Das Design von Bioreaktoren wird hauptsächlich durch die Methode der Energieversorgung und der Belüftung des Mediums bestimmt. Basierend auf diesen Kriterien können Bioreaktoren in folgende Typen eingeteilt werden:
- Bioreaktoren mit Energieversorgung in der Gasphase
- Bioreaktoren mit Energieversorgung in der Flüssigphase
- Bioreaktoren mit kombinierter Energieversorgung
Bioreactors with Energy Supply to the Gas Phase
Bei diesem Typ von Bioreaktor werden Belüftung und Mischung des Kulturmediums mittels Druckluft durchgeführt, die unter spezifischem Druck in das System eingeleitet wird. Dazu gehören:
- Blasensäulenreaktoren: Luft wird durch Blasenvorrichtungen am Boden des Apparats zugeführt, was einen effizienten Gasaustausch gewährleistet.
- Airlift-Bioreaktoren (Diffusorbasiert): Diese enthalten einen internen Zylinderdiffusor, der die Mischung des Substrats und der Luft erleichtert, die durch Verteilungsrohre im unteren Teil des Systems eintritt.
- Röhrenförmige (Gaslift-)Bioreaktoren: Diese bestehen aus einer Mantel-und-Rohr-Struktur, in der sich die Flüssigkeit durch einen Luftstrom nach oben bewegt, in einen Separator eintritt und zur Rückführung zurückkehrt.
- Düsenluftverteilungs-Bioreaktoren: Ausgestattet mit Luftzufuhrdüsen im unteren Abschnitt und einem Diffusor oben, gewährleisten sie eine interne Flüssigkeitszirkulation.
- Säulenförmige Bioreaktoren: Zylindrische Säulen, die durch horizontale Platten segmentiert sind, wobei Luftblasen durch jede Flüssigkeitsschicht strömen, was einen Gegenstrom von Flüssig- und Gasphase ermöglicht.
Bioreaktoren mit Energieversorgung in der Flüssigphase
In diesen Systemen wird die Energie direkt in die Flüssigphase eingebracht, wobei folgende bemerkenswerte Designs zu nennen sind:
- Selbstansaugende Turbinenapparate: Diese bestehen aus einem zylindrischen Diffusor und einem Rührer mit hohlen Schaufeln. Das System erzeugt beim Rotieren ein Vakuum, das Luft ansaugt und die Flüssigkeitszirkulation fördert.
- Turbo-Ejektor-Rührwerks-Bioreaktoren: Diese verfügen über vertikale Trennwände, die den Bioreaktor in Abschnitte unterteilen, von denen jeder einen selbstansaugenden Turbinenrührer und einen Diffusor enthält, was die Flüssigkeitsbewegung zwischen den Abschnitten erleichtert.
Bioreaktoren mit kombinierter Energieversorgung
Diese Bioreaktoren integrieren die Energieversorgung sowohl in der Gas- als auch in der Flüssigphase, um eine optimierte Belüftung und Mischung zu gewährleisten. Das System besteht typischerweise aus einem zylindrischen Gefäß, das sowohl mit einem mechanischen Rührer als auch mit einem Blasensystem ausgestattet ist, das unterhalb der unteren Ebene des Rührers positioniert ist.
Klassifizierung von Bioreaktoren nach Mischmethode
Bioreaktoren können auch basierend auf ihren Mischmechanismen klassifiziert werden:
- Mechanische Mischung: Verwendet eine zentrale Welle und verschieden geformte Schaufeln. Die Belüftung kann durch Blasenbildung verstärkt werden, wobei ein mechanischer Vibrator hilft, die Luft in feine Blasen zu verteilen.
- Pneumatische Mischung: Mischung und Belüftung werden durch rotierende Scheiben mit Perforationen oder Bodenpropeller verbessert. Einige Designs integrieren einen Diffusor oberhalb des Blasensystems.
- Zirkulierende Mischung: Enthält Pumpen oder Ejektoren, die einen gerichteten Flüssigkeitsstrom durch einen geschlossenen Kreislauf erzeugen. Einige Modelle kombinieren pneumatische und zirkulierende Mischung, wie „fallende Strahl“- und „untergetauchte Strahl“-Systeme sowie Ejektor-basierte Mischung. Zirkulierende Systeme enthalten oft feste Packmaterialien, um die Mischeffizienz zu verbessern.
Strukturelle und betriebliche Überlegungen
Bioreaktoren sind typischerweise zylindrische, hermetisch verschlossene Behälter mit einem Höhen-zu-Durchmesser-Verhältnis von 2:1 oder 2,5:1. Edelstahl ist das bevorzugte Material für den Bau, da es Haltbarkeit und Sterilität gewährleistet. Die Temperaturregelung erfolgt durch ein Doppelmantel- oder Spiralwärmetauschersystem.
Sterilität und Leistungsüberlegungen
Die Aufrechterhaltung der Sterilität ist entscheidend für den Betrieb von Bioreaktoren. Um dies zu erreichen, sind Bioreaktoren so konstruiert, dass sie luftdicht sind, mit allen Rohrleitungen und internen Oberflächen, die für die Dampfsterilisation bei hohen Temperaturen zugänglich sind. Das Arbeitsvolumen eines Bioreaktors überschreitet typischerweise nicht 70 % der Gesamtkapazität.
Die Wahl des Bioreaktors hängt von den spezifischen Anforderungen des biotechnologischen Prozesses ab, einschließlich der Art des Mikroorganismus, der Eigenschaften des Mediums und der wirtschaftlichen Machbarkeit. Für aerobe Prozesse ist die Belüftungseffizienz entscheidend. Die Sauerstoffübertragungsraten müssen optimiert werden, indem das Gleichgewicht zwischen der Sauerstoffaufnahme aus der Gasphase und seinem Massentransfer in die Flüssigphase sowie der Sauerstoffverbrauch durch Mikroorganismen und seine Entfernung aus dem System bewertet wird.
Die Rate des Sauerstofftransfers von der Gasphase in die Flüssigphase wird durch die volumetrische Absorptionsrate definiert und kann durch die Gleichung ausgedrückt werden:
dC/dt = KLa (Cp – C),
wobei:
- KLa der volumetrische Stoffübergangskoeffizient an der Gas-Flüssig-Grenzfläche ist,
- Cp die Gleichgewichtssauerstoffkonzentration im Medium darstellt,
- C die tatsächliche momentane Sauerstoffkonzentration im Medium ist.
Durch die Optimierung dieser Parameter können Bioreaktoren einen effizienten Stoffübergang erreichen, was ein optimales mikrobielles Wachstum und eine hohe Bioprozessleistung gewährleistet.
