SlideShare a Scribd company logo
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.
În mod similar, spatiul în care se desfăşoară un proces biologic se numeşte „bioreactor”. Deci, partea principală a
unei instalaţii de biosinteză o reprezintă bioreactorul, un aparat în care are loc un proces biochimic dirijat.
Bioreactorul are un rol determinant în procesul biotehnologic, deoarece este locul unde se elaborează metabolitul de
interes (substanţa farmaceutică).
Bioreactorul, sau fermentatorul este locul unde se desfăşoară procesele biochimice, de biosinteză sau de
biotransformare a unui substrat cu ajutorul microorganismelor, celulelor sau enzimelor, în produse utile( substanţe
medicamentoase, proteine, enzime, etc.).
Bioreactoarele pot fi clasificate după mai multe 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.
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 este echipat 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.
Acest tip de bioreactor se foloseşte pentru procese de
fermentaţie de profunzime,de tip procese de biosinteză,
de elaborare a unui metabolit de interes sub acţiunea unui
microorganism producător. Se foloseşte în industria
farmaceutică pentru obţinerea prin fermentaţie a
antibioticelor(peniciline de biosinteză), a unor vitamine(B2,
B12), etc.
2.Bioreactoare cu membrane.
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.
Este format dintr-un corp cilindric, 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.
3.Bioreactoare pentru medii solide
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. Sistemul de răcire al bioreactorului este format
dintr-o manta exterioară, care preia căldura degajată în
procesul de fermentaţie.
Aplicaţiile bioreactoarelor cu amestecare sunt multiple:
obţinerea oxitetraciclinei în culturi de Streptomyces,
obţinerea unor substanţe proteice în culturi de Aspergillus,
etc bioreactorul cu agitator mecanic excentric
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: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 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 :în acest caz,
reactorul este astfel operat încât concentraţia
substratului limitativ este păstrată constantă prin
aprovizionarea sa continuă .
• Operarea în sistem continuu :Aceasta presu-
pune 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.
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: L-S sau G-L-S
unde:
• L-L: lichid - lichid- monofazice
• L-S: lichid-solid - multifazice
• G - L- S: gaz - lichid – solid - multifazice
• în 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 substrat;
• în sistemul omogen,în orice moment,microorganismele din diferite zone ale sistemului au acelaşi stadiu de dezvoltare;
• în sistemul heterogen, microorganismele din diferite zone ale sistemului sunt expuse la diferite condiţii de mediu şi, în
consecinţă, vor diferite stadii de dezvoltare.
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 susţine singur din punct de vedere termic.
Reacţiile biologice sunt exoterme, indiferent de microorganismul utilizat, de condiţiile de lucru sau de produşii obţinuţi.
Reacţiile chimice pot fi exoterme, cu degajare de căldură (ΔIR < 0) sau endoterme, cu absorbţie de căldură din mediul
exterior (ΔIR> 0). Reacţiile chimice exoterme pot fi conduse în oricare din regimurile termice specificate, pe când cele
endoterme nu pot fi operate autoterm.
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
• scaderea 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.
Reprezentarea schematică a bioreactorului cu recirculare.
Notăm cu r raportul de recirculare şi
presupunem aceeaşi concentraţie a
substratului şi a produsului în debitul de
alimentare şi în cel de evacuare.
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
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.
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 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.
Bioreactoare

More Related Content

What's hot

Conservarea prin sarare
Conservarea prin sarareConservarea prin sarare
Conservarea prin sararegreendana14
 
146365724 fluxul-tehnologic-in-procesarea-carnii-de-porc
146365724 fluxul-tehnologic-in-procesarea-carnii-de-porc146365724 fluxul-tehnologic-in-procesarea-carnii-de-porc
146365724 fluxul-tehnologic-in-procesarea-carnii-de-porc
ValentinMaftei
 
Proiect chimie , zaharidele
Proiect  chimie , zaharideleProiect  chimie , zaharidele
Proiect chimie , zaharidele
Diana Pacu
 
Numele trandafirului
Numele trandafirului Numele trandafirului
Numele trandafirului
Liliana Chicerman
 
Tehnologii specifice de prelucrare a legumelor si fructelor
Tehnologii specifice de prelucrare a legumelor si  fructelorTehnologii specifice de prelucrare a legumelor si  fructelor
Tehnologii specifice de prelucrare a legumelor si fructelorGeta Enache
 
Categorii de cost
Categorii de costCategorii de cost
Categorii de cost
Muresan Diana
 
лекція №7
лекція №7лекція №7
лекція №7
shulga_sa
 
Glucidele
GlucideleGlucidele
Glucidele
Won Shorty
 
Incalzirea globala powerpoint
Incalzirea globala powerpointIncalzirea globala powerpoint
Incalzirea globala powerpoint
Georgiana Truta
 
Boli ale sistemului digestiv la om
Boli ale sistemului digestiv la omBoli ale sistemului digestiv la om
Boli ale sistemului digestiv la omviviana
 
Organisme transgenice
Organisme transgeniceOrganisme transgenice
Organisme transgeniceDumitru Maros
 
Petrolul -Chimie
Petrolul -ChimiePetrolul -Chimie
Petrolul -ChimiePreda Anca
 
Epurarea apelor
Epurarea apelorEpurarea apelor
Epurarea apelor
iuliana_pitu
 
Europa unita- Ce e Uniunea Europeana
Europa unita- Ce e Uniunea EuropeanaEuropa unita- Ce e Uniunea Europeana
Europa unita- Ce e Uniunea Europeana
Lazar Viorica
 
Hranirea autotrofa
Hranirea autotrofa Hranirea autotrofa
Hranirea autotrofa
Garnetz Andreea-Catalina
 
Nutritia heterotrofa
 Nutritia heterotrofa Nutritia heterotrofa
Nutritia heterotrofa
Garnetz Andreea-Catalina
 
Poluarea
PoluareaPoluarea
Poluarea
scmargineni
 
Prezentare ecologie
Prezentare ecologiePrezentare ecologie
Prezentare ecologie
Bortan Horea
 

What's hot (20)

Conservarea prin sarare
Conservarea prin sarareConservarea prin sarare
Conservarea prin sarare
 
146365724 fluxul-tehnologic-in-procesarea-carnii-de-porc
146365724 fluxul-tehnologic-in-procesarea-carnii-de-porc146365724 fluxul-tehnologic-in-procesarea-carnii-de-porc
146365724 fluxul-tehnologic-in-procesarea-carnii-de-porc
 
Proiect chimie , zaharidele
Proiect  chimie , zaharideleProiect  chimie , zaharidele
Proiect chimie , zaharidele
 
Numele trandafirului
Numele trandafirului Numele trandafirului
Numele trandafirului
 
Debarasarea ppt
Debarasarea pptDebarasarea ppt
Debarasarea ppt
 
Tehnologii specifice de prelucrare a legumelor si fructelor
Tehnologii specifice de prelucrare a legumelor si  fructelorTehnologii specifice de prelucrare a legumelor si  fructelor
Tehnologii specifice de prelucrare a legumelor si fructelor
 
Categorii de cost
Categorii de costCategorii de cost
Categorii de cost
 
лекція №7
лекція №7лекція №7
лекція №7
 
Glucidele
GlucideleGlucidele
Glucidele
 
Incalzirea globala powerpoint
Incalzirea globala powerpointIncalzirea globala powerpoint
Incalzirea globala powerpoint
 
Boli ale sistemului digestiv la om
Boli ale sistemului digestiv la omBoli ale sistemului digestiv la om
Boli ale sistemului digestiv la om
 
Organisme transgenice
Organisme transgeniceOrganisme transgenice
Organisme transgenice
 
Petrolul -Chimie
Petrolul -ChimiePetrolul -Chimie
Petrolul -Chimie
 
Epurarea apelor
Epurarea apelorEpurarea apelor
Epurarea apelor
 
Europa unita- Ce e Uniunea Europeana
Europa unita- Ce e Uniunea EuropeanaEuropa unita- Ce e Uniunea Europeana
Europa unita- Ce e Uniunea Europeana
 
Hranirea autotrofa
Hranirea autotrofa Hranirea autotrofa
Hranirea autotrofa
 
Nutritia heterotrofa
 Nutritia heterotrofa Nutritia heterotrofa
Nutritia heterotrofa
 
Luceafarul
LuceafarulLuceafarul
Luceafarul
 
Poluarea
PoluareaPoluarea
Poluarea
 
Prezentare ecologie
Prezentare ecologiePrezentare ecologie
Prezentare ecologie
 

Similar to Bioreactoare

Bioreactoare
BioreactoareBioreactoare
5.7 metoda bacteriologică
5.7 metoda bacteriologică5.7 metoda bacteriologică
5.7 metoda bacteriologică
Eugen Tabac
 
4.5 fiziologia microorganismelor
4.5 fiziologia microorganismelor4.5 fiziologia microorganismelor
4.5 fiziologia microorganismelor
Eugen Tabac
 
Modelarea de bioproces. Procese continue_Crețu Larisa_ACEJ.pptx
Modelarea de bioproces. Procese continue_Crețu Larisa_ACEJ.pptxModelarea de bioproces. Procese continue_Crețu Larisa_ACEJ.pptx
Modelarea de bioproces. Procese continue_Crețu Larisa_ACEJ.pptx
dco123
 
La microbiologie
La microbiologieLa microbiologie
La microbiologieGalina Nika
 
5. 5. 10 agenda notițelor paralele
5. 5. 10 agenda notițelor paralele5. 5. 10 agenda notițelor paralele
5. 5. 10 agenda notițelor paralele
Eugen Tabac
 

Similar to Bioreactoare (7)

Bioreactoare
BioreactoareBioreactoare
Bioreactoare
 
5.7 metoda bacteriologică
5.7 metoda bacteriologică5.7 metoda bacteriologică
5.7 metoda bacteriologică
 
4.5 fiziologia microorganismelor
4.5 fiziologia microorganismelor4.5 fiziologia microorganismelor
4.5 fiziologia microorganismelor
 
Modelarea de bioproces. Procese continue_Crețu Larisa_ACEJ.pptx
Modelarea de bioproces. Procese continue_Crețu Larisa_ACEJ.pptxModelarea de bioproces. Procese continue_Crețu Larisa_ACEJ.pptx
Modelarea de bioproces. Procese continue_Crețu Larisa_ACEJ.pptx
 
La microbiologie
La microbiologieLa microbiologie
La microbiologie
 
5. 5. 10 agenda notițelor paralele
5. 5. 10 agenda notițelor paralele5. 5. 10 agenda notițelor paralele
5. 5. 10 agenda notițelor paralele
 
Dezvoltarea plantelor
Dezvoltarea plantelorDezvoltarea plantelor
Dezvoltarea plantelor
 

Bioreactoare

  • 1.
  • 2. 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. În mod similar, spatiul în care se desfăşoară un proces biologic se numeşte „bioreactor”. Deci, partea principală a unei instalaţii de biosinteză o reprezintă bioreactorul, un aparat în care are loc un proces biochimic dirijat. Bioreactorul are un rol determinant în procesul biotehnologic, deoarece este locul unde se elaborează metabolitul de interes (substanţa farmaceutică). Bioreactorul, sau fermentatorul este locul unde se desfăşoară procesele biochimice, de biosinteză sau de biotransformare a unui substrat cu ajutorul microorganismelor, celulelor sau enzimelor, în produse utile( substanţe medicamentoase, proteine, enzime, etc.).
  • 3. Bioreactoarele pot fi clasificate după mai multe 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. 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.
  • 4. 1.Bioreactorul vertical, cu amestecare mixtă, mecanică şi pneumatică. Bioreactorul este echipat 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. Acest tip de bioreactor se foloseşte pentru procese de fermentaţie de profunzime,de tip procese de biosinteză, de elaborare a unui metabolit de interes sub acţiunea unui microorganism producător. Se foloseşte în industria farmaceutică pentru obţinerea prin fermentaţie a antibioticelor(peniciline de biosinteză), a unor vitamine(B2, B12), etc.
  • 5. 2.Bioreactoare cu membrane. 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. Este format dintr-un corp cilindric, 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.
  • 6. 3.Bioreactoare pentru medii solide 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. Sistemul de răcire al bioreactorului este format dintr-o manta exterioară, care preia căldura degajată în procesul de fermentaţie. Aplicaţiile bioreactoarelor cu amestecare sunt multiple: obţinerea oxitetraciclinei în culturi de Streptomyces, obţinerea unor substanţe proteice în culturi de Aspergillus, etc bioreactorul cu agitator mecanic excentric
  • 7. 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: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 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.
  • 8. • Operarea în sistem semicontinuu :în acest caz, reactorul este astfel operat încât concentraţia substratului limitativ este păstrată constantă prin aprovizionarea sa continuă . • Operarea în sistem continuu :Aceasta presu- pune 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.
  • 9. 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: L-S sau G-L-S unde: • L-L: lichid - lichid- monofazice • L-S: lichid-solid - multifazice • G - L- S: gaz - lichid – solid - multifazice • în 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 substrat; • în sistemul omogen,în orice moment,microorganismele din diferite zone ale sistemului au acelaşi stadiu de dezvoltare; • în sistemul heterogen, microorganismele din diferite zone ale sistemului sunt expuse la diferite condiţii de mediu şi, în consecinţă, vor diferite stadii de dezvoltare.
  • 10. 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 susţine singur din punct de vedere termic. Reacţiile biologice sunt exoterme, indiferent de microorganismul utilizat, de condiţiile de lucru sau de produşii obţinuţi. Reacţiile chimice pot fi exoterme, cu degajare de căldură (ΔIR < 0) sau endoterme, cu absorbţie de căldură din mediul exterior (ΔIR> 0). Reacţiile chimice exoterme pot fi conduse în oricare din regimurile termice specificate, pe când cele endoterme nu pot fi operate autoterm.
  • 11. 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 • scaderea cantităţii de microorganisme datorită eliminării lor din sistem.
  • 12. • 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. Reprezentarea schematică a bioreactorului cu recirculare. Notăm cu r raportul de recirculare şi presupunem aceeaşi concentraţie a substratului şi a produsului în debitul de alimentare şi în cel de evacuare. Bilanţul de materiale pentru biomasă se scrie astfel: Biomasă intrată + Biomasă existentă + Biomasă generată = = Biomasă rămasă + Biomasă ieşită.
  • 13. 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
  • 14. 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. 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 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.