Bioreaktorien suunnittelun määrää ensisijaisesti energian syöttötapa ja väliaineen ilmastus. Näiden kriteerien perusteella bioreaktorit voidaan luokitella seuraaviin tyyppeihin:
- Bioreaktorit, joissa on energiansyöttö kaasufaasiin
- Bioreaktorit, joissa on energiansyöttö nestefaasiin
- Yhdistetyllä energiansyötöllä varustetut bioreaktorit
Bioreaktorit, joissa on energiansyöttö kaasufaasiin
Tämän tyyppisessä bioreaktorissa viljelyalustan ilmastus ja sekoitus suoritetaan paineilmalla, joka syötetään järjestelmään tietyllä paineella. Näitä ovat:
- Bubbling Reactors: Air is supplied through bubbling devices located at the bottom of the apparatus, ensuring efficient gas exchange.
- Airlift-bioreaktorit (diffusoripohjaiset): Näissä on sisäinen sylinteri-diffuusori, joka helpottaa substraatin ja ilman sekoittumista, joka tulee järjestelmän alaosassa olevien jakeluputkien kautta.
- Putkumaiset (kaasunnostimet) bioreaktorit: Ne koostuvat kuori-putkirakenteesta, jossa neste liikkuu ylöspäin ilmavirran kautta, menee erottimeen ja palaa kierrätykseen.
- Suutinilmanjakobioreaktorit: Varustettu ilmansyöttösuuttimilla alaosassa ja diffuusorilla, jotka varmistavat nesteen sisäisen kierron.
- Pylvästyyppiset bioreaktorit: vaakasuuntaisilla levyillä segmentoidut sylinterimäiset kolonnit, joissa ilmakuplat kulkevat jokaisen nestekerroksen läpi mahdollistaen neste- ja kaasufaasin vastavirtaliikkeen.
Bioreaktorit, joissa on energiansyöttö nestefaasiin
Näissä järjestelmissä energia johdetaan suoraan nestefaasiin, ja niissä on huomionarvoisia rakenteita, kuten:
- Itsetäyttyvä turbiinilaitteisto: Tämä järjestelmä koostuu lieriömäisestä diffuusorista ja ontoilla siipillä varustetusta sekoittimesta. Järjestelmä luo tyhjiön pyörimisen aikana ja vetää sisään ilmaa edistääkseen nesteen kiertoa.
- Turbo-ejektorisekoitinbioreaktorit: pystysuorat väliseinät, jotka jakavat bioreaktorin osiin, joista jokaisessa on itseimevä turbiinisekoitin ja diffuusori, mikä helpottaa nesteen liikkumista osien välillä.
Yhdistetyllä energiansyötöllä varustetut bioreaktorit
Nämä bioreaktorit yhdistävät energiansyötön sekä kaasu- että nestefaasiin, mikä varmistaa optimaalisen ilmastuksen ja sekoittumisen. Järjestelmä koostuu tyypillisesti lieriömäisestä astiasta, joka on varustettu sekä mekaanisella sekoittimella että kuplituslaitteella ja joka on sijoitettu sekoittimen alemman tason alle.
Bioreaktorien luokittelu sekoitusmenetelmällä
Bioreaktorit voidaan luokitella myös niiden sekoitusmekanismien perusteella:
- Mekaaninen sekoitus: käyttää keskiakselia ja erimuotoisia teriä. Ilmastusta voidaan tehostaa kuplittamalla mekaanisella täryttimellä, joka auttaa hajottamaan ilmaa hienoiksi kupliksi.
- Pneumaattinen sekoitus: Sekoitusta ja ilmastusta tehostavat pyörivät levyt, joissa on rei’itys tai pohjapotkurit. Joissakin malleissa on kuplituslaitteen yläpuolelle sijoitettu diffuusori.
- Kiertosekoitus: sisältää pumppuja tai ejektoreita, jotka tuottavat suunnatun nestevirtauksen suljetun piirin läpi. Joissakin malleissa yhdistyvät pneumaattinen ja kiertävä sekoitus, kuten ”falling jet” ja ”submerged jet” järjestelmät, sekä ejektoripohjainen sekoitus. Kiertojärjestelmät sisältävät usein kiinteitä pakkausmateriaaleja sekoitustehokkuuden parantamiseksi.
Rakenteelliset ja toiminnalliset näkökohdat
Bioreaktorit ovat tyypillisesti sylinterimäisiä, hermeettisesti suljettuja säiliöitä, joiden korkeuden ja halkaisijan suhde on 2:1 tai 2,5:1. Ruostumaton teräs on suositeltu rakennusmateriaali, mikä varmistaa kestävyyden ja steriiliyden. Lämpötilan säätö tapahtuu kaksoisvaippa- tai patterityyppisellä lämmönvaihtimella.
Steriiliys- ja suorituskykynäkökohdat
Steriiliyden säilyttäminen on ratkaisevan tärkeää bioreaktorin toiminnan kannalta. Tämän saavuttamiseksi bioreaktorit on suunniteltu ilmatiiviiksi, ja kaikki putkistot ja sisäpinnat ovat käytettävissä korkean lämpötilan höyrysterilointia varten. Bioreaktorin käyttötilavuus ei tyypillisesti ylitä 70 % kokonaiskapasiteetista.
Bioreaktorin valinta riippuu bioteknologisen prosessin erityisvaatimuksista, mukaan lukien mikro-organismin luonne, väliaineen ominaisuudet ja taloudellinen toteutettavuus. Aerobisissa prosesseissa ilmastustehokkuus on kriittinen. Hapen siirtonopeudet on optimoitava arvioimalla tasapaino kaasufaasista tulevan hapen ja sen massan siirtymisen välillä nestemäiseen väliaineeseen sekä mikro-organismien hapenkulutus ja sen poisto järjestelmästä.
Hapen siirtymisnopeus kaasufaasista nestefaasiin määritellään tilavuusabsorptionopeudella, ja se voidaan ilmaista yhtälöllä:
dC/dt = KLa (Cp – C),
jossa:
- KLa on tilavuusmassansiirtokerroin kaasun ja nesteen rajapinnassa,
- Cp edustaa happitasapainopitoisuutta väliaineessa,
- C on väliaineen todellinen hetkellinen happipitoisuus.
Optimoimalla nämä parametrit bioreaktorit voivat saavuttaa tehokkaan massansiirron, mikä varmistaa optimaalisen mikrobikasvun ja bioprosessien suorituskyvyn.
