De Kunst van Bioreactorontwerp: Een Uitgebreide Gids

Bioreactoren, ook wel fermentoren genoemd, vormen het hart van veel bioprocessen en bieden een gecontroleerde omgeving waarin biologische reacties kunnen plaatsvinden. Hun ontwerp is een multidisciplinaire kunst, waarin principes van chemische technologie, microbiologie, biochemie en werktuigbouwkunde samenkomen. Deze gids is bedoeld om een uitgebreid overzicht te geven van overwegingen bij het ontwerpen van bioreactoren, en richt zich op de behoeften van een wereldwijd publiek dat betrokken is bij bioprocestechnologie, van studenten tot ervaren professionals.

Grondbeginselen van Bioreactorontwerp

In de kern omvat het ontwerp van een bioreactor het creëren van een omgeving die de groei en metabolische activiteit van micro-organismen of cellen optimaal ondersteunt. Dit vereist een zorgvuldige afweging van verschillende sleutelfactoren:

• Mengen: Zorgen voor homogeniteit van nutriënten, temperatuur en pH in de hele reactor.
• Beluchting: Voldoende zuurstof toevoeren voor aërobe organismen en tegelijkertijd koolstofdioxide verwijderen.
• Temperatuurregeling: De optimale temperatuur voor de biologische reactie handhaven.
• pH-regeling: De pH reguleren om remming of celbeschadiging te voorkomen.
• Steriliteit: Besmetting door ongewenste micro-organismen voorkomen.

Basiscomponenten van een Bioreactor

Een typische bioreactor bestaat uit de volgende componenten:

• Vat: De container die de kweek bevat. Materialen die vaak worden gebruikt zijn roestvrij staal, glas en kunststoffen voor eenmalig gebruik.
• Roersysteem: Een impeller of roerder om de inhoud van de reactor te mengen.
• Beluchtingssysteem: Een sparger om lucht of zuurstof in de kweek te brengen.
• Temperatuurregelsysteem: Een mantel of interne spiralen om de gewenste temperatuur te handhaven.
• pH-regelsysteem: Sensoren en pompen om zuur of base toe te voegen om de gewenste pH te handhaven.
• Sensoren en Regelsysteem: Bewaking en regeling van belangrijke parameters zoals temperatuur, pH, opgeloste zuurstof (DO) en biomassaconcentratie.
• Bemonsteringssysteem: Een middel om monsters te nemen voor analyse.

Soorten Bioreactoren

Bioreactoren zijn er in verschillende ontwerpen, elk geschikt voor verschillende toepassingen en organismen. Hier zijn enkele van de meest voorkomende types:

Geroerde Tankreactoren (STR's)

Geroerde tankreactoren zijn het meest gebruikte type. Ze bestaan uit een cilindrisch vat met een impeller die voor menging zorgt. STR's zijn veelzijdig en kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, van microbiële fermentatie tot zoogdiercelkweek.

Voordelen:

• Goed gemengde omgeving
• Goede temperatuurregeling
• Relatief eenvoudig op te schalen

Nadelen:

• Hoge schuifspanning kan gevoelige cellen beschadigen
• Kan moeilijk te reinigen en te steriliseren zijn

Airlift Bioreactoren

Airlift bioreactoren gebruiken lucht om de kweek te mengen en te beluchten. Ze zijn bijzonder geschikt voor cellen die gevoelig zijn voor schuifspanning, omdat ze geen mechanische impellers hebben.

Voordelen:

• Lage schuifspanning
• Eenvoudig ontwerp
• Goed voor schuifspanningsgevoelige cellen

Nadelen:

• Minder efficiënte menging dan STR's
• Moeilijk op te schalen

Bellenkolom Bioreactoren

Bellenkolom bioreactoren lijken op airlift bioreactoren, maar hebben geen interne stijgbuis. Lucht wordt direct onderin de kolom gesparged, wat zorgt voor menging en beluchting.

Voordelen:

• Eenvoudig ontwerp
• Lage kosten

Nadelen:

• Slechte menging
• Moeilijk te regelen

Gepakte Bed Bioreactoren

Gepakte bed bioreactoren bevatten een vaste matrix, zoals kralen of vezels, die een oppervlak biedt waaraan cellen zich kunnen hechten. Nutriënten circuleren door het bed en voorzien de cellen van de middelen die ze nodig hebben om te groeien.

Voordelen:

• Hoge celdichtheid
• Goed voor geïmmobiliseerde cellen

Nadelen:

• Moeilijk op te schalen
• Kan gevoelig zijn voor verstopping

Gefluïdiseerd Bed Bioreactoren

Gefluïdiseerd bed bioreactoren lijken op gepakte bed bioreactoren, maar de vaste matrix is gesuspendeerd in een vloeistofstroom. Dit zorgt voor een betere menging en massaoverdracht.

Voordelen:

• Goede menging en massaoverdracht
• Hoge celdichtheid

Nadelen:

• Complex ontwerp
• Kan moeilijk te regelen zijn

Fotobioreactoren

Fotobioreactoren zijn ontworpen voor het kweken van fotosynthetische organismen, zoals algen en cyanobacteriën. Ze zijn meestal transparant zodat licht de kweek kan binnendringen.

Voordelen:

• Efficiënt lichtgebruik
• Gecontroleerde omgeving

Nadelen:

• Hoge kosten
• Moeilijk op te schalen

Single-Use Bioreactoren (SUB's)

Single-use bioreactoren zijn voorgesteriliseerde, wegwerpbare bioreactoren die de noodzaak van reiniging en sterilisatie elimineren. Ze worden steeds populairder in de biofarmaceutische productie.

Voordelen:

• Lagere reinigings- en sterilisatiekosten
• Minder risico op besmetting
• Snellere doorlooptijd

Nadelen:

• Hogere kosten per batch
• Milieuproblemen met betrekking tot plastic afval

Belangrijke Ontwerpoverwegingen

Bij het ontwerpen van een bioreactor moeten verschillende factoren in overweging worden genomen. Deze omvatten:

Celtype

Het type cel dat wordt gekweekt, heeft een aanzienlijke invloed op het ontwerp van de bioreactor. Zo vereisen schuifspanningsgevoelige zoogdiercellen andere ontwerpen van bioreactoren dan robuuste bacteriën.

• Microbiële Fermentatie: Vereist meestal hoge beluchting en menging om snelle groei te ondersteunen. STR's zijn vaak geschikt.
• Zoogdiercelkweek: Vereist zachtere menging en beluchting om celbeschadiging te voorkomen. Airlift bioreactoren of aangepaste STR's met impellers met lage schuifspanning hebben de voorkeur.
• Plantencelkweek: Vereist specifieke nutriëntformuleringen en kan baat hebben bij gespecialiseerde bioreactorontwerpen zoals mist-bioreactoren.
• Algenkweek: Vereist lichtpenetratie en efficiënte CO2-toevoer. Fotobioreactoren zijn specifiek voor dit doel ontworpen.

Schaal van de Operatie

De schaal van de operatie zal ook het ontwerp van de bioreactor beïnvloeden. Kleinschalige bioreactoren kunnen eenvoudig en goedkoop zijn, terwijl grootschalige bioreactoren meer geavanceerde engineering vereisen.

Mengen en Beluchting

Efficiënte menging en beluchting zijn cruciaal voor de prestaties van de bioreactor. Mengen zorgt ervoor dat nutriënten gelijkmatig door de kweek worden verdeeld, terwijl beluchting de zuurstof levert die nodig is voor celgroei.

Mengstrategieën:

• Impellerontwerp: Rushton-turbines, schuinbladige turbines en scheepsschroeven worden vaak gebruikt. De keuze hangt af van de viscositeit van de kweek en de gewenste mengintensiteit.
• Schotontwerp: Schotten worden gebruikt om vortexvorming te voorkomen en de mengefficiëntie te verbeteren.
• Mengsnelheid: De mengsnelheid moet worden geoptimaliseerd om voldoende menging te bieden zonder overmatige schuifspanning te veroorzaken.

Beluchtingsstrategieën:

• Spargerontwerp: Spargers brengen lucht of zuurstof in de kweek. Verschillende spargerontwerpen, zoals poreuze spargers of nozzle-spargers, kunnen worden gebruikt om verschillende belgroottes te creëren.
• Gasdebiet: Het gasdebiet moet worden geoptimaliseerd om voldoende zuurstof te leveren zonder vluchtige stoffen uit te strippen.
• Zuurstofverrijking: In sommige gevallen kan het nodig zijn om de lucht met zuurstof te verrijken om aan de zuurstofbehoefte van de cellen te voldoen.

Temperatuur- en pH-regeling

Het handhaven van een optimale temperatuur en pH is essentieel voor celgroei en productvorming. De temperatuur wordt doorgaans geregeld met een mantel of interne spiralen, terwijl de pH wordt geregeld door zuur of base toe te voegen.

Temperatuurregelsystemen:

• Verwarmings- en koelmantels: Circuleren verwarmd of gekoeld water rond het bioreactorvat.
• Interne spiralen: Bieden een efficiëntere warmteoverdracht dan mantels.
• PID-regelaars: Worden gebruikt om de temperatuur automatisch aan te passen op basis van feedback van een temperatuursensor.

pH-regelsystemen:

• pH-sensoren: Meten de pH van de kweek.
• Zuur- en basepompen: Voegen zuur of base toe om de pH aan te passen.
• PID-regelaars: Worden gebruikt om de toevoeging van zuur en base automatisch aan te passen op basis van feedback van een pH-sensor.

Sterilisatie

Sterilisatie is cruciaal om besmetting te voorkomen. Bioreactoren worden doorgaans gesteriliseerd door autoclaveren of door het gebruik van chemische sterilisatiemiddelen.

Sterilisatiemethoden:

• Autoclaveren: Gebruik van stoom onder hoge druk om micro-organismen te doden.
• Chemische sterilisatie: Gebruik van chemische sterilisatiemiddelen, zoals waterstofperoxide of perazijnzuur.
• Filtratie: Gebruik van filters om micro-organismen uit vloeistoffen en gassen te verwijderen.

Procesbewaking en -regeling

Geavanceerde strategieën voor procesbewaking en -regeling zijn van vitaal belang voor het optimaliseren van de prestaties van de bioreactor en het waarborgen van de productkwaliteit. Deze strategieën omvatten het gebruik van sensoren, software en regelalgoritmen om belangrijke procesparameters in realtime te bewaken en aan te passen.

Belangrijke Parameters om te Bewaken:

• Temperatuur
• pH
• Opgeloste Zuurstof (DO)
• Biomassaconcentratie
• Nutriëntenconcentraties
• Productconcentratie
• Off-gas Analyse (CO2, O2)

Regelstrategieën:

• Feedbackregeling: Aanpassen van procesparameters op basis van feedback van sensoren.
• Feedforwardregeling: Aanpassen van procesparameters op basis van voorspelde veranderingen in het systeem.
• Model Predictive Control (MPC): Gebruik van wiskundige modellen om het toekomstige gedrag van het systeem te voorspellen en regelacties te optimaliseren.

Opschalingsoverwegingen

Het opschalen van een bioproces van laboratoriumschaal naar industriële schaal kan een uitdaging zijn. Het is belangrijk om in de grootschalige bioreactor vergelijkbare omstandigheden te handhaven als in de kleinschalige bioreactor.

Opschalingsstrategieën:

• Geometrische gelijkenis: Dezelfde verhoudingen handhaven in de grootschalige bioreactor als in de kleinschalige bioreactor.
• Constant vermogen per volume: Hetzelfde vermogen per volume handhaven in de grootschalige bioreactor als in de kleinschalige bioreactor.
• Constante tipsnelheid: Dezelfde tipsnelheid van de impeller handhaven in de grootschalige bioreactor als in de kleinschalige bioreactor.
• Computational Fluid Dynamics (CFD): CFD gebruiken om de stromingspatronen in de bioreactor te modelleren en het ontwerp te optimaliseren.

Opkomende Trends in Bioreactorontwerp

Het veld van bioreactorontwerp is voortdurend in ontwikkeling, met nieuwe technologieën en benaderingen die worden ontwikkeld om de prestaties van bioprocessen te verbeteren. Enkele van de opkomende trends zijn:

Continue Bioprocessing

Continue bioprocessing omvat het continu toevoeren van nutriënten en het verwijderen van product uit de bioreactor. Dit kan leiden tot een hogere productiviteit en lagere kosten in vergelijking met batchverwerking.

Procesintensivering

Procesintensivering omvat het ontwikkelen van compactere en efficiëntere bioprocessen. Dit kan worden bereikt door het gebruik van nieuwe bioreactorontwerpen, zoals microreactoren en membraanbioreactoren.

Bioreactor Automatisering

Bioreactor automatisering omvat het gebruik van robots en andere geautomatiseerde systemen om de bioreactor te besturen en te bewaken. Dit kan de reproduceerbaarheid verbeteren en de arbeidskosten verlagen.

Data-analyse en Machine Learning

Data-analyse en machine learning worden gebruikt om bioreactordata te analyseren en de procesprestaties te optimaliseren. Dit kan leiden tot een verbeterde productkwaliteit en hogere opbrengsten.

Bioreactorontwerp voor Specifieke Toepassingen: Wereldwijde Voorbeelden

Bioreactorontwerp is geen one-size-fits-all benadering. Specifieke toepassingen vereisen op maat gemaakte ontwerpen. Hier zijn enkele voorbeelden die wereldwijde innovatie tonen:

• Productie van Biosimilars (India): Indiase biofarmaceutische bedrijven investeren zwaar in grootschalige, roestvrijstalen STR's met geavanceerde regelsystemen om betaalbare biosimilars voor de wereldmarkt te produceren. Het ontwerp benadrukt kosteneffectiviteit en naleving van strenge wettelijke vereisten.
• Biobrandstof op basis van Algen (Australië): Australische onderzoeksinstituten zijn pioniers in het gebruik van open vijvers en gesloten fotobioreactoren voor algenkweek om biobrandstoffen te produceren. Ontwerpen richten zich op het maximaliseren van de zonlichtopvang, CO2-benutting en lipideproductie.
• Kweekvlees (Nederland): Nederlandse bedrijven lopen voorop in de ontwikkeling van bioreactoren voor de productie van kweekvlees. Deze bioreactoren, vaak op perfusie gebaseerde systemen, moeten efficiënt zoogdiercelkweek met hoge dichtheid ondersteunen, terwijl de kosten worden geminimaliseerd en de productveiligheid wordt gegarandeerd.
• Productie van Antibiotica (China): China is een belangrijke producent van antibiotica. Veel fabrikanten gebruiken grootschalige fermentatieprocessen in STR's om deze vitale medicijnen te produceren. Optimalisatie van deze bioreactoren richt zich op het maximaliseren van de antibiotische titer en het minimaliseren van de vorming van bijproducten.
• Productie van Monoklonale Antilichamen (Zwitserland): Zwitserse farmaceutische reuzen zijn leiders in het produceren van monoklonale antilichamen met behulp van zoogdiercelkweek. Hun bioreactoren zijn doorgaans geavanceerde, single-use systemen met geavanceerde regelsystemen en een hoge mate van automatisering om productconsistentie en -kwaliteit te waarborgen.

Conclusie

Bioreactorontwerp is een complex en uitdagend veld, maar het is ook essentieel voor veel belangrijke industrieën, waaronder biofarmaceutica, voeding en dranken, en biobrandstoffen. Door de fundamentele principes van bioreactorontwerp te begrijpen en op de hoogte te blijven van de laatste trends, kunnen ingenieurs en wetenschappers bioreactoren ontwikkelen die efficiënter, betrouwbaarder en kosteneffectiever zijn.

Deze gids heeft een breed overzicht gegeven van de kunst van het bioreactorontwerp. Verdere verkenning van specifieke bioreactortypes, regelstrategieën en opschalingsmethodologieën wordt aanbevolen voor diegenen die een dieper inzicht in dit kritieke veld zoeken.