Биореакторы и ферментёры: в чём разница и как выбрать оборудование

Термины «биореактор» и «ферментёр» часто используют как синонимы, потому что оба аппарата поддерживают контролируемый биологический процесс. На практике ферментёр обычно предназначен для бактерий, дрожжей и микроскопических грибов, а биореактор — более широкое понятие, включающее системы для клеток животных, насекомых и растений, микроорганизмов и биокатализаторов. Однако выбирать оборудование только по названию нельзя: для результата важнее рабочий объём, гидродинамика, газовая система, диапазон перемешивания, режим культивирования и способ стерилизации.
🔬 Не уверены, что выбрать для Вашей культуры - биореактор или ферментёр?

Одинаковые на вид аппараты могут создавать принципиально разные условия. Бактериям часто нужны интенсивные аэрация и перемешивание, а клетки млекопитающих необходимо защищать от высокого сдвигового напряжения и агрессивного воздействия пузырьков.

Оставьте заявку и опишите культуру, состав среды и целевой продукт. Наши специалисты сопоставят требования процесса с характеристиками оборудования и предложат подходящую конфигурацию.

[Подобрать оборудование →]

Что такое биореактор и как он работает

Биореактор — это аппарат, в котором проводят управляемый биологический процесс. Внутри могут находиться клетки животных, насекомых или растений, микроорганизмы, водоросли, иммобилизованные клетки либо ферменты. Задача оборудования — создать воспроизводимые условия, при которых культура растёт, синтезирует нужный продукт или выполняет заданное биохимическое превращение.

Целевым продуктом могут быть:
  • клеточная биомасса;
  • вирусный материал для вакцин;
  • моноклональные антитела;
  • рекомбинантные белки;
  • ферменты;
  • антибиотики;
  • аминокислоты и органические кислоты;
  • метаболиты;
  • компоненты для клеточной терапии;
  • биотопливо и биохимическое сырьё.

Главное отличие биореактора от обычной ёмкости — управляемость процесса. Оборудование не просто содержит культуральную среду, а измеряет параметры и автоматически воздействует на них.

Основные функции биореактора

1. Перемешивание среды

Перемешивание распределяет по объёму:
  • клетки;
  • кислород и другие газы;
  • питательные компоненты;
  • кислоту и щёлочь;
  • пеногаситель;
  • тепло;
  • продукты метаболизма.

Если среда перемешивается недостаточно, внутри сосуда возникают локальные зоны с разными значениями pH, температуры и концентрации кислорода. Показания датчика в одной точке при этом могут не отражать условий во всём рабочем объёме.

Слишком интенсивное перемешивание тоже опасно. Оно увеличивает сдвиговое напряжение — механическую нагрузку на клетки, возникающую в потоках жидкости и рядом с мешалкой. Бактерии и дрожжи обычно устойчивее к такому воздействию, чем клетки млекопитающих, насекомых и некоторые адгезионные культуры.

Поэтому скорость в оборотах в минуту нельзя оценивать отдельно от:
  • диаметра сосуда;
  • рабочего объёма;
  • типа и диаметра импеллера;
  • количества ярусов мешалки;
  • вязкости среды;
  • расхода газа;
  • расположения спаргера;
  • чувствительности культуры.

Одинаковые 200 об/мин в сосудах разного диаметра создают различную окружную скорость лопастей, мощность перемешивания и нагрузку на клетки.

2. Массообмен

Массообмен — перенос веществ между газовой и жидкой фазами. Для аэробного процесса особенно важна передача кислорода из подаваемого газа в культуральную среду и удаление углекислого газа.

Кислород плохо растворяется в воде, а растущая культура может быстро его потреблять. Поэтому биореактор должен передавать кислород в жидкость не медленнее, чем его используют клетки.

На эффективность влияют:
  • расход и состав газа;
  • размер пузырьков;
  • тип спаргера;
  • скорость перемешивания;
  • конструкция импеллера;
  • вязкость среды;
  • наличие пеногасителя;
  • температура и давление;
  • геометрия сосуда.

Для инженерной оценки применяют коэффициент объёмного массопереноса кислорода KLa. Чем он выше, тем интенсивнее кислород переходит в жидкость. Однако максимальный KLa не всегда является целью. Для чувствительных клеток избыток механической энергии и мелких пузырьков может быть опаснее умеренного ограничения по кислороду.

3. Контроль параметров

Современный биореактор работает по замкнутым контурам регулирования. Датчик измеряет параметр, контроллер сравнивает его с заданным значением, после чего система меняет положение клапана, скорость насоса или частоту вращения мешалки.

Обычно контролируют:
  • температуру — нагревом и охлаждением;
  • pH — подачей кислоты, щёлочи или CO₂;
  • DO — концентрацию растворённого кислорода;
  • скорость перемешивания;
  • подачу воздуха, O₂, N₂ и CO₂;
  • уровень жидкости;
  • образование пены;
  • подачу питательной среды;
  • давление;
  • в расширенных конфигурациях — концентрацию глюкозы, плотность биомассы и состав выхлопного газа.

Например, при снижении DO контроллер может последовательно:
  1. увеличить скорость перемешивания;
  2. повысить расход воздуха;
  3. добавить кислород;
  4. изменить соотношение газов;
  5. при наличии соответствующего алгоритма — скорректировать подачу субстрата.

Такое последовательное управление называют каскадным. Его логика должна соответствовать культуре: каскад, приемлемый для бактерий, может оказаться слишком агрессивным для клеток животных.

Основные типы биореакторов

Мешалочный биореактор

Мешалочный биореактор, или stirred-tank reactor, — наиболее распространённая конструкция. В сосуде установлен вал с одним или несколькими импеллерами. Газ подаётся через спаргер, обычно расположенный в нижней части.

Преимущества:
  • точный контроль гидродинамики;
  • эффективное перемешивание;
  • возможность регулировать KLa;
  • совместимость с режимами batch, fed-batch и continuous;
  • широкий выбор мешалок и газовых контуров;
  • удобное масштабирование при наличии исходных инженерных данных.

Ограничения:
  • риск повреждения чувствительных клеток;
  • образование пены;
  • сложная взаимосвязь скорости, расхода газа и массообмена;
  • необходимость правильно подобрать импеллер и алгоритм управления DO.

Мешалочные системы применяют как для микроорганизмов, так и для клеток млекопитающих. Разница заключается в геометрии мешалки, скорости вращения, подаче газа и настройках автоматики.

Airlift-биореактор

В airlift-биореакторе циркуляция возникает благодаря разнице плотности между насыщенной газом и менее газонасыщенной жидкостью. Среда поднимается в одной зоне и опускается в другой. Механического вала может не быть.

Преимущества:
  • мягкое перемешивание;
  • меньше движущихся деталей;
  • сниженное локальное сдвиговое воздействие;
  • потенциально меньший риск повреждения клеток.

Ограничения:
  • более ограниченные возможности оперативно менять гидродинамику;
  • зависимость циркуляции от расхода газа и свойств среды;
  • сложность работы с вязкими культуральными жидкостями;
  • не для каждого процесса обеспечивается требуемый массообмен.

Airlift-система может быть полезна для чувствительных клеток и отдельных биодеградационных процессов, но её нельзя считать универсально более щадящей. Пузырьки и удаление газа на поверхности также способны повреждать клетки.

Что такое ферментёр и для каких процессов он нужен

Ферментёр — это биореактор, ориентированный преимущественно на микробиологические процессы с участием бактерий, дрожжей и микроскопических грибов. В промышленной практике словом «ферментация» называют не только анаэробное брожение, но и аэробное культивирование микроорганизмов.

Поэтому ферментёр может работать:
  • без подачи кислорода;
  • в микроаэробных условиях;
  • с интенсивной аэрацией;
  • в периодическом режиме;
  • с подпиткой;
  • непрерывно.

Типичные задачи ферментёра:
  • наращивание микробной биомассы;
  • получение антибиотиков;
  • производство ферментов и витаминов;
  • синтез органических кислот;
  • получение аминокислот;
  • производство биоэтанола;
  • приготовление ферментированных пищевых продуктов;
  • скрининг и сравнение штаммов;
  • оптимизация питательных сред;
  • разработка технологии перед масштабированием.

Как проходит процесс ферментации

Общая схема включает несколько этапов.

Подготовка оборудования

Сосуд, мешалку, крышку, линии подачи и датчики очищают и стерилизуют. Лабораторную стеклянную ёмкость обычно стерилизуют в автоклаве. Крупные стальные системы могут иметь встроенные CIP- и SIP-контуры.

Важно учитывать, что стерильность определяется не только сосудом. Потенциальными точками контаминации остаются:
  • пробоотборная линия;
  • патрубки подачи;
  • уплотнение вала;
  • газовые фильтры;
  • соединения шлангов;
  • насосные трубки;
  • датчики;
  • выхлопная линия и конденсатор.

Приготовление и загрузка среды

В питательную среду входят источник углерода, азота, минеральные соли и дополнительные компоненты, необходимые выбранному штамму. Среду стерилизуют в сосуде или отдельно — в зависимости от её термостабильности и принятой технологической схемы.

Инокуляция

В ферментёр через стерильный порт вносят инокулюм — стартовую культуру в нужном физиологическом состоянии. Объём и качество инокулюма влияют на длительность лаг-фазы, риск контаминации и воспроизводимость цикла.

Управляемое культивирование

После инокуляции система поддерживает заданные:
  • температуру;
  • pH;
  • DO для аэробных процессов;
  • скорость мешалки;
  • расход воздуха;
  • уровень жидкости;
  • режим подпитки;
  • пеногашение.

Микроорганизмы часто растут быстро и потребляют большое количество кислорода. Одновременно они выделяют тепло. Поэтому лабораторный ферментёр должен не только нагревать среду до рабочей температуры, но и отводить метаболическое тепло на активной стадии роста.

Завершение процесса

Критериями окончания цикла могут быть:
  • достижение заданной концентрации биомассы;
  • накопление продукта;
  • исчерпание субстрата;
  • переход культуры в нужную фазу;
  • изменение газообмена;
  • заданная продолжительность процесса.

После этого культуральную жидкость направляют на разделение, выделение и очистку продукта.

Почему ферментёрам требуется интенсивное перемешивание

Бактериальные и дрожжевые культуры способны потреблять кислород значительно быстрее, чем клетки животных. Чтобы поддерживать DO, применяют сочетание:
  • повышенного расхода воздуха;
  • высокой скорости мешалки;
  • эффективного спаргера;
  • многоярусных импеллеров;
  • подачи обогащённого кислородом газа, если конструкция это предусматривает;
  • избыточного давления в промышленных системах.

Но высокая скорость вращения сама по себе не гарантирует нужный результат. Если мешалка не соответствует геометрии сосуда или газ проходит крупными пузырьками без эффективного диспергирования, энергозатраты растут, а KLa увеличивается недостаточно.

Дополнительную сложность создают:
  • высокая вязкость среды;
  • мицелиальные грибы;
  • быстрое образование пены;
  • поверхностно-активные компоненты;
  • рост концентрации биомассы;
  • добавление пеногасителя, способного изменить газожидкостный массообмен.

Поэтому лабораторный ферментёр подбирают не только по объёму и максимальным оборотам. Необходимо оценивать всю систему аэрации и перемешивания.

В чём разница между биореактором и ферментёром

Если сформулировать кратко, ферментёр является специализированным вариантом биореактора для микробных процессов. Биореактор — более широкое понятие: он может использоваться и для микроорганизмов, и для чувствительных клеточных культур, и для реакций с биокатализаторами.

При этом граница не абсолютна. Производитель может назвать один и тот же тип мешалочного аппарата биореактором, ферментёром или системой культивирования. Для закупки важна не надпись на корпусе, а соответствие технических характеристик Вашему процессу.

Сравнительная таблица биореактора и ферментёра

Приведённые значения pH, температуры и DO являются типичными ориентирами, а не универсальными нормативами. Рабочий диапазон определяют для конкретной клеточной линии, штамма, среды и целевого продукта.

Практический пример различия

Для клеток CHO, используемых при получении моноклональных антител, обычно нужны:
  • мягкое перемешивание;
  • точная четырёхгазовая подача;
  • регулирование pH с помощью CO₂ и щёлочи;
  • ограниченное воздействие пузырьков;
  • стабильная температура;
  • возможность fed-batch или perfusion;
  • подробная регистрация процесса.

Для аэробной бактериальной культуры чаще приоритетны:
  • высокая скорость мешалки;
  • интенсивная подача воздуха;
  • высокий KLa;
  • эффективный отвод метаболического тепла;
  • автоматическая подпитка;
  • активное пеногашение;
  • устойчивость узлов к длительной интенсивной работе.

Если поставить клетки CHO в систему с агрессивной турбинной мешалкой и высоким расходом воздуха, можно потерять жизнеспособность культуры. Если использовать маломощный клеточный биореактор для высокоплотной бактериальной ферментации, система может не справиться с кислородным запросом и охлаждением.

Когда термины действительно взаимозаменяемы

На лабораторном уровне конструкция аппаратов часто схожа: стеклянный сосуд, верхний привод, датчики pH и DO, спаргер, насосы и контроллер. Один и тот же аппарат может быть адаптирован к разным культурам заменой:
  • импеллера;
  • газовой схемы;
  • диапазона скорости;
  • спаргера;
  • алгоритма каскада;
  • датчиков;
  • портов;
  • программного обеспечения.

Но такая адаптация возможна не всегда. Предельная мощность привода, расход газа, доступная поверхность теплообмена и конструкция сосуда остаются физическими ограничениями.

Биореактор для клеточных культур Zhichu BioCore QC

Чтобы увидеть, как требования к деликатному культивированию реализованы на практике, рассмотрим настольный лабораторный биореактор Zhichu BioCore QC. Система предназначена для адгезионных и суспензионных клеток животных, насекомых и растений, а также для разработки процессов получения вакцин, рекомбинантных белков и моноклональных антител.

--

-

--

-

---

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

---

-
🚀--

-

[Оставить заявку →]

Поможем выбрать лучшее решение для вашей лаборатории

Оставьте свои контакты, чтобы 
получить консультацию эксперта