Proiect Bioreactoare

1. 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.
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.
1

2. 2
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
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). Cultivarea 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 aprovizionare 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.
Operarea în sistem semicontinuu („extended culture operation"). în acest caz, reactorul este
astfel operat încât concentraţia substratului limitativ este păstrată constantă prin aprovizionarea sa continuă („fed batch"). Se notează
SC şi se reprezintă grafic astfel:

3. 3
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
Operarea în sistem continuu („continuous operation"). Aceasta presupune alimentarea continuă cu
nutrienţi şi în acelaşi timp evacuarea din reactor a unei cantităţi echivalente de mediu de cultură.
Cultivarea continuă poate fi realizată în două tipuri de reactoare ideale: R şi D. Pentru reactorul R (cu recirculaţie) 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 şi D.
În modelul cu deplasare ideală, D, elementele dintr-o secţiune transversală, o
dată intrate în reactor, se deplasează prin translaţie în direcţie axială prin reactor; nu există elemente
de fluid care să depăşească alte elemente de fluid. Cantitativ, acest model se exprimă prin constanţa
vitezei fluidului în secţiunea transversală.
În biotehnologie, există însă şi sistemul de cultivare a microorganismelor în culturi de suprafaţă în care mediul de cultură poate fi
solid sau semisolid, astfel încât, dacă se ţine 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, compoziţia mediului de fermentaţie este uniformă pe tot parcursul
bioprocesului. în sistemele heterogene, în mediul de fermentaţie există gradiente de celule sau de

4. 4
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
substrat. în sistemul omogen, în orice moment, microorganismele din diferite zone ale sistemului au
aceeaşi stare fiziologică (acelaşi stadiu de dezvoltare). în sistemul heterogen, microorganismele din
diferite zone ale sistemului sunt expuse la diferite condiţii de mediu şi, în consecinţă, 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.
• CONFIGURAŢIA BIOREACTOARELOR. TIPURI CONSTRUCTIVE
Bioreactorul este „inima" oricărei fermentaţii sau bioconversii enzimatice. Configuraţia şi
construcţia unui bioreactor se realizează pe baza unor principii de inginerie bine fundamentate
ştiinţific. Alegerea tipului de bioreactor este în strânsă legătură cu tipul bioprocesului ce urmează a
se desfăşura în el.
Bioreactoarele cilindrice cu sau fără agitare sunt cel mai des utilizate în biotehnologie.
Bioreactorul este alcatuit din :
• Aparat de control;

5. 5
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
• Sicana;
• Tevi de avacuare a aerului ;
• Motor;
• Sita;
• Virola ;
• Capac;
• Manta;
• Agitator;
• Serpentina;
CARACTERIZAREA BIOREACTOARELOR
1. Bioreactorul discontinuu
Bioreactorul discontinuu este caracterizat prin amestecarea ideală a mediului de cultură şi prin
operarea în şarje: se încarcă componentele mediului, se inoculează, iar după un interval de timp
determinat se descarcă mediul de fermentaţie conţinând produşii de biosinteză.
2. Bioreactorul continuu
În cazul cultivării continue, prelungirea fazei de creştere exponenţială un timp nedefinit se
realizează prin adăugarea continuă în reactor a unei soluţii de mediu proaspăt cu un debit
volumetric şi eliminarea continuă a biomasei cu acelaşi debit, astfel încât volumul biomasei din fermentator să rămână constant.
Pentru stabilirea ecuaţiei ce generează dezvoltarea microorganismelor, trebuie să se ţină seama de faptul că variaţia concentraţiei
biomasei este datorată existenţei a două fenomene antagoniste:
-creşterea numărului microorganismelor datorită dezvoltării populaţiei
-scăderea cantităţii de microorganisme datorită eliminării lor din sistem.
3. Bioreactorul cu recirculare externă
In unele cazuri, mediul de fermentaţie de la ieşirea din bioreactor este supus
unei operaţii de separare (prin centrifugare, filtrare, sedimentare), iar concentratul conţinând
biomasa se recirculă parţial în bioreactor.
Ecuaţiile ce guvernează acest proces se bazează pe aplicarea bilanţurilor de materiale pentru
biomasă şi substrat.
Notăm cu r raportul de recirculare şi presupunem aceeaşi concentraţie a substratului şi a produsului în debitul de alimentare şi în
cel de evacuare.

6. 6
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
Reprezentarea schematică a bioreactorului cu recirculare.
Bilanţul de materiale pentru biomasă se scrie astfel:
Biomasă intrată + Biomasă existentă + Biomasă generată =
= Biomasă rămasă + Biomasă ieşită.
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 situaţii în care se utilizează şi reactoarele tubulare (cu diametrul mult mai mic decât lungimea), acestea având
următoarele avantaje:
• construcţie simplă, fără zone stagnante; în acest caz ridicarea la scară industrială se realizează mai uşor, fără riscuri;
• se poate regla durata de staţionare a celulelor în bioreactor, astfel încât conversia substratului să fie mai mare şi
concentraţia produsului finit mai mare;
• spumarea este mai mică;
• eforturile de forfecare sunt mai mici, deci distrugerea pereţilor celulelor este mai mică.
Reactorul cu o curgere tip piston este caracterizat prin existenţa unui profil plan de viteze în secţiune perpendiculară pe
direcţia de deplasare a
fluidului (axa reactorului).
Aceasta este o idealizare,
deoarece implică o
amestecare radială infinită şi
lipsa amestecării axiale.
Reprezentarea schematică a reactorului cu deplasare

7. 7
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
• Operarea bioreactoarelor în culturi extinse (cu adaosuri)
În afara modalităţilor de operare a bioreactoarelor, expuse anterior, în practica biotehnologică se
foloseşte cu succes şi tehnica adăugării în bioreactor a unuia sau a mai multor substraturi, în timpul
cultivării, fără eliminare de biomasă (fermentaţie cu adaosuri), numită şi cultură extinsă sau operare în
sistem semicontinuu.
Acest tip de cultivare se situează între cultivarea „în şarjă" şi cea continuă. Caracteristicile celor trei tipuri de operare:
în şarjă: concentraţia substratului scade;
continuu: concentraţia substratului este constantă;
semicontinuu: concentraţia substratului se menţine constantă o perioadă, după care scade.
Avantajele sistemului de operare semicontinuu sunt următoarele:
• prin alimentarea mediului în timpul cultivării se obţin rezultate superioare în productivitate
faţă de sistemul discontinuu;
• în cazul în care se utilizează nutrienţi cu proprietăţi inhibitoare (metanol, etanol, acid acetic),
prin menţinerea concentraţiei acestora între anumite limite se poate obţine o scurtare a
perioadei de latenta şi micşorarea efectului inhibitor al substratului;
• este posibilă obţinerea unor concentraţii mai mari de biomasă (circa 50 g/l) prin adăugarea de substrat.
• în cazul în care se doreşte obţinerea unor concentraţii foarte mari de biomasă (circa 100 g/l), sunt necesare concentraţii
ridicate de nutrienţi, ceea ce determină apariţia unui efect de inhibiţie. Astfel intervine aşa-numita „represie catabolică",
care apare Ia utilizarea unor surse de carbon şi energie uşor metabo-lizabile (glucoza) şi care constă în represia enzimelor
implicate în biosinteză datorită acumulării unei cantităţi mari de ATP în celulă. Pentru a micşora acest efect se adaugă
treptat glucoza.
Bioreactoarele mai pot fi clasificate si după alte criterii:
1. natura procesului biochimic:
- reactoare biologice, în care se desfăşoară procese de fermentaţie aerobe sau anaerobe
în prezenţa microorganismelor vii, ce parcurg etapele specifice dezvoltării lor, sunt aşa-numitele
procese de biosinteză;
-reactoare biochimice, în care se desfăşoară procese biochimice, catalizate de enzime
( celule, enzime izolate din celule, libere sau imobilizate), pe diferite substraturi introduse în mediu,
sunt aşa-numitele procesele de biotransformare.

8. 8
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
2.necesarul de oxigen:
-bioreactoare aerobe, în care procesele biochimice se desfăşoară în prezenţă de
oxigen(aer);
-bioreactoare anaerobe, în care procesele biochimice se desfăşoară în absenţă de
oxigen(aer);
3.modul de amestecare-agitare a mediului:
-bioreactoare cu amestecare mecanică, ce utilizează agitatoare mecanice;
-bioreactoare cu amestecare pneumatică, în care amestecarea se realizează prin
barbotarea unui gaz (aer, CO2);
-bioreactoare cu amestecare hidraulică, în care amestecarea se realizează prin
recircularea mediului lichid;
-bioreactoare cu amestecare mixtă; folosită mult în procesele aerobe, în care
amestecarea-omogenizarea se realizează prin agitare mecanică la care se adaugă amestecarea
pneumatică, realizată prin introducerea aerului prin barbotare.
1. Bioreactorul vertical, cu amestecare mixtă, mecanică şi pneumatică.
Bioreactorul cu amestecare mecanică reprezintă unul dintre cele mai utilizate tipuri de bioreactoare
la nivel industrial.

9. 9
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
Bioreactorul clasic cu amestecare mecanică este construit dintr-un recipient cilindric (virolă) de oţel
inoxidabil sau de sticlă (pentru bioreactoarele cu capacitatea de maxim 20 –30 l), prevăzut cu două
capace elipsoidale, îmbinate cu ajutorul flanşelor (capacul inferior poate fi sudat) (figura 2.1).
In afara problemelor legate de coroziune, alegerea materialului de construcţie al bioreactorului
trebuie să ţină cont şi de posibilele componente cu efecte toxice sau inhibante asupra
microorganismelor cultivate sau a biocatalizatorilor, precum şi cu efecte nedorite
în utilizarea produselor obţinute. Astfel, ionii de fier inhibă biosinteza flavinelor, ceea ce reprezintă
o limitare serioasă a obţinerii la nivel industrial a riboflavinei (vitamina B2). Ionii de cupru reduc
productivitatea biosintezei ciancobalaminei (vitamina B12). In cazul în care o serie de preparate
enzimatice obţinute în bioreactoare de sticlă sînt utilizate în alimentaţie sau medicină, sticla din care
este confecţionat bioreactorul nu trebuie să conţină plumb.
Bioreactorul este echipat cu un sistem de amestecare alcătuit dintr-un agitator simplu sau
multiplu, în funcţie de înălţimea lichidului din vas, şi o serie de şicane montate în apropierea virolei
cilindrice.In cazul bioreactoarelor izoterme, menţinerea unei temperaturi constante a mediului
se realizează, cel mai frecvent, prin intermediul unei mantale prin care circulă agentul termic.
Datorită vîscozităţii ridicate a majorităţii lichidelor de fermentaţie, precum şi a necesităţii realizării
unui transfer termic rapid, bioreactoarele sînt prevăzute şi cu serpentine interioare, dispuse în jurul
agitatorului (figura 2.1.a) sau vertical lîngă perete (figura 2.1.b). Acest sistem de transfer de căldură
este caracteristic bioreactoarelor industriale.

10. 10
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
Pentru procesele aerobe, bioreactoarele sînt echipate cu barbotoare de aer (aerul fiind cea mai
ieftină materie primă care conţine oxigen), dispuse, în general, sub formă inelară simplă sau
concentrică la baza vasului.
In procesele de biosinteză realizate la nivel de laborator sau pilot, în mediu se poate barbota aer
îmbogăţit cu oxigen sau chiar oxigen pur.Formarea spumei este inevitabilă în procesele
fermentative şi chiar în unele enzimatice.
Spumarea este rezultatul eliminării dioxidului de carbon ca produs al transformărilor biochimice sau
al aerării. Fenomenul este mai pronunţat pentru sistemele aerate cu agitare puternică sau cu o
activitate metabolică intensă a microorganismelor cultivate. Apariţia spumei generează oserie de
efecte negative în timpul fermentaţiei:
• reduce volumul util al bioreactorului;
• măreşte riscul contaminării mediului, datorită revărsării sale prin racordul de evacuare a
aerului;
• prin revărsarea sa în exterior, odată cu spuma este antrenată şi o parte din mediu, ceea ce
determină pierderi în substrat şi produşi utili;

11. 11
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
• în cazul proceselor aerobe, bulele de aer sînt înglobate în spuma care este reţinută şi
recirculată continuu în bioreactor, ceea ce face ca timpul de retenţie al bulelor să crească, în
acest mod reducîndu;
• se gradientul de concentraţie al oxigenului şi, implicit, viteza transferului de masă al
acestuia;
• sunt perturbate condiţiile de operare, datorită adăugării unor compuşi antispumanţi sau a
reducerii agitării şi/sau aerării;
• este afectată calitatea mediului, ca rezultat al adăugării agenţilor antispumanţi, uneori fiind
necesară purificarea suplimentară a masei celulare sau a produsului. ;
Pentru combaterea spumei, bioreactoarele pot fi prevăzute cu dispozitive spărgătoare de spumă,
montate la partea superioară a axului agitatorului. Insă, eficienţa lor este redusă pentru procesele în
care se produce o spumare abundentă. De aceea se utilizează curent procedeele chimice de
combatere a spumei, individuale sau în combinaţie cu cele mecanice. Procedele chimice constau în
adăugarea în bioreactor, atunci cînd nivelul spumei depăşeşte o anumită limită, a unor compuşi
tensioactivi cu acţiune antispumantă: alcooli superiori, ulei siliconic, uleiuri vegetale (de soia, de
floarea-soarelui), grăsimi animale, detergenţi etc.
Bioreactoarele de capacitate redusă utilizează, pentru limitarea spumării, ultrasunetele, curentul
electric sau suprafeţe încălzite, metode care nu şi-au găsit, însă, aplicabilitate la scară industrială.
1. Bioreactoare cu membrane.
Au ca element distinctiv una sau mai multe membrane solide semipermeabile(cu permeabilitate
selectivă) care pot îndeplini două funcţii:
• Separarea masei celulare sau a biocatalizatorilor de produsele formate;
• Imobilizarea biocatalizatorilor.
În general, aceste bioreactoare sunt utilizate în procesele enzimatice, permiţând reţinerea
biocatalizatorilor(enzimelor), a căror masă moleculară este ridicată, într-o anumită regiune din
bioreactor şi trecerea prin porii membranei a substratului sau produşilor.
Din punct de vedere al materialului semipermeabil, acest tip de bioreactoare pot fi:
bioreactoare cu membrane microporoase şi bioreactoare cu membrane tip fibre goale.

12. 12
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
1.1. Bioreactoare cu membrane microporoase
Membranele pot fi confecţionate din materiale polimerice sintetice(poliamide), sau din
materiale ceramice microporoase.
Unul dintre cele mai uzuale bioreactoare din această categorie este bioreactorul cu
membrană cu amestecare mecanică(figura 6.1.).
Este format dintr-un corp cilindric. Este prevăzut cu un sistem de amestecare alcătuit dintr-
un agitator tip turbină cu palete şi o serie de şicane montate pe pereţii interiori laterali ai
bioreactorului. Temperatura optimă este menţinută cu o manta exterioară, prin care circulă agentul
de încălzire-răcire.
La partea inferioară, bioreactorul este echipat cu o membrană semipermeabilă.
Fermentaţia se produce în partea superioară a bioreactorului. După terminarea procesului
biochimic, produsul rezultat, metabolitul de interes, trece prin membrana semipermeabilă şi se
acumulează la partea inferioară a bioreactorului, de unde este evacuat.
Bioreactorul poate fi utilizat în procese enzimatice( ca de exemplu obţinerea acidului 6-
aminopenicilanic) şi fermentative, situaţie în care suprapresiunea creată de degajarea CO2, rezultat
în urma fermentaţiei, constituie forţa motoare a filtrării prin membrană. Dimensiunea porilor
membranei este cuprinsă între 0.45 şi 1μm, putând reţine celulele microbiene(sau enzimele) în
regiunea unde are loc fermentaţia.
În cazul acestui tip de bioreactor, procesele postfermentative, de izolare, separare, purificare
a metabolitului de interes sunt mult simplificate, datorită faptului că masa microbiană sau enzima
folosită rămân în partea superioară a bioreactorului.

13. 13
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
2.2.Bioreactoare cu membrane tip fibre goale.
Fibrele goale pot fi asimilate cu membranele poroase cu conformaţie tubulară.
Biocatalizatorii(enzimele) se găsesc în interiorul fibrei, iar substratul/produsul circulă prin canalul
acesteia. Substratul difuzează în interior prin porii peretelui, iar produsul difuzează în
exterior prin porii peretelui(figura 3).
Există mai multe variante constructive ale acestor bioreactoare. Ele pot fi orizontale,
verticale.
Ca exemplu prezentăm bioreactorul vertical cu membrane tip fibre goale (figura 6.8.).
Acest tip de bioreactor este alcătuit dint-un corp cilindric vertical. Membranele tip fibre
goale sunt dispuse vertical si paralel în interiorul bioreactorului. Mediul de cultură care conţine
substratul este introdus pe la partea inferioară. Circulaţia mediului se face prin canalul central al
fibrei tubulare, în interiorul fibrei, unde întâlneşte biocatalizatorul(enzima). Produşii rezultaţi vor
difuza prin porii pereţilor fibrelor spre exterior şi vor fi evacuaţi pe la partea superioară, în
lateral. Mediul epuizat va fi evacuat pe la partea superioară. Si în acest caz sunt mult simplificate
procesele postfermentative.

14. 14
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
3. Bioreactoare pentru medii solide
Prezentăm ca exemplu, bioreactorul cu agitator mecanic excentric(figura7.3).
Este alcătuit din corpul bioreactorului, de formă cilindrică. În interiorul bioreactorului se găseşte
mediul nutritiv solid ( partea innegrită). Agitarea se realizează cu ajutorul unui agitator mecanic
excentric plasat în interiorul mediului solid. În cazul bioreactoarelor aerobe, pe la partea inferioară a
bioreactorului se introduce aer. Pe lângă agitarea mecanică, omogenizarea este asigurată şi de
degajarea gazelor rezultate în urma fermentaţiei, gaze care se evacuează pe la partea superioară.
Aplicaţiile bioreactoarelor cu amestecare sunt multiple: obţinerea oxitetraciclinei în culturi
de Streptomyces, obţinerea unor substanţe proteice în culturi de Aspergillus, etc.
• ALEGEREA BIOREACTOARELOR
Alegerea bioreactorului potrivit pentru un anumit proces biotehnologic se realizează în
funcţie de o serie de factori predeterminaţi cum ar fi: natura microorganismului folosit, proprietăţile
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 esenţial de stabilitatea tulpinii productive. De exemplu, numai tulpinile care sunt suficient de stabile pot
fi utilizate în operarea continuă [Aiba ş.a., 1973]. Condiţiile de operare sunt afectate în mod hotărâtor fiind complet diferite dacă
microorganismul este aerob sau anaerob.
în creşterea 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
şi celulele sunt aprovizionate cu oxigen mai bine.
Mărimea şi forma celulelor. Acestea au, de asemenea, o influenţă „ considerabilă asupra tipului de reactor necesar şi a

15. 15
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
modului de operare. Celulele sferice sunt, de obicei, mai mici şi mai puţin 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 suprafaţă şi volum, un consum mai mare al substratului şi, de asemenea, o creştere rapidă. Celulele
aerobe cu viteză mare de creştere necesită un consum al oxigenului mai mare.
Organismele filamentoase cresc numai la capătul hifelor. Aceasta conduce la viteze mici de creştere şi la cereri mici în
oxigen. Deoarece astfel de celule sunt, de cele mai multe ori, sensibile la forfecare, forţe mari de dispersie pot cauza ruperea. De fapt,
este de dorit să se disperseze nu numai faza gazoasă ci şi microorganismul însuşi.
Formarea de micelii şi aglomerări are un efect considerabil asupra alegerii reactorului. Aglomerările de celule au un raport mic între
suprafaţă şi volum, o viteză mică de consum a substratului şi o viteză mică de creştere.
Viteza mică de consum a oxigenului permite folosirea reactoarelor care dispersează aerul într-un grad mic sau moderat.
Celulele care formează aglomerări sunt uşor de separat din mediile de cultură şi reintroduse în reactor în scopul ridicării densităţii
celulare. în multe reactoare, densitatea celulară se diminuează considerabil cu creşterea înălţimii (de exemplu, reactoarele turn). Când
ieşirea mediului este plasată la capătul reactorului, numai o cantitate mică de celule sunt îndepărtate din turn. în acest fel, timpul de
staţionare a celulelor în reactor poate fi extins considerabil, fără creşterea timpului de staţionare în mediu. Deci, aglomerarea de
celule permite operarea în sistem continuu a reactorului de producere a metaboliţilor, fără o separare specială a celulelor (de
exemplu, prin centrifugare sau filtrare).
Caracteristici ale reactoarelor determinate de proprietăţile mediului de cultură. Caracteristicile
mediilor de cultură determină alegerea unui anumit tip de bioreactor.
Proprietăţile fizice ale substratului folosit diferă: gazos (de exemplu, metan, dioxid de carbon, la fotosinteză), lichid şi solubil în apă
(de exemplu, glucoza, lactoză), lichid şi insolubil în apă (de exemplu, parafine), solid şi insolubil în apă (de exemplu, amidon,
celuloză). Fiecare stare fizică exercită o influenţă considerabilă în alegerea bioreactorului. De aceea, de exemplu, metanul şi aerul pot
forma un amestec exploziv şi reactoarele cu acest amestec nu pot fi folosite.
În cazul substraturilor volatile, se alege un reactor cu debit în contracurent, cu agitare uşoară axială
sau un sistem de reactoare cu mai multe stagii pentru a micşora pierderile de gaz. S-a studiat, de
asemenea, aeraţia emulsiilor de ulei în apă. Prezenţa parafinelor reduce viteza de transfer a
oxigenului. în general, reactoarele de suprafaţă nu sunt potrivite pentru fermentaţia emulsiilor
uleioase.
O altă proprietate a mediului de cultură care influenţează procesul de fermentaţie este tendinţa de
coalescenţă, adică formarea de bule de gaz care micşorează transferul de oxigen în mediul de
cultură. în acest caz se introduc în bioreactor sisteme de disipare a bulelor, cu efect local (mijloace mecanice).
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 ieşirii aerului, inundarea filtrelor de aer, scăderea volumului de mediu
în bioreactor, infecţia mediului de cultură şi, deci, compromiterea procesului de biosinteză.
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 funcţie de nivelul
concentraţiei de oxigen dizolvat măsurată continuu) transformă procesul într-unui cu
limitare de substrat; în acest caz concentraţia oxigenului nu mai este un factor limitativ şi nu

16. 16
FUNDAMENTELE BIOTEHNOLOGIEI
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 antispumanţi, care schimbă coalescenţa mediului. Agentul antispumant se
acumulează la interfaţa gaz-lichid şi împiedică formarea spumei.
Antispumanţii utilizaţi 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 turaţie mare, şicane, tuburi interioare.
Spumarea poate fi combătută şi prin alegerea tipului de bioreactor potrivit care să permită o
circulaţie rapidă a lichidului fără să formeze spumă (bioreactor cu „draft" interior).
Bibliografie
1.http://www.umfiasi.ro/masterate/Suporturi/de/curs/Facultatea/de/Bioinginerie/Echipamente/speciale/in/biot
ehnologie/curs/master.pdf
2. http://documents.tips/documents/bioreactoare-55938b494c2a5.html