Els bioreactors són els equips bàsics de la bioenginyeria per proporcionar condicions ambientals adequades (per exemple, temperatura, pH, oxigen dissolt, barreja, etc.) per donar suport al procés de reacció biològica de microorganismes, cèl·lules o enzims. Segons diferents principis de disseny, els escenaris d’aplicació i els mètodes d’operació, els bioreactors es poden classificar en diversos tipus. A continuació es mostren les classificacions i característiques comunes:
Classificació mitjançant la barreja i la transferència massiva
Reactor de tanc agitat (STR)
- Característiques: La barreja i la transferència de massa es realitzen mitjançant agitació mecànica (remenant paleta) i es pot controlar amb precisió l’oxigen dissolt, la temperatura i el pH.
- Aplicacions: Àmpliament utilitzat en la fermentació microbiana (per exemple, antibiòtics, enzims), cultiu de cèl·lules animals (requereix un disseny de pàdel de baixa cisalla).
- Variants
Reactors agitats amb bombolles: combinació de bombolles de gas i agitació mecànica.
Reactor agitat d’ona: genera ones sacsejant el vaixell, adequats per a cultius de cèl·lules sensibles a la cisalla.
Reactor Airlift (ALR)
- Característiques: Circulació líquida impulsada per la injecció de gas (sense agitació mecànica), baixa força de cisalla, menor consum d’energia.
- Aplicació: Apte per a cèl·lules sensibles a la cisalla (per exemple, cèl·lules vegetals, algunes cèl·lules de mamífers) o cultiu continu a llarg termini.
Reactor de columna de bombolles
- Característiques: Només a través de la bombolla de gas per aconseguir una estructura simple, però l'eficiència de la barreja és menor.
- Aplicació: Apte per al gas implicat en la reacció (com el cultiu de microalgues, el tractament d’aigües residuals).
Classificació segons la immobilització de cèl·lules o enzims
Reactor de llit envasat
- Característiques: Les cèl·lules o els enzims estan immobilitzats en portadors porosos (per exemple, gels, fibres) per formar una capa de llit fixa i el líquid de reacció flueix pel llit.
- Aplicació: Producció contínua de metabòlits (per exemple, etanol, àcids orgànics) o reaccions catalitzades per enzims.
Reactor de llit fluiditzat
- Característiques: partícules portadores suspeses en el flux líquid o d’aire, alta eficiència de transferència de massa, però l’operació és complexa.
- Aplicacions: tractament d’aigües residuals, reacció enzimàtica immobilitzada.
Bioreactor de membrana (MBR)
- Característiques: La combinació de la reacció biològica i la tecnologia de separació de membranes, biomassa (per exemple, microorganismes, cèl·lules) es conserva per membrana.
- Aplicacions: tractament d’aigües residuals, cultiu cel·lular d’alta densitat, separació contínua de productes.
Segons la funció especial o la classificació del disseny
Fotobioreactor
- Característiques: proporcioneu condicions de llum per al cultiu de microorganismes fotosintètics (per exemple, microalgues, cianobacteris).
- Disseny: material transparent (vidre o plàstic), font de llum integrada o utilitzant llum natural.
- Aplicacions: biocombustibles (olis d’algues), productes d’alt valor afegit (astaxantina, beta-carotè).
Bioreactor d’un sol ús
- Característiques: Ús de bosses d’un sol ús en lloc de dipòsits d’acer inoxidable per evitar la contaminació creuada i reduir el temps de neteja i validació.
- Aplicacions: Producció de vacunes, desenvolupament de fàrmacs en fase d’assaig clínic.
Bioreactor de perfusió
- Característiques: Addició contínua de medis frescos i eliminació de líquids de residus per mantenir una alta activitat cel·lular i concentració del producte.
- Aplicació: cultiu de cèl·lules de mamífers (per exemple, producció d’anticossos monoclonal).
Classificació segons el mode de funcionament
Reactor
Addició única de medi de cultiu, recol·lecció de productes després del final de la reacció, un funcionament senzill però una eficiència menor.
Reactor continu
Entrada contínua de cultiu mitjà i sortida de productes, adequat per a la producció industrialitzada a gran escala.
Reactor de lots alimentats
Replen els nutrients gradualment en funcionament per lots per allargar el període de creixement cel·lular i augmentar el rendiment del producte (mode d'ús comú).
Classificació segons les àrees d'aplicació
- Fermentador microbià: com la producció d’antibiòtics, aminoàcids.
- Reactor de cèl·lules animals: per exemple, la producció de cèl·lules Cho d’anticossos.
- Reactor de cèl·lules plantes: com la producció de metabòlits secundaris (paclitaxel).
- Reactors enzimàtics: Els enzims immobilitzats catalitzen reaccions (per exemple, isomerització de la glucosa).
Factors clau per seleccionar un bioreactor
- Característiques del sistema biològic: microorganismes, cèl·lules animals/vegetals necessiten cisalla, oxigen dissolt.
- Tipus de producte: si es requereix la separació contínua (per exemple, reactor de membrana).
- Escala: grau de laboratori (<10 L) vs. industrial grade (>1000 L).
- Cost: Reactors d’un sol ús per a la producció flexible, reactors d’acer inoxidable per a ús a gran escala a llarg termini.