiculară pe direcția de deplasare a fluidului (axa reactorului). Aceasta este o idealizare, deoarece implică o amestecare radială infinită și lipsa amestecării axiale.

Reprezentarea schematică a reactorului cu deplasare.

Operarea bioreactoarelor în culturi extinse (cu adaosuri)

În afara modalităților de operare a bioreactoarelor, expuse anterior, în practica biotehnologică se folosește cu succes și tehnica adăugării în bioreactor a unuia sau a mai multor substraturi, în timpul cultivării, fără eliminare de biomasă (fermentație cu adaosuri), numită și cultură extinsă sau operare în sistem semicontinuu.

Acest tip de cultivare se situează între cultivarea „în șarjă" și cea continuă. Caracteristicile celor trei tipuri de operare:

în șarjă: concentrația substratului scade;

continuu: concentrația substratului este constantă;

semicontinuu: concentrația substratului se menține constantă o perioadă, după care scade.

Avantajele sistemului de operare semicontinuu sunt următoarele:

prin alimentarea mediului în timpul cultivării se obțin rezultate superioare în productivitate față de sistemul discontinuu;

în cazul în care se utilizează nutrienți cu proprietăți inhibitoare (metanol, etanol, acid acetic), prin menținerea concentrației acestora între anumite limite se poate obține o scurtare a perioadei de latenta și micșorarea efectului inhibitor al substratului;

este posibilă obținerea unor concentrații mai mari de biomasă (circa 50 g/l) prin adăugarea de substrat.

în cazul în care se dorește obținerea unor concentrații foarte mari de biomasă (circa 100 g/l), sunt necesare concentrații ridicate de nutrienți, ceea ce determină apariția unui efect de inhibiție.

Astfel intervine așa-numita „represie catabolică", care apare Ia utilizarea unor surse de carbon și energie ușor metabo-lizabile (glucoza) și care constă în represia enzimelor implicate în biosinteză datorită acumulării unei cantități mari de ATP în celulă. Pentru a micșora acest efect se adaugă treptat glucoza.

CONFIGURAȚIA BIOREACTOARELOR. TIPURI CONSTRUCTIVE

Bioreactorul este „inima" oricărei fermentații sau bioconversii enzimatice. Configurația și construcția unui bioreactor se realizează pe baza unor principii de inginerie bine fundamentate științific. Alegerea tipului de bioreactor este în strânsă legătură cu tipul bioprocesului ce urmează a se desfășura în el. Acest lucru presupune luarea unor decizii importante referitoare la următoarele aspecte:

configurația bioreactorului: cu agitare mecanică sau un vas cu aerare fără agitare?

mărimea bioreactorului: ce dimensiune a bioreactorului este necesară pentru a asigura producția rentabilă a produsului?

condițiile bioprocesului din interiorul bioreactorului: pH, temperatură, concentrația oxigenului dizolvat;

sistemul de operare respectiv și dacă bioreactorul va funcționa în sistem discontinuu sau în sistem continuu? Va fi bioreactorul cuplat în serie cu alte bioteactoare sau va fi singur?

Decizia luată în legătură cu problemele enunțate anterior va avea un impact deosebit asupra performanței ulterioare a bioprocesului.

Bioreactoarele cilindrice cu sau fără agitare sunt cel mai des utilizate în biotehnologie.

Tipuri noi de bioreactoare au fost construite pentru aplicații speciale, cum ar fi: culturi de țesuturi vegetale sau animale și bioreactoare pentru celule imobilizate.

După natura proceselor biotehnologice, reactoarele pot fi clasificate în:

reactoare biologice: în care se desfășoară un proces de fermentație (cu biomasă);

reactoare biochimice: în care se desfășoară procesele enzimatice. Reactoarele biologice pot fi pentru fermentații aerobe sau anaerobe. Reactoarele biochimice pot fi: cu enzime libere, cu enzime imobilizate șicu fază solidă.

Formele constructive și modurile de operare ale bioreactoarelor pot fi foarte diferite, în funcție de cerințele și specificațiile proceselor tehnologice.

Reactoare pentru fermentații aerobe

După modul de introducere a energiei necesare amestecării fazei lichide (substrat + microorganisme) și dispersării fazei gazoase (aer), reactoarele aerobe se pot diviza în trei categorii:

cu amestecare mecanică;

cu pompă de recirculare;

cu aer comprimat.

(vezi tipuri constructive de bioreactoare!!!!)

ALEGEREA BIOREACTOARELOR

Alegerea bioreactorului potrivit pentru un anumit proces biotehnologic se realizează în funcție de o serie de factori predeterminați cum ar fi: natura microorganismului folosit, proprietățile mediului de cultură, parametrii biochimici ai procesului, amplasamentul bioreactorului.

Caracteristici determinate de natura microorganismului folosit în bioproces. Modul de operare al unui reactor depinde în mod esențial de stabilitatea tulpinii productive. De exemplu, numai tulpinile care sunt suficient de stabile pot fi utilizate în operarea continuă [Aiba ș.a., 1973]. Condițiile de operare sunt afectate în mod hotărâtor fiind complet diferite dacă microorganismul este aerob sau anaerob.

În creșterea organismelor aerobe este necesar să existe o cantitate disponibilă de oxigen dizolvat, tot timpul în mediul de cultură.

Deoarece solubilitatea oxigenului în mediul de cultură este mică, este necesară alimentarea continuă cu oxigen. Aceasta se realizează, de obicei, prin dispersia aerului în mediu. Un grad de dispersie cât mai mare în mediile cu vâscozitate mare conduce la un transfer mai bun al oxigenului și celulele sunt aprovizionate cu oxigen mai bine.

Mărimea și forma celulelor din bioreactor

Acestea au, de asemenea, o influență considerabilă asupra tipului de reactor necesar și a modului de operare. Celulele sferice sunt, de obicei, mai mici și mai puțin sensibile la forfecare decât microorganismele filamentoase.

Formarea celulelor sferice necesită un grad de dispersie mai mare a aerului decât organismele filamentoase. Dimensiunile mici asigură un raport mare între suprafață și volum, un consum mai mare al substratului și, de asemenea, o creștere rapidă. Celulele aerobe cu viteză mare de creștere necesită un consum al oxigenului mai mare.

Organismele filamentoase cresc numai la capătul hifelor. Aceasta conduce la viteze mici de creștere și la cereri mici în oxigen. Deoarece astfel de celule sunt, de cele mai multe ori, sensibile la forfecare, forțe mari de dispersie pot cauza ruperea. De fapt, este de dorit să se disperseze nu numai faza gazoasă ci și microorganismul însuși.

Formarea de micelii și aglomerări are un efect considerabil asupra alegerii reactorului. Aglomerările de celule au un raport mic între suprafață și volum, o viteză mică de consum a substratului și o viteză mică de creștere.

Viteza mică de consum a oxigenului permite folosirea reactoarelor care dispersează aerul într-un grad mic sau moderat.

Celulele care formează aglomerări sunt ușor de separat din mediile de cultură și reintroduse în reactor în scopul ridicării densității celulare. în multe reactoare, densitatea celulară se diminuează considerabil cu creșterea înălțimii (de exemplu, reactoarele turn). Când ieșirea mediului este plasată la capătul reactorului, numai o cantitate mică de celule sunt îndepărtate din turn. în acest fel, timpul de staționare a celulelor în reactor poate fi extins considerabil, fără creșterea timpului de staționare în mediu. Deci, aglomerarea de celule permite operarea în sistem continuu a reactorului de producere a metaboliților, fără o separare specială a celulelor (de exemplu, prin centrifugare sau filtrare).

Aglomerările de celule pot avea diferite morfologii. Acestea depind nu numai de tulpina producătoare, ci și de condițiile unui stres mecanic din reactor. în condițiile unui stres mecanic mic, multe organisme filamentoase (de exemplu, fungii) formează aglomerări voluminoase, interacționând unele cu altele, care conduc la vâscozități mari ale mediului. Aceste aglomerări sunt adesea sensibile la stresul de forfecare, care poate conduce la ruperea filamentelor.

Multe microorganisme au tendința de a crește pe suprafețe. Aceste proprietăți pot Fi dorite dacă se dorește operarea continuă, cum ar fi în cazul tratamentului apelor de canal.

Dacă aceste proprietăți sunt foarte pronunțate, pot Fi utilizate reactoarele de suprafață. în general, formarea de film nu este dorită. Dacă celulele au tendința să crească la suprafață, formarea regiunilor de stagnare la suprafață poate fi evitată prin utilizarea unui reactor potrivit.

Caracteristici ale reactoarelor determinate de proprietățile mediului de cultură

Caracteristicile mediilor de cultură determină alegerea unui anumit tip de bioreactor. Proprietățile fizice ale substratului folosit diferă: gazos (de exemplu, metan, dioxid de carbon, la fotosinteză), lichid și solubil în apă (de exemplu, glucoza, lactoză), lichid și insolubil în apă (de exemplu, parafine), solid și insolubil în apă (de exemplu, amidon, celuloză). Fiecare stare fizică exercită o influență considerabilă în alegerea bioreactorului. De aceea, de exemplu, metanul și aerul pot forma un amestec exploziv și reactoarele cu acest amestec nu pot fi folosite.

În cazul substraturilor volatile, se alege un reactor cu debit în contracurent, cu agitare ușoară axială sau un sistem de reactoare cu mai multe stagii pentru a micșora pierderile de gaz. S-a studiat, de asemenea, aerația emulsiilor de ulei în apă. Prezența parafinelor reduce viteza de transfer a oxigenului. în general, reactoarele de suprafață nu sunt potrivite pentru fermentația emulsiilor uleioase.

Dacă se utilizează un substrat solubil în apă, în operarea discontinuă, se obține, de obicei, un mediu mult mai vâscos decât cel inițial. Pentru acest caz se folosesc reactoare speciale cu agitatoare elicoidale. Prezența solidelor grele (de exemplu carbonatul de calciu în mediul de cultură pentru Penicillum chrysogenum) ori a substraturilor fibroase (de exemplu, paie pretratate) limitează alegerea tipului de bioreactor. Fibrele lungi din suspensiile diluate micșorează debitul și particulele mari blochează intrările. în acest caz este necesară introducerea de restricții la prepararea mediilor; se prevăd faze speciale de înlăturare a neajunsurilor.

O altă componentă a mediului care poate influența tipul de bioreactor ce urinează a fi utilizat este concentrația de substrat sau de produs finit.

Efectul biocinetic al substratului sau al produsului pot să afecteze alegerea bioreactorului. în cazul în care substratul prezintă inhibiție sau represie asupra creșterii microorganismului, procesul este condus în sistem semicontinuu, cu alimentare continuă de substrat (fermentație cu adaosuri).

În cazul în care produsul de biosinteză induce inhibiție sau represie când sunt în concentrație mare (de exemplu, glucoza și celobioza la Trichoderma viride, etanolul la Sacharomyces cerevisiae), este de dorit să se folosească aranjamentul în mai multe trepte.

O altă caracteristică, ce influențează alegerea unui anumit tip de bioreactor sau a unui anumit sistem de operare, o constituie prezența în mediul de cultură a unei componente care se degradează în timpul operației de sterilizare (termolabile). în acest caz este necesară sterilizarea separată a acestor materiale.

O altă proprietate a mediului de cultură care influențează procesul de fermentație este tendința de coalescență, adică formarea de bule de gaz care micșorează transferul de oxigen în mediul de cultură. în acest caz se introduc în bioreactor sisteme de disipare a bulelor, cu efect local (mijloace mecanice).

Comportarea reologică

Comportarea reologică (curgere) a mediului are o mare influență asupra unui bioproces. Mediile cu vâscozitate mică nu creează probleme de agitare și de viteză de transfer a oxigenului. O creștere a vâscozității mediului poate avea diferite cauze:

concentrația mare în substrat (în particular la operarea în sistem „batch", la începutul cultivării);

secreția de produse vâscoase pe parcursul biosintezei, cum ar fi pullulanul și xantanul;

morfologia microorganismului.

O caracteristică a mediului importantă, care implică alegerea unui anumit tip de bioreactor, este spumarea în timpul cultivării. Formarea de spumă conduce de cele mai multe ori la blocarea ieșirii aerului, inundarea filtrelor de aer, scăderea volumului de mediu în bioreactor, infecția mediului de cultură și, deci, compromiterea procesului de biosinteză.

Spumarea

Există mai multe metode pentru prevenirea fenomenului de spumare:

Conducerea procesului astfel încât să nu se formeze spumă; de exemplu o viteză mare de transfer a oxigenului (printr-o agitare corespunzătoare, variabilă în funcție de nivelul concentrației de oxigen dizolvat măsurată continuu) transformă procesul într-unui cu limitare de substrat; în acest caz concentrația oxigenului nu mai este un factor limitativ și nu este necesară mărirea debitului de aer care conduce la spumare excesivă. Această metodă se poate aplica în cazul în care spumarea se datorează proteinelor dizolvate, eliberate din celulele lizate;

Adăugarea de antispumanți, care schimbă coalescența mediului. Agentul antispumant se acumulează la interfața gaz-lichid și împiedică formarea spumei.

Antispumanții utilizați în industria de biosinteze sunt:

uleiuri naturale: de soia, de floarea-soarelui;

uleiuri sintetice, care pot fi de natură siliconică sau polimeri organici;

mijloace mecanice: agitatoare cu turație mare, șicane, tuburi interioare.

Spumarea poate fi combătută și prin alegerea tipului de bioreactor potrivit care să permită o circulație rapidă a lichidului fără să formeze spumă (bioreactor cu „draft" interior).