Биореактор, или так называемый ферментер, представляет собой прибор, предназначенный для перемешивания культур в процессе микробиологического синтеза. Биологические процессы кардинально отличаются от химических, они имеют абсолютно иную природу. Биотехнологии реализуются с участием живых организмов – грибов, бактерий, клеток, тканей растений, животных и человека. Поэтому к параметрам среды внутри реактора предъявляются особые требования. Живые организмы могут существовать и размножаться только при поддержании определенной температуры, влажности, параметров газообмена и химических особенностей среды. Главная задача биореактора из оргстекла – создание наилучших условий для жизнедеятельности микроорганизмов, участвующих в синтезе.

В зависимости от способов регулирования параметров рабочей среды, ферментеры делятся на несколько групп: механические, аэраторные, газо-вихревые, аэробные, анаэробные или комбинированные. Сложность этого оборудования зависит от объекта биологических исследований. Бактерии и грибы могут существовать и активно развиваться в довольно широком диапазоне параметров среды. Клетки и ткани растений требуют более тщательного и точного контроля основных показателей. Самыми «капризными» являются человеческие клетки – для работы с ними используется сложнейшее высокоточное оборудование с автоматической регулировкой всех параметров.

Размеры реакторов могут быть различны: в лабораторных условиях применяются установки объемом до ста литров, а объем промышленных установок может достигать сотен тысяч литров. Колоссальная разница присутствует не только в габаритах – оборудование может кардинально отличаться по уровню сложности основных систем реактора.

Область применения биореакторов из оргстекла

• - Фармацевтика и микробиология. Ферментер незаменимы при производстве лекарственных препаратов, вакцин, стволовых клеток, антител, ферментов, полисахаридов, микроводорослей, микробиологических препаратов для сельского хозяйства и ветеринарии. Оборудование широко используется в вирусологии.
• - Нефтехимическая отрасль. В биореакторах протекают процессы, необходимые для реализации технологического процесса производства различных нефтепродуктов.
• - Пищевая промышленность. Оборудование используется для изготовления продуктов из крахмала – глюкозных сиропов и паток. Ферментеры эффективны в отрасли пивоварения, производства молочной продукции и биодобавок.
• - Очистка воды. Аэробные бактерии превращают органические вещества в неорганические, тем самым обезвреживая их. Именно по такому принципу работает биореактор для очистки воды в аквариуме и для обезвреживания сточных вод.
• - Научно-исследовательские работы в различных областях, связанных с биотехнологиями.
• - Альтернативная энергетика. Устройства, работающие по принципу биореактора, способны эффективно вырабатывать энергию.

Основные параметры ферментеров

Перемешивание. Для обеспечения однородности среды используется механическое, пневматическое или циркуляционное перемешивание. Внутри механического реактора работает мешалка с лопастями. Более бережное перемешивание осуществляется в пневматических установках с медленной подачей воздуха. Циркуляционные реакторы оснащены центробежным наносом, перемещающим жидкость по кругу с большой скоростью.

Аэрация. Для выращивания аэробных микроорганизмов в камеру подается кислород и удаляется углекислый газ. Для этого прибор оснащен системой аэрации, обеспечивающие баланс между поступлением и расходом кислорода на различных стадиях роста микроорганизмов.

Теплообмен. Микроорганизмы могут существовать только при определенной температуре. Для поддержания этого параметра на нужном уровне используется специальная система с функцией терморегуляции, работающая как в режиме охлаждения, так и в режиме нагрева. Перегрев или переохлаждение представляют серьезную опасность для микроорганизмов, поэтому теплообменник должен быть очень надежным.

Пеногашение. В ходе различных биологических процессов образуется пена, она уменьшает полезный объем реактора и провоцирует рост посторонних микроорганизмов. Наиболее часто пена гасится механическим или химическим путем. Первый метод работает за счет вращающихся дисков, барабанов, лопастей, а второй – за счет применения поверхностно-активных веществ.  

Стерильность. Абсолютно стерильные условия внутри реактора могут создаваться двумя способами – термическим или фильтрационным. Первый способ – это нагрев оборудования до начала работы реактора. Фильтрация подразумевает обеззараживание поступающего в камеру воздуха.

Все вышеописанные параметры имеют огромное значение для работы ферментера – их нужно учитывать при проектировании приборов. Задача усложняется тем, что параметры среды нужно поддерживать постоянно, периодически меняя соотношения тех или иных показателей. Современные биореакторы из оргстекла оснащены системой компьютерного управления, предназначенной для автоматического регулирования состояния рабочей среды. Такое оборудование работает полностью автономно. Но следует помнить, что сложная автоматика, системы перемешивания, аэрации, пеногашения и стерилизации не смогут полноценно функционировать, если сам реактор изготовлен из некачественного и недостаточно надежного материала. Для изготовления рабочих камер ферментеров используется прочное, долговечное, химически стойкое оргстекло – именно этот материал служит звеном, без которого вся система не была бы работоспособной.

Основные преимущества корпусов для биореакторов из оргстекла

- Высокая прочность. Даже в случае форс-мажорных обстоятельств о целостности рабочей камеры из оргстекла можно не беспокоиться. Высочайшая прочность особенно важна для масштабных промышленных установок и приборов, работающих с опасными бактериями. Применение оргстекла исключает риск механического повреждения стенок корпуса реактора.

- Герметичность. Для реализации процессов биосинтеза необходимо создать условия абсолютной герметичности рабочего пространства. Герметичность не должна нарушаться со временем по прошествии многих лет активной эксплуатации оборудования. Специальная технология формирования клеевых соединений заготовок позволяет обеспечить идеальную герметичность. Оргстекло не просто склеивается – он сращивается на молекулярном уровне, поэтому герметичность стыков сравнима с монолитным материалом.

- Устойчивость к смене температур. В процессе роста биологические организмы могут нуждаться в соблюдении различного температурного режима. Смена тепла и холода не должна сказываться на состоянии корпуса реактора – оргстекло полностью соответствует этому требованию.

- Биологическая стойкость. Никакие биологические процессы, протекающие внутри рабочей камеры, не способны изменить внешний вид или технические характеристики оргстекла. Материал устойчив к биологическому воздействию, поэтому может без опаски устанавливаться в самые мощные реакторы.

- Возможность изготовления корпуса реактора сложной формы. Оргстекло поддается любым видам мехобработки – его можно гнуть, фрезеровать, точить, разрезать, выдувать, шлифовать. Обрабатываемость материала особенно важна при формировании зон загрузки и выгрузки материала. Технологическая база нашей компании позволяет изготовить корпус биореактора из оргстекла любой конфигурации, при этом габариты конструкции практически не ограничены. 

Перспективы применения биореакторов из оргстекла

Использование биологических реакторов – это перспективное направление, которое в будущем может кардинально изменить нашу жизнь. Уже сегодня ведутся разработки биологического оборудования для изготовления компонентов крови и человеческих органов. Что примечательно – для реализации всех этих технологий жизненно необходимо оргстекло, ведь без прочной, надежной камеры ни один биологический процесс в искусственных условиях не может быть реализован.

Еще одно интересное перспективное направление – использование ферментеров для сооружения экодомов. Так, немецкие аритекторы разработали концепт здания, фасад которого покрыт акриловыми панелями, внутри которых обитают морские водоросли. Согласно расчетам инженеров, весь дом будет получать питание от выращенных водорослей, практически не требуя дополнительных источников энергии. Каждая панель – это своеобразный биореактор из оргстекла плоской формы. В процессе роста и развития водорослей выделяется тепло, которое планируется использовать для нужд здания. Построенное здание станет площадкой для дальнейших исследований в области экологического строительства.

В качестве альтернативного источника энергии могут использоваться не только водоросли, но и органические отходы. Устройства, работающие по принципу биореактора из оргстекла, уже используются для энергоснабжения частных домов, дач и теплиц. Полученное в биореакторах биотопливо способно конвертировать солнечную энергию в тепловую – это свойство позволяет считать данное направление использования биореакторов очень перспективным.