المفاعلات الحيوية هي المعدات الأساسية في الهندسة الحيوية لتوفير الظروف البيئية المناسبة (على سبيل المثال ، درجة الحرارة ، الرقم الهيدروجيني ، الأكسجين الذائب ، الخلط ، إلخ) لدعم عملية التفاعل البيولوجي للكائنات الحية الدقيقة أو الخلايا أو الإنزيمات. وفقًا لمبادئ التصميم المختلفة ، وسيناريوهات التطبيق وطرق التشغيل ، يمكن تصنيف المفاعلات الحيوية إلى أنواع مختلفة. فيما يلي التصنيفات والخصائص المشتركة:
التصنيف عن طريق الخلط والنقل الجماعي
مفاعل الخزان المثير (STR)
- صفات: يتم تحقيق الخلط ونقل الكتلة عن طريق التحريك الميكانيكي (مجداف التحريك) ، ويمكن التحكم في الأكسجين المذاب ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة بدقة.
- التطبيقات: يستخدم على نطاق واسع في التخمير الميكروبي (مثل المضادات الحيوية ، الإنزيمات) ، ثقافة الخلايا الحيوانية (يتطلب تصميم مجداف منخفض القص).
- المتغيرات
مفاعلات الفقاعة المثيرة: مزيج من فقاعة الغاز والتحرك الميكانيكي.
مفاعل الموجة المثير: يولد الأمواج عن طريق هز الوعاء ، مناسبة لثقافات الخلايا الحساسة للقص.
مفاعل الجوية (ALL)
- صفات: الدورة الدموية السائلة مدفوعة بحقن الغاز (بدون تحريك ميكانيكي) ، قوة القص المنخفضة ، انخفاض استهلاك الطاقة.
- طلب: مناسبة للخلايا الحساسة للقص (مثل الخلايا النباتية ، وبعض خلايا الثدييات) أو الثقافة المستمرة على المدى الطويل.
مفاعل عمود فقاعة
- صفات: فقط من خلال فقاعة الغاز لتحقيق الخلط ، بنية بسيطة ، ولكن كفاءة الخلط أقل.
- طلب: مناسبة للغاز المتورط في التفاعل (مثل ثقافة الطحالب الدقيقة ، معالجة مياه الصرف الصحي).
التصنيف وفقًا لتجمد الخلايا أو الإنزيمات
مفاعل السرير معبأة
- الخصائص: يتم تجميد الخلايا أو الإنزيمات في ناقلات مسامية (مثل المواد الهلامية والألياف) لتشكيل طبقة سرير ثابتة ، ويتدفق سائل التفاعل عبر السرير.
- التطبيق: الإنتاج المستمر للأيضات (مثل الإيثانول ، الأحماض العضوية) أو التفاعلات المحفزة بالإنزيم.
مفاعل السرير المميت
- الخصائص: جزيئات الناقل المعلقة في تدفق السائل أو الهواء ، كفاءة نقل الكتلة العالية ، ولكن العملية معقدة.
- التطبيقات: معالجة مياه الصرف الصحي ، تفاعل الإنزيم المتجميد.
المفاعل الحيوي للأغشية (MBR)
- الخصائص: يتم الاحتفاظ بمزيج من التفاعل البيولوجي وتكنولوجيا فصل الغشاء ، والكتلة الحيوية (مثل الكائنات الحية الدقيقة ، والخلايا) بواسطة الغشاء.
- التطبيقات: معالجة مياه الصرف ، ثقافة الخلايا عالية الكثافة ، الفصل المستمر للمنتجات.
وفقا للوظيفة الخاصة أو تصنيف التصميم
المفاعل الضوئي
- الخصائص: توفير الظروف الإضاءة لزراعة الكائنات الحية الدقيقة للتمثيل الضوئي (مثل الطحالب الدقيقة ، البكتيريا الزرقاء).
- التصميم: مادة شفافة (زجاجية أو بلاستيكية) ، مصدر ضوء مدمج أو باستخدام الضوء الطبيعي.
- التطبيقات: الوقود الحيوي (زيوت الطحالب) ، المنتجات ذات القيمة العالية (Astaxanthin ، بيتا كاروتين).
مفاعل حيوي الاستخدام الفردي
- الخصائص: استخدام الأكياس التي يمكن التخلص منها بدلاً من خزانات الفولاذ المقاوم للصدأ لتجنب التلوث المتقاطع وتقصير وقت التنظيف والتحقق من الصحة.
- التطبيقات: إنتاج اللقاح ، وتطوير الأدوية في مرحلة التجربة السريرية.
نشرة مفاعل حيوي
- الميزات: الإضافة المستمرة للوسائط الطازجة وإزالة سائل النفايات للحفاظ على نشاط الخلايا العالية وتركيز المنتج.
- التطبيق: ثقافة خلايا الثدييات (مثل إنتاج الأجسام المضادة أحادية النسيلة).
التصنيف وفقًا لوضع العملية
مفاعل دفعة
إضافة لمرة واحدة للثقافة ، حصاد المنتج بعد نهاية التفاعل ، والتشغيل البسيط ولكن كفاءة أقل.
مفاعل مستمر
المدخلات المستمرة للثقافة المتوسطة وإخراج المنتجات ، مناسبة للإنتاج الصناعي على نطاق واسع.
مفاعل دفعة تغذية
تجديد العناصر الغذائية تدريجياً في تشغيل الدُفعات لإطالة فترة نمو الخلية وزيادة عائد المنتج (الوضع الشائع).
التصنيف وفقًا لمجالات التطبيق
- تخمير الميكروبات: مثل إنتاج المضادات الحيوية ، والأحماض الأمينية.
- مفاعل الخلايا الحيوانية: مثل إنتاج خلايا CHO للأجسام المضادة.
- مفاعل الخلايا النباتية: مثل إنتاج المستقلبات الثانوية (باكليتاكسيل).
- مفاعلات الإنزيم: إنزيمات مثقلة تحفز التفاعلات (مثل أيزوموز الجلوكوز).
العوامل الرئيسية في اختيار المفاعل الحيوي
- خصائص النظام البيولوجي: الكائنات الحية الدقيقة ، تحتاج الخلايا الحيوانية/النباتية إلى القص ، الأكسجين المذاب.
- نوع المنتج: ما إذا كان الفصل المستمر مطلوب (مثل مفاعل الغشاء).
- المقياس: درجة المختبر (<10 L) vs. industrial grade (>1000 L).
- التكلفة: مفاعلات يمكن التخلص منها للإنتاج المرن ، مفاعلات الفولاذ المقاوم للصدأ للاستخدام على نطاق واسع على نطاق واسع.