Чем биореактор отличается от ферментёра: термины, устройство и области применения

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, какое оборудование подойдёт вашему процессу?

Сопоставим тип культуры, рабочий объём, режим культивирования, требования к аэрации и стерилизации и предложим подходящую конфигурацию.

[Получить рекомендацию →]

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

Ферментер - 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 ферментер 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, ферментер 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.
🚀Нужно проверить, справится ли оборудование с вашим процессом?

При подборе учитываем культуру, рабочий объём, кислородный запрос, чувствительность к сдвигу, режим подпитки, требования к охлаждению и стерилизации.

[Обсудить конфигурацию со специалистом →]

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.

Области применения биореакторов и ферментёров

Область применения биореакторов охватывает фармацевтику, пищевую промышленность, биохимию, экологические технологии и исследования. При этом конкретное оборудование выбирают по культуре и процессу, а не только по отрасли.

Фармацевтика: антибиотики и микробные продукты

Антибиотики, многие ферменты и витамины получают с помощью бактерий или грибов. Такие процессы обычно проводят в ферментерах.

Для аэробного производства важны:
  • высокий кислородный массоперенос;
  • эффективное перемешивание;
  • отвод тепла;
  • контроль пены;
  • точное дозирование питания;
  • асептическая конструкция;
  • регистрация параметров.

При работе с мицелиальными грибами культуральная жидкость может становиться неоднородной и вязкой. С ростом вязкости ухудшаются перемешивание и передача кислорода. Поэтому характеристики, полученные на воде, не всегда отражают поведение системы с реальной средой.

Промышленное производство пенициллина стало одним из первых процессов, где сочетание аэрации, мешалки и стерильной аппаратуры напрямую определяло производительность. Те же инженерные задачи сохраняются и сегодня, хотя датчики и системы управления стали значительно точнее.

Вакцины, моноклональные антитела и рекомбинантные белки

Для производства биофармацевтических продуктов применяют клетки CHO, HEK293, Vero, MDCK, гибридомы, клетки насекомых и другие культуры.

Биореактор должен обеспечивать:
  • мягкую гидродинамику;
  • стабильную температуру;
  • точный pH;
  • управляемый DO;
  • удаление CO2;
  • стерильную подпитку;
  • воспроизводимость;
  • регистрацию данных.

Суспензионные клетки свободно находятся в среде. Адгезионным клеткам требуется поверхность для прикрепления, поэтому их выращивают на микроносителях, пластинах, волокнах или других элементах.

При работе с микроносителями необходимо одновременно:
  • удерживать частицы во взвешенном состоянии;
  • не допускать интенсивных столкновений;
  • обеспечить перенос кислорода и питательных веществ;
  • организовать отбор проб без потери носителей;
  • учитывать изменение гидродинамики по мере обрастания поверхности.

Для антител часто применяют fed-batch, потому что он сочетает сравнительно понятную технологическую схему с высокой продуктивностью. Perfusion выбирают, когда нужна очень высокая плотность клеток, длительная продукция или быстрое удаление нестабильного продукта.

Вирусология и производство вакцин

Вирусы воспроизводятся только в клетках-хозяевах. Поэтому сначала в биореакторе наращивают подходящую культуру, а затем проводят заражение и накопление вирусного материала.

Система должна поддерживать:
  • воспроизводимую плотность клеток перед заражением;
  • контролируемую множественность инфицирования;
  • требуемую температуру до и после заражения;
  • стабильный pH;
  • подходящий газовый режим;
  • безопасный пробоотбор;
  • соответствие требованиям биологической безопасности.

Для адгезионных линий Vero и MDCK могут использоваться микроносители или другие поверхности. HEK293 применяют в том числе для наработки аденовирусов, а клетки насекомых - в бакуловирусных системах экспрессии.

Пищевая промышленность

Ферментеры применяются при производстве:
  • пива;
  • вина;
  • кисломолочных продуктов;
  • заквасок;
  • пищевых органических кислот;
  • дрожжевой биомассы;
  • ферментов;
  • ароматических и функциональных ингредиентов.

В алкогольной ферментации дрожжи превращают сахара в этанол и CO2. Процесс может быть анаэробным или микроаэробным, однако на стадии подготовки дрожжей кислород иногда необходим для роста биомассы.

При выпуске кисломолочных продуктов важно управлять скоростью снижения pH. Слишком медленное подкисление увеличивает продолжительность цикла, а слишком быстрое может повлиять на текстуру и вкус.

Пищевой ферментёр должен соответствовать санитарным требованиям и обеспечивать мойку всех контактирующих поверхностей. Понятие «пищевая ферментация» не означает, что стерильность и защита от посторонней микрофлоры не важны. Уровень контроля определяется технологией и требованиями к продукту.

Биотопливо и биохимия

Микроорганизмы используют для получения:
  • биоэтанола;
  • бутанола;
  • молочной кислоты;
  • лимонной кислоты;
  • янтарной кислоты;
  • аминокислот;
  • растворителей;
  • микробных липидов;
  • биополимеров.

Экономика таких процессов сильно зависит от концентрации конечного продукта. Если ферментёр позволяет получить высокую плотность биомассы и высокий титр, уменьшаются затраты на последующее концентрирование и очистку.

Но повышение концентрации субстрата может вызвать:
  • осмотический стресс;
  • субстратное ингибирование;
  • рост вязкости;
  • кислородное ограничение;
  • накопление токсичных метаболитов.

Поэтому для биохимических производств часто применяют fed-batch, при котором субстрат добавляют постепенно.

Очистка сточных вод и биоремедиация

В аэробных очистных системах микроорганизмы окисляют органические загрязнения при подаче кислорода. В анаэробных реакторах микробные сообщества перерабатывают органику без доступа кислорода с образованием биогаза.

В таких процессах оценивают:
  • нагрузку по органическому веществу;
  • время удерживания;
  • концентрацию биомассы;
  • подачу кислорода;
  • образование и удаление ила;
  • температурный режим;
  • состав загрязнений;
  • устойчивость микробного сообщества.

Для лабораторного моделирования очистки используют небольшие биореакторы, позволяющие сравнивать режимы аэрации, скорость разложения загрязнителей и активность различных консорциумов.

R&D и лабораторные исследования

В исследовательской лаборатории биореактор или ферментёр нужен не только для получения продукта. Его основная ценность - возможность воспроизводимо изменять один фактор и измерять результат.

Типичные задачи:
  • скрининг штаммов;
  • сравнение клеточных линий;
  • оптимизация состава среды;
  • подбор температуры и pH;
  • разработка каскада DO;
  • исследование профиля подпитки;
  • определение момента сбора;
  • анализ газообмена;
  • подготовка данных для масштабирования;
  • наработка опытной партии.

Лабораторная установка должна обеспечивать достаточную гибкость, но избыточная конфигурация увеличивает стоимость и сложность эксплуатации. Например, четырёхгазовая система полезна для клеточных культур, но может быть необязательной для стандартной аэробной ферментации, где используется только воздух.
🚀Не уверены, биореактор или ферментёр нужен для вашей задачи?

Смотрим на культуру, целевой продукт, режим культивирования, требования к перемешиванию и стерилизации - и предлагаем оборудование, которое соответствует процессу!

[Оставить заявку →]

Поможем выбрать лучшее решение для вашей лаборатории

Оставьте свои контакты, чтобы 
получить консультацию эксперта