바이오리액터

Bioreactor

생물반응기는 생물학적으로 활성화된 [1]환경을 지원하는 제조된 장치 또는 시스템을 말합니다.하나의 예에서 생물반응기는 유기체 또는 그러한 유기체로부터 유래한 생화학활성물질을 포함하는 화학공정이 이루어지는 용기이다.이 과정은 호기성 또는 혐기성이 될 수 있습니다.이러한 생물반응기는 일반적으로 리터부터 입방미터까지 다양한 원통형이며 스테인리스강으로 [citation needed]제조되는 경우가 많습니다.또한 세포 [2]배양 맥락에서 세포 또는 조직을 성장시키기 위해 설계된 장치 또는 시스템을 나타낼 수도 있다.이러한 장치는 조직 공학 또는 생화학/바이오프로세스 [citation needed]공학에서 사용하기 위해 개발되고 있습니다.

연속교반조형 바이오리액터의 일반구조

작동 모드에 따라 생물반응기는 배치, 공급 배치 또는 연속(예를 들어 연속 교반 탱크 원자로 모델)로 분류될 수 있다.연속적인 생물반응기의 예로는 [citation needed]화학반응기가 있다.생물반응기는 매우 비선형적이며 [3]그 제어를 위해 많은 새로운 제어 전략이 제안되어 왔다.

생물반응기에서 자라는 유기체는 액체 배지에 잠길 수도 있고 고체 배지의 표면에 부착될 수도 있다.물에 잠긴 배양물은 부유하거나 고정될 수 있습니다.현탁 생물반응기는 특별한 부착 표면이 필요하지 않기 때문에 더 다양한 생물을 사용할 수 있으며, 고정된 배양물보다 훨씬 큰 규모로 작동할 수 있습니다.그러나 지속적으로 작동하는 과정에서 유기체는 유출물과 함께 원자로에서 제거될 것이다.고정화는 세포나 입자의 부착 또는 [4]끼임에 대한 다양한 방법을 설명하는 일반적인 용어입니다.효소, 세포 기관, 동식물 세포 및 [5][6]장기를 포함한 모든 종류의 생체 촉매에 기본적으로 적용될 수 있습니다.고정화는 유기체가 원자로 유출물과 함께 제거되지 않기 때문에 지속적으로 작동하는 과정에 유용하지만, 미생물들이 용기 표면에만 존재하기 때문에 그 규모가 제한된다.

대규모 고정화 세포 생물반응기는 다음과 같습니다.

설계.

미생물 배양용 벤치탑 바이오리액터
셀룰로오스 에탄올 연구에 사용되는 폐쇄형 바이오리액터

생물반응기 설계는 생화학/바이오프로세스 공학 분야에서 연구되는 비교적 복잡한 공학 과제이다.최적의 조건하에서 미생물이나 세포는 불순물의 생산을 제한하면서 원하는 기능을 수행할 수 있다.온도, 영양소 농도, pH, 용해 가스(특히 유산소 발효를 위한 산소)와 같은 생물 반응기 내부의 환경 조건은 유기체의 성장과 생산성에 영향을 미칩니다.발효 배지의 온도는 냉각 재킷, 코일 또는 둘 다에 의해 유지됩니다.특히 발열 발효의 경우 외부 열 교환기를 사용해야 할 수 있습니다.영양소는 피드배치 시스템과 같이 발효기에 연속적으로 첨가되거나 발효 개시 시에 반응기에 투입될 수 있다.배지의 pH는 발효에 따라 소량의 산이나 염기로 측정하여 조절한다.유산소(및 일부 혐기성) 발효의 경우 발효에 반응 가스(특히 산소)를 추가해야 합니다.산소는 물에 비교적 용해되지 않기 때문에(거의 모든 발효 매체의 기초), 공기(또는 정제 산소)를 지속적으로 첨가해야 한다.상승하는 기포의 작용은 발효 배지를 혼합하고 이산화탄소와 같은 노폐물을 제거하는 데 도움이 됩니다.실제로 생물반응기는 종종 가압됩니다. 이는 물 속 산소의 용해도를 증가시킵니다.유산소 과정에서는 최적의 산소 전달이 속도 제한 단계일 수 있습니다.산소는 물에 잘 녹지 않으며, 따뜻한 발효 육수에는 덜 녹으며, 공기 중에는 상대적으로 부족합니다(20.95%).산소 전달은 보통 교반으로 도움을 받는데, 교반 또한 영양소를 혼합하고 발효를 균질하게 유지하기 위해 필요합니다.기체 분산 교반기는 기포를 분해하여 [citation needed]용기 전체에 순환시키는 데 사용됩니다.

오염은 생물 반응기, 특히 열 교환기의 전반적인 효율을 해칠 수 있습니다.이를 피하려면 바이오리액터를 쉽게 청소해야 합니다.내부 표면은 일반적으로 청소와 위생이 용이한 스테인리스강으로 제작됩니다.일반적으로 생물반응기는 배치 간에 청소하거나 연속적으로 작동할 때 오염을 최대한 줄이도록 설계되었습니다.열 전달은 생물 반응기 설계의 중요한 부분입니다. 작은 용기는 냉각 재킷으로 냉각할 수 있지만 큰 용기에는 코일이나 외부 열 [citation needed]교환기가 필요할 수 있습니다.

종류들

광생물반응기

물리 코미트렐라 파텐스를 가진 이끼 광생물 반응기

광생물반응기(PBR)는 어떤 종류의 광원을 포함하는 생물반응기입니다(자연광 또는 인공조명일 수 있습니다).거의 모든 반투명 컨테이너를 PBR이라고 부를 수 있지만, 이 용어는 개방형 저장 탱크나 연못이 아닌 닫힌 시스템을 정의하는 데 더 일반적으로 사용됩니다.광생물반응기는 시아노박테리아, 조류 또는 이끼 [7]식물과 같은 작은 광영양 생물을 키우는데 사용된다.이 유기체들은 광합성을 통해 빛을 에너지원으로 사용하고 에너지원으로 당이나 지질은 필요로 하지 않는다.따라서 광바이오반응기는 [citation needed]이종영양생물용 생물반응기에 비해 세균이나 곰팡이 등 다른 생물과의 오염 위험이 낮다.

하수 처리

기존의 하수 처리에서는 생물반응기를 사용하여 주요 정화 과정을 수행합니다.이들 시스템 중 일부는 생체막의 성장을 위한 기판으로서 표면적이 매우 높은 화학 불활성 매체를 제공한다.여분의 생물학적 막의 분리는 침전 탱크나 사이클론에서 발생합니다.다른 시스템에서는 에어로이터가 오수와 바이오타에 산소를 공급하여 생물학적 성분이 "플로크"에서 액체에 자유롭게 혼합되는 활성 슬러지를 생성합니다.이러한 과정에서 액체의 생화학적 산소 요구량(BOD)은 오염된 물을 재사용하기에 적합하도록 충분히 감소됩니다.바이오솔리드는 추가 가공을 위해 수집하거나 건조하여 비료로 사용할 수 있습니다.하수 생물반응기의 극히 간단한 버전은 박테리아를 수용하기 위한 추가 매체가 있든 없든 오수를 그대로 두는 정화조입니다.이 경우 바이오 슬러지 자체가 세균의 [citation needed]1차 숙주다.

특수 조직용 생물 반응기

효모를 첨가한 콘코브 폐기물에서 에탄올을 발효시키는 데 사용되는 바이오 리액터입니다.

많은 세포와 조직, 특히 포유류의 세포는 성장하기 위해 표면이나 다른 구조적 지지대를 가져야 하며, 교반 환경은 종종 이러한 세포 유형과 조직에 파괴적이다.고등 생물은 영양이 풍부하기 때문에 고도로 전문화된 배지를 필요로 한다.치료용 생산 목적으로 더 많은 양의 세포를 배양하는 것이 목표이며, 효모나 [citation needed]박테리아와 같은 단백질 발현 시스템을 성장시키기 위해 사용되는 산업용 생물 반응기와 비교하여 상당히 다른 설계가 필요할 때 이는 과제를 제기한다.

많은 연구 그룹은 체외에서 장기 같은 조직 구조를 재현하기 위해 구조 골격에서 특수 조직과 세포를 성장시키기 위한 새로운 생물반응기를 개발했습니다.이들 중에는 심장 조직,[8][9] 골격근 조직,[10] 인대, 암 조직 모델 등이 있습니다.현재 이러한 산업용 특화 생물 반응기의 생산 확장은 여전히 어려운 과제이며 활발한 연구 분야이다.

인공 조직 배양에 대한 자세한 내용은 조직 공학을 참조하십시오.

모델링

수학적 모델은 폐수 처리를 포함한 다양한 바이오 리액터 애플리케이션에서 중요한 도구 역할을 한다.이러한 모형은 효율적인 공정 제어 전략을 계획하고 미래의 발전소 성능을 예측하는 데 유용합니다.또한 이러한 모델은 교육 [citation needed]및 연구 분야에서 유용합니다.

생물반응기는 일반적으로 음식, 음료, 의약품과 관련된 산업에서 사용된다.생화학 공학의 출현은 최근에 시작되었다.세포, 효소 또는 항체와 같은 생물학적 물질을 이용한 생물학적 물질의 가공은 생화학 공학의 주요 기둥이다.생화학 공학의 응용은 농업, 식품 및 의료, 자원 회수 및 미세 [citation needed]화학과 같은 문명의 주요 분야를 포함한다.

지금까지 생명공학 관련 산업은 프로세스 관리 [3]및 최적화 전략에서 다른 산업에 비해 뒤처져 왔다.생명공학 공정 제어의 주요 단점은 중요한 물리적 [11]및 생화학적 매개변수를 측정하는 문제입니다.

바이오 프로세스에서의 운용 단계

바이오프로세스는 주로 업스트림 가공, 바이오반응, 다운스트림 가공의 3단계로 구성되어 원재료를 [12]완제품으로 변환합니다.

원료는 생물학적 또는 비생물학적 기원이 될 수 있다.먼저 처리하기에 더 적합한 형태로 변환됩니다.이는 화학적 가수분해, 액체 배지의 준비, 입자 분리, 공기 정화 및 기타 많은 준비 [citation needed]작업을 수반하는 업스트림 처리 단계에서 수행됩니다.

업스트림 처리 스텝 후, 결과 피드는 1개 또는 복수의 생체 반응 스텝으로 전송된다.생화학반응기 또는 생물반응기는 생물반응 단계의 기초를 형성한다.이 단계는 주로 바이오매스 생산, 대사물 생합성 및 생체변환의 [citation needed]세 가지 작업으로 구성됩니다.

마지막으로 생물반응기에서 생성된 재료는 더 유용한 형태로 변환하기 위해 하류 부분에서 추가 가공되어야 한다.하류 공정은 주로 고체 액체 분리, 흡착, 액체 추출, 증류, 건조 [13]등을 포함하는 물리적 분리 작업으로 구성됩니다.

사양

일반적인 생물반응기는 다음과 같은 부분으로 구성됩니다.

교반 장치 – 원하는 제품에 영양소와 산소를 더 잘 운반하기 위해 세포를 완벽한 균질 상태로 유지하는 반응기 내용물의 혼합에 사용됩니다.

배플 – 용기 내 소용돌이 형성을 차단하는 데 사용됩니다. 일반적으로 시스템의 무게 중심을 변경하고 추가 전력을 소비하기 때문에 매우 바람직하지 않습니다.

스파거 – 유산소 배양 과정에서 스파거의 목적은 성장하는 세포에 충분한 산소를 공급하는 것입니다.

재킷 – 재킷은 물의 온도를 일정하게 순환시키는 고리형 영역을 제공하여 생물 반응기의 온도를 [14]일정하게 유지합니다.

「 」를 참조해 주세요.

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레퍼런스

  1. ^ IUPAC, 화학 용어집, 제2판('골드북') (1997).온라인 수정판: (2006–) "바이오 리액터".doi:10.1351/goldbook.B00662
  2. ^ http://www.eolss.net/Sample-Chapters/C17/E6-58-04-15.pdf[베어 URL PDF]
  3. ^ a b Pandian, B. Jaganatha; Noel, Mathew Mithra (2018-09-01). "Control of a bioreactor using a new partially supervised reinforcement learning algorithm". Journal of Process Control. 69: 16–29. doi:10.1016/j.jprocont.2018.07.013. ISSN 0959-1524.
  4. ^ López, Asunción; Lázaro, Nuria; Marqués, Ana M. (September 1997). "The interphase technique: a simple method of cell immobilization in gel-beads". Journal of Microbiological Methods. 30 (3): 231–234. doi:10.1016/S0167-7012(97)00071-7.
  5. ^ Kowalczyk, Tomasz; Sitarek, Przemysław; Toma, Monika; Rijo, Patricia; Domínguez‐Martín, Eva; Falcó, Irene; Sánchez, Gloria; Śliwiński, Tomasz (August 2021). "Enhanced Accumulation of Betulinic Acid in Transgenic Hairy Roots of Senna obtusifolia Growing in the Sprinkle Bioreactor and Evaluation of Their Biological Properties in Various Biological Models". Chemistry & Biodiversity. 18 (8). doi:10.1002/cbdv.202100455. ISSN 1612-1872.
  6. ^ Peinado, Rafael A.; Moreno, Juan J.; Villalba, Jose M.; González-Reyes, Jose A.; Ortega, Jose M.; Mauricio, Juan C. (December 2006). "Yeast biocapsules: A new immobilization method and their applications". Enzyme and Microbial Technology. 40 (1): 79–84. doi:10.1016/j.enzmictec.2005.10.040.
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  8. ^ Bursac, N.; Papadaki, M.; Cohen, R. J.; Schoen, F. J.; Eisenberg, S. R.; Carrier, R.; Vunjak-Novakovic, G.; Freed, L. E. (1 August 1999). "Cardiac muscle tissue engineering: toward an in vitro model for electrophysiological studies". American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 277 (2): H433–H444. doi:10.1152/ajpheart.1999.277.2.h433. PMID 10444466.
  9. ^ Carrier, Rebecca L.; Papadaki, Maria; Rupnick, Maria; Schoen, Frederick J.; Bursac, Nenad; Langer, Robert; Freed, Lisa E.; Vunjak-Novakovic, Gordana (5 September 1999). "Cardiac tissue engineering: Cell seeding, cultivation parameters, and tissue construct characterization". Biotechnology and Bioengineering. 64 (5): 580–589. doi:10.1002/(SICI)1097-0290(19990905)64:5<580::AID-BIT8>3.0.CO;2-X. PMID 10404238.
  10. ^ Heher, Philipp; Maleiner, Babette; Prüller, Johanna; Teuschl, Andreas Herbert; Kollmitzer, Josef; Monforte, Xavier; Wolbank, Susanne; Redl, Heinz; Rünzler, Dominik; Fuchs, Christiane (September 2015). "A novel bioreactor for the generation of highly aligned 3D skeletal muscle-like constructs through orientation of fibrin via application of static strain". Acta Biomaterialia. 24: 251–265. doi:10.1016/j.actbio.2015.06.033. PMID 26141153.
  11. ^ Carlsson, Bengt (March 24, 2009). "An introduction to modeling of bioreactors" (PDF).
  12. ^ Rosser, J.; Thomas, D. J. (2018-01-01), Thomas, Daniel J.; Jessop, Zita M.; Whitaker, Iain S. (eds.), "10 - Bioreactor processes for maturation of 3D bioprinted tissue", 3D Bioprinting for Reconstructive Surgery, Woodhead Publishing, pp. 191–215, ISBN 978-0-08-101103-4, retrieved 2020-12-14
  13. ^ Jana, AMIYA K. (2011). CHEMICAL PROCESS MODELLING AND COMPUTER SIMULATION. PHI Learning Pvt. Ltd.[페이지 필요]
  14. ^ "Bioreactor- Basics".

추가 정보

외부 링크