المفاعل الحيوي

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. Find sources: "Bioreactor" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (October 2010) (Learn how and when to remove this message)

المفاعل الحيوي هو أي جهاز أو نظام مُصنَّع يدعم بيئة نشطة بيولوجيًا. ^[1] في إحدى الحالات، المفاعل الحيوي هو وعاء يتم فيه إجراء عملية كيميائية تتضمن كائنات حية أو مواد نشطة كيميائيًا مشتقة من هذه الكائنات الحية. يمكن أن تكون هذه العملية هوائية أو لاهوائية . تكون هذه المفاعلات الحيوية أسطوانية بشكل عام، ويتراوح حجمها من لتر إلى متر مكعب، وغالبًا ما تكون مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ . ^{[ بحاجة لمصدر ]} قد يشير أيضًا إلى جهاز أو نظام مصمم لتنمية الخلايا أو الأنسجة في سياق زراعة الخلايا . ^[2] يتم تطوير هذه الأجهزة لاستخدامها في هندسة الأنسجة أو الهندسة الكيميائية الحيوية / العمليات الحيوية . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

على أساس طريقة التشغيل، يمكن تصنيف المفاعل الحيوي على أنه مفاعل دفعي أو مفاعل دفعي مُغذى أو مفاعل مستمر (على سبيل المثال نموذج مفاعل خزان التحريك المستمر ). ومن الأمثلة على المفاعل الحيوي المستمر جهاز الكيموستات . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يمكن غمر الكائنات الحية أو المواد النشطة كيميائيًا التي تنمو في المفاعلات الحيوية في وسط سائل أو تثبيتها على سطح وسط صلب. يمكن تعليق الثقافات المغمورة أو تثبيتها. قد تدعم المفاعلات الحيوية المعلقة مجموعة متنوعة من الكائنات الحية، حيث لا تكون هناك حاجة إلى أسطح تثبيت خاصة، ويمكن أن تعمل على نطاق أكبر بكثير من الثقافات المثبتة. ومع ذلك، في عملية تعمل باستمرار، سيتم إزالة الكائنات الحية من المفاعل مع النفايات. التثبيت هو مصطلح عام يصف مجموعة واسعة من الطرق لربط الخلايا أو الجسيمات أو احتجازها. ^[3] يمكن تطبيقه على جميع أنواع التحفيز الحيوي بشكل أساسي بما في ذلك الإنزيمات والعضيات الخلوية والخلايا والأعضاء الحيوانية والنباتية. ^{[4] [5]} التثبيت مفيد للعمليات التي تعمل باستمرار، حيث لن تتم إزالة الكائنات الحية مع نفايات المفاعل، ولكنها محدودة الحجم لأن الميكروبات موجودة فقط على أسطح الوعاء.

المفاعلات الحيوية الخلوية الثابتة واسعة النطاق هي:

• الوسائط المتحركة، والمعروفة أيضًا باسم مفاعل الأغشية الحيوية المتحرك (MBBR)
• سرير معبأ
• سرير ليفي
• غشاء

إن تصميم المفاعل الحيوي هو مهمة هندسية معقدة نسبيًا، والتي تُدرَس في مجال الهندسة الكيميائية الحيوية / الهندسة البيولوجية . وفي ظل الظروف المثلى، تكون الكائنات الحية الدقيقة أو الخلايا قادرة على أداء وظيفتها المطلوبة مع إنتاج محدود من الشوائب. وتؤثر الظروف البيئية داخل المفاعل الحيوي، مثل درجة الحرارة وتركيزات العناصر الغذائية ودرجة الحموضة والغازات المذابة (وخاصة الأكسجين للتخمير الهوائي) على نمو الكائنات الحية وإنتاجيتها. ويتم الحفاظ على درجة حرارة وسط التخمير بواسطة غلاف تبريد أو ملفات أو كليهما. وقد تتطلب التخميرات الطاردة للحرارة بشكل خاص استخدام مبادلات حرارية خارجية. وقد تتم إضافة العناصر الغذائية باستمرار إلى المخمر، كما هو الحال في نظام التغذية بالدفعات، أو قد يتم شحنها في المفاعل في بداية التخمير. ويتم قياس درجة حموضة الوسط وتعديلها بكميات صغيرة من الحمض أو القاعدة، اعتمادًا على التخمير. وبالنسبة للتخميرات الهوائية (وبعض التخميرات اللاهوائية)، يجب إضافة الغازات المتفاعلة (وخاصة الأكسجين) إلى التخمير. نظرًا لأن الأكسجين غير قابل للذوبان نسبيًا في الماء (وهو الأساس لجميع وسائط التخمير تقريبًا)، فيجب إضافة الهواء (أو الأكسجين النقي) باستمرار. يساعد عمل الفقاعات المتصاعدة في خلط وسط التخمير كما " يزيل " أيضًا الغازات العادمة، مثل ثاني أكسيد الكربون. في الممارسة العملية، غالبًا ما تكون المفاعلات الحيوية مضغوطة؛ وهذا يزيد من قابلية ذوبان الأكسجين في الماء. في العملية الهوائية، يكون نقل الأكسجين الأمثل أحيانًا هو الخطوة التي تحدد السرعة. الأكسجين ضعيف الذوبان في الماء - حتى أقل في مرق التخمير الدافئ - ونادر نسبيًا في الهواء (20.95٪). عادة ما يتم مساعدة نقل الأكسجين عن طريق التحريك، وهو أمر ضروري أيضًا لخلط العناصر الغذائية والحفاظ على تجانس التخمير. تُستخدم محركات تشتيت الغاز لتفتيت فقاعات الهواء وتوزيعها في جميع أنحاء الوعاء. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يمكن أن يؤدي تراكم الأوساخ إلى الإضرار بالكفاءة الكلية للمفاعل الحيوي، وخاصة المبادلات الحرارية . لتجنب ذلك، يجب تنظيف المفاعل الحيوي بسهولة. عادة ما تكون الأسطح الداخلية مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ لسهولة التنظيف والتطهير. عادة ما يتم تنظيف المفاعلات الحيوية بين الدفعات، أو يتم تصميمها لتقليل التلوث قدر الإمكان عند تشغيلها بشكل مستمر. يعد نقل الحرارة جزءًا مهمًا من تصميم المفاعل الحيوي؛ يمكن تبريد الأوعية الصغيرة بغطاء تبريد، ولكن قد تتطلب الأوعية الأكبر ملفات أو مبادل حراري خارجي. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

المفاعل الحيوي الضوئي (PBR) هو مفاعل حيوي يشتمل على نوع ما من مصادر الضوء (قد يكون ضوء الشمس الطبيعي أو الإضاءة الاصطناعية). يمكن تسمية أي حاوية شفافة تقريبًا بمفاعل حيوي ضوئي، ومع ذلك، يُستخدم المصطلح بشكل أكثر شيوعًا لتعريف نظام مغلق، على عكس خزان التخزين المفتوح أو البركة . تُستخدم المفاعلات الحيوية الضوئية لزراعة الكائنات الحية الضوئية الصغيرة مثل البكتيريا الزرقاء أو الطحالب أو نباتات الطحالب . ^[6] تستخدم هذه الكائنات الضوء من خلال عملية التمثيل الضوئي كمصدر للطاقة ولا تتطلب السكريات أو الدهون كمصدر للطاقة. وبالتالي، فإن خطر التلوث بالكائنات الحية الأخرى مثل البكتيريا أو الفطريات أقل في المفاعلات الحيوية الضوئية مقارنة بالمفاعلات الحيوية للكائنات غيرية التغذية . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تستخدم معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية المفاعلات الحيوية للقيام بعمليات التنقية الرئيسية. في بعض هذه الأنظمة، يتم توفير وسط خامل كيميائيًا بمساحة سطح عالية جدًا كركيزة لنمو الفيلم البيولوجي. يتم فصل الفيلم البيولوجي الزائد في خزانات الترسيب أو الأعاصير. في أنظمة أخرى، توفر أجهزة التهوية الأكسجين لمياه الصرف الصحي والكائنات الحية لإنشاء الحمأة المنشطة حيث يتم خلط المكون البيولوجي بحرية في السائل في "كتل". في هذه العمليات، يتم تقليل الطلب الكيميائي الحيوي للأكسجين (BOD) للسائل بدرجة كافية لجعل المياه الملوثة صالحة لإعادة الاستخدام. يمكن جمع المواد الصلبة الحيوية لمزيد من المعالجة، أو تجفيفها واستخدامها كسماد. نسخة بسيطة للغاية من المفاعل الحيوي لمياه الصرف الصحي هي خزان الصرف الصحي حيث يتم ترك مياه الصرف الصحي في مكانها، مع أو بدون وسائط إضافية لإيواء البكتيريا. في هذه الحالة، تكون الحمأة الحيوية نفسها هي المضيف الأساسي للبكتيريا. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تحتاج العديد من الخلايا والأنسجة، وخاصة الثدييات منها، إلى سطح أو دعم هيكلي آخر من أجل النمو، وغالبًا ما تكون البيئات المضطربة مدمرة لهذه الأنواع من الخلايا والأنسجة. تتطلب الكائنات الحية الأعلى، كونها كائنات تتغذى على الغذاء ، أيضًا وسائط نمو متخصصة للغاية. ويشكل هذا تحديًا عندما يكون الهدف هو زراعة كميات أكبر من الخلايا لأغراض الإنتاج العلاجي، وهناك حاجة إلى تصميم مختلف بشكل كبير مقارنة بالمفاعلات الحيوية الصناعية المستخدمة في زراعة أنظمة التعبير البروتيني مثل الخميرة والبكتيريا. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

طورت العديد من مجموعات البحث مفاعلات حيوية جديدة لزراعة الأنسجة والخلايا المتخصصة على سقالة هيكلية، في محاولة لإعادة إنشاء هياكل أنسجة تشبه الأعضاء في المختبر . ومن بين هذه المفاعلات الحيوية للأنسجة التي يمكنها زراعة أنسجة القلب، ^{[7] [8]} وأنسجة العضلات الهيكلية، ^[9] والأربطة، ونماذج أنسجة السرطان، وغيرها. حاليًا، لا يزال توسيع نطاق إنتاج هذه المفاعلات الحيوية المتخصصة للاستخدام الصناعي يمثل تحديًا ويشكل مجالًا نشطًا للبحث.

لمزيد من المعلومات حول زراعة الأنسجة الاصطناعية، انظر هندسة الأنسجة .

تعتبر النماذج الرياضية أداة مهمة في تطبيقات المفاعلات الحيوية المختلفة بما في ذلك معالجة مياه الصرف الصحي. هذه النماذج مفيدة للتخطيط لاستراتيجيات التحكم في العمليات الفعّالة والتنبؤ بأداء المصنع في المستقبل. علاوة على ذلك، هذه النماذج مفيدة في مجالات التعليم والبحث. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تُستخدم المفاعلات الحيوية عمومًا في الصناعات التي تهتم بالأغذية والمشروبات والأدوية. إن ظهور الهندسة الكيميائية الحيوية هو أمر حديث العهد. إن معالجة المواد البيولوجية باستخدام العوامل البيولوجية مثل الخلايا أو الإنزيمات أو الأجسام المضادة هي الركائز الأساسية للهندسة الكيميائية الحيوية. تغطي تطبيقات الهندسة الكيميائية الحيوية مجالات رئيسية للحضارة مثل الزراعة والأغذية والرعاية الصحية واستعادة الموارد والمواد الكيميائية الدقيقة. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

حتى الآن، تأخرت الصناعات المرتبطة بالتكنولوجيا الحيوية عن الصناعات الأخرى في تنفيذ التحكم في العملية واستراتيجيات التحسين. أحد العيوب الرئيسية في التحكم في العملية التكنولوجية الحيوية هو مشكلة قياس المعلمات الفيزيائية والكيميائية الحيوية الرئيسية. ^[10]

تتكون العملية الحيوية بشكل أساسي من ثلاث مراحل - المعالجة الأولية، والتفاعل الحيوي، والمعالجة النهائية - لتحويل المواد الخام إلى منتج نهائي. ^[11]

يمكن أن تكون المادة الخام من أصل بيولوجي أو غير بيولوجي. يتم تحويلها أولاً إلى شكل أكثر ملاءمة للمعالجة. يتم ذلك في خطوة معالجة سابقة تتضمن التحلل الكيميائي، وإعداد وسط سائل، وفصل الجسيمات، وتنقية الهواء والعديد من العمليات التحضيرية الأخرى. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

بعد خطوة المعالجة الأولية، يتم نقل العلف الناتج إلى مرحلة أو أكثر من مراحل التفاعل الحيوي. تشكل المفاعلات الكيميائية الحيوية أو المفاعلات الحيوية قاعدة خطوة التفاعل الحيوي. تتكون هذه الخطوة بشكل أساسي من ثلاث عمليات، وهي إنتاج الكتلة الحيوية ، وتخليق المستقلبات، والتحول الحيوي. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

أخيرًا، يجب معالجة المادة المنتجة في المفاعل الحيوي بشكل أكبر في القسم التالي لتحويلها إلى شكل أكثر فائدة. تتكون العملية التالية بشكل أساسي من عمليات الفصل الفيزيائية التي تتضمن فصل السائل الصلب، والامتصاص ، واستخراج السائل إلى السائل ، والتقطير ، والتجفيف وما إلى ذلك. ^[12]

يتكون المفاعل الحيوي النموذجي من الأجزاء التالية:

المحرك – يستخدم لخلط محتويات المفاعل مما يحافظ على الخلايا في حالة متجانسة مثالية لنقل العناصر الغذائية والأكسجين بشكل أفضل إلى المنتج (المنتجات) المطلوبة.

الحاجز – يستخدم لكسر تشكيل الدوامة في الوعاء، وهو أمر غير مرغوب فيه للغاية عادةً لأنه يغير مركز ثقل النظام ويستهلك طاقة إضافية.

المرش – في عملية الزراعة الهوائية، الغرض من المرش هو توفير كمية كافية من الأكسجين للخلايا النامية.

السترة – توفر السترة المنطقة الحلقية لدوران الماء بدرجة حرارة ثابتة مما يحافظ على درجة حرارة المفاعل الحيوي عند قيمة ثابتة. ^[13]

• بولين م. دوران، مبادئ هندسة العمليات الحيوية، إلسيفير، الطبعة الثانية، 2013، رقم ISBN 978-0-12-220851-5 
• شركة التكنولوجيا الحيوية

• المفاعل الحيوي الضوئي.