Bioreaktor

Bioreaktor on seade või anum, milles valmistatakse või modifitseeritakse bioloogiliselt aktiivseid ühendeid ja elusolendeid või viiakse nende abil läbi keemilisi protsesse. Keerukuselt ulatuvad bioreaktorid lihtsatest anumatest (nagu Petri tass) mahukate rajatisteni (nagu tänapäevane reoveepuhasti). Reaktori maht võib olla milliliitritest kuni sadade tuhandete kuupmeetriteni. Lisaks sobiva suuruse ja kujuga anumale kuulub bioreaktorite juurde mitmesuguseid seadmeid, mille abil saab aineid ja organisme lisada ja eemaldada, reguleerida reaktori pHd ning vedeliku- ja gaasivahetust, reaktori sisu segada, reaktsioonikeskkonda soojendada, jahutada, valgustada jne. Et operaatoril oleks reaktoris toimuvast ülevaade, on tarvis teha mõõtmisi, milleks paigutatakse reaktorisse mõõteseadmetega ühendatud elektroode ja sensoreid. Lisaks võetakse reaktorist proove. Üldiselt põhineb bioreaktorite töö ainuraksete (nii bakterite, vetikate kui ka seente), sageli nende koosluste, harvem ka kõrgemate organismide (näiteks taimede või imetajate) elutegevusel. Kõrgemate organismide kasutamisel piirdutakse tihti mõne koe või elundi, mitte tervikorganismide kasvatamisega. Reaktoris elavate organismide hulka nimetatakse kultuuriks. Lihtsaimad, avatud ehitusega bioreaktorid on pidevas vastastikmõjus väliskeskkonnaga. Nende ehitus- ja ekspluatatsioonikulud on väikesed, kuid reaktoris valitsevaid tingimusi on raske kontrolli all hoida. Avatud reaktori tööd ohustavad sademed, temperatuurimuutused, saasteaine ja soovimatud organismid. Seetõttu kasutatakse avatud reaktoreid eelkõige suuremahulisteks protsessideks, mis ei ole tingimuste suhtes väga nõudlikud. Avatud tüüpi reaktoritest levinuimad on aeratsioonimahutid, milles toimuvad reoveepuhastuse aktiivmudaprotsessid. Fotobioreaktoritena kasutatakse laialdaselt ringvoolukanali ja kaskaadi tüüpi reaktoreid, milles sõukruvi, sõuratta või õhumullide abil tekitatakse veevool, et valgustingimusi ühtlustada. Suletud süsteemina toimivad niisugused bioreaktorid, mille vastastikmõju väliskeskkonnaga on minimeeritud või kontrollitav. Suletud reaktoris on tingimused hõlpsasti kontrollitavad, juhuslikke muutusi ei toimu ja luua saab steriilse keskkonna. Samas on suletud süsteemi rajamine avatud süsteemist kulukam. Suletud reaktori kasutamine võimaldab korraldada ülitundlikke protsesse, nagu kudede ja elundite kasvatamine või antikehade süntees. Mitte iga suletud reaktor ei ole aga täppissüsteem: seda tüüpi reaktoreid kasutatakse kohati lihtsalt anaeroobse keskkonna loomiseks rakendustes, nagu kääritid ja metaantankid. Tänapäeval ehitatakse näiteks prügilad suletud süsteemina, kus anaeroobsete organismide elutegevuses vabanevat gaasi (prügilagaasi) torustiku abil kogutakse ja kütusena kasutatakse. Aeroobseid heterotroofseid organisme kasvatavad reaktorid on gaasivahetuse hõlbustamiseks reeglina avatud ehitusega ja varustatud aeratsioonisüsteemiga. Mõnel juhul tagab küllaldase aeratsiooni reaktori sisu intensiivne segamine. Anaeroobsetele organismidele on hapnik kahjulik ja selle juurdepääsu takistamiseks on anaeroobsed reaktorid sageli suletud ehitusega. Anaeroobsed protsessid toimuvad rangelt vesikeskkonnas. Anaeroobseid organisme, kes oma elutegevuse käigus toodavad etanooli, kasutatakse muuhulgas õlle kääritamisel; kui kääritusnõusse satub liigselt hapnikku, elavnevad seal aeroobsed organismid ja toodang saastub nende elutegevuse jääkidega. Kääritusprotsessid on teadaolevalt vanimad kasutatavad bioreaktoriprotsessid. Fotobioreaktorites kasvatatakse fotosünteesivaid organisme ehk fotolitotroofe. Levinuim on mikrovetikate kasvatamine nende kõrge saagikuse ja liigilise mitmekesisuse tõttu, kuid kasvatatakse ka tsüanobaktereid ja kõrgemaid taimi. Fotobioreaktorites on fotosünteesil vabaneva hapniku tõttu aeroobne keskkond ja lisahapnik ei ole vajalik. Seevastu vajavad organismid fotosünteesiks valgusenergiat, milleks on sobilik nii päikese- kui ka tehisvalgus. Valguse vähesus on peamine fotosünteesivate organismide kasvu piirav tegur, mistõttu tööstuslike mõõtmetega fotobioreaktorid on tasuvad ainult piirkondades, kuhu päikesevalgust langeb aasta läbi palju. Tänapäeval püütakse leida energiatõhusamaid ja tõhusamaid viise mikroobsete protsesside kasutamiseks, pidades silmas eelkõige reoveekäitlust ja biokütuste tootmist. Selleks on välja arendatud mitu uuenduslikku reaktoritüüpi. Biorootor on reoveekäitluseks kasutatav bioreaktor, mille põhiosa on horisontaalsel võllil pöörlev trummel. Trummel on jaotatud segmentideks kergete võredega, millele moodustub biokile. Trumli võll paikneb veepiiril, mistõttu osa trumlist on alati vees, ülejäänu aga õhus. Taolise ehituse korral puudub vajadus täiendava aeratsiooni järele, sest trumlil paiknevad mikroobid on perioodiliselt kokkupuutes õhuga. Trumli pöörlemine tagab mahuti pideva segamise ja organismide tõhusa ainevahetuse vesikeskkonnaga. Õhukese kihi reaktorid on suletud ehitusega fotobioreaktorid, milles tänu veekihi väikesele paksusele ei teki olulist valguse puudujääki. Reaktor võib olla plaadi- või torukujuline, aga ka spiraalne, silindriline vms. Õhukese kihi reaktorid on väga tõhusad, kuid nende suuremahuline rajamine on eriti kallis ja keeruline. Reaktori väikeste sisemõõtmete tõttu on nende puhastamine ja hooldamine raskendatud. Püüded suuremat õhukese kihi reaktorite süsteemi rajada on suurte ülalpidamiskulude tõttu nurjunud. Mikroobne kütuseelement on seade, mis muudab keemilise energia mikroobsete protsesside abil otse elektrienergiaks. See koosneb anoodist, katoodist ja ioone või elektrone läbi laskvast membraanist. On nii kääritavate bakterite kui vetikate elutegevusel põhinevaid mikroobseid kütuseelemente. Toiterežiimi põhjal võib bioreaktorid jagada kolme tüüpi. Neist lihtsaima, annusreaktori töö on tsükliline: reaktor täidetakse ainete ja organismidega ning see töötab kuni soovitud hetkeni, misjärel see tühjendatakse ja vajadusel alustatakse reaktsiooni uuesti. Annusreaktoris saab reaktsiooni algtingimusi täpselt määrata, kuid reaktsiooni kestus on piiratud reaktoris toimuvate muutustega, näiteks toitainete ammendumisega. Seetõttu on annusreaktorid kasutusel eelkõige laboritingimustes lühiajaliste katsete jaoks. Pikaajalised reaktsioonid saavad toimuda toidetavas annusreaktoris, millesse lisatakse järjest vajalikke aineid, kuid mis lõpuks siiski seisatakse ja tühjendatakse. Need reaktorid sobivad biomassi kasvatamiseks ja ainete tõhusaks sünteesiks. Kui on vajalik reaktori kestev töö, kasutatakse püsikultuurseid reaktoreid, kus aeg-ajalt aineid lisatakse ja eemaldatakse. Nii töötab enamik reoveepuhastitest. Püsikultuurse reaktori eritüübid on kemostaat ja turbidostaat, milles kultuuri kasvu reguleeritakse vastavalt toitaine lisamisega ja biomassi eemaldamisega. Sõltuvalt kasvatatavate organismide vajadustest võivad need reaktoris paikneda nii liikuvalt kui kinnitunult. Vabalt liikuvate organismidega protsessid toimuvad enamasti vesikeskkonnas. Kinnituda võivad organismid kas otse söötmele (nagu agargeeliga Petri tassis), reaktori pinnale või reaktoris selleks ettenähtud objektidele, mida nimetatakse kandjateks. Kandjad valmistatakse võimalikult suure eripinnaga (niitjad, maatriksilaadsed, hargneva struktuuriga jne), et võimaldada suure arvu organismide kinnitumist ja nende tõhusat ainevahetust ümbritseva keskkonnaga. Kandjad võivad omakorda olla nii liikuvad kui ka statsionaarsed. Kui kinnitunud organismid moodustavad reaktoris ühtlase tiheda kihi ehk biokile, on tegemist biokilereaktoriga. Bioreaktorid on kasutusel paljudes valdkondades. Farmaatsiatööstuses sünteesitakse nendes antikehi, antibiootikume, hormoone ja muid toimeaineid. Kiiresti areneb kudede ja asenduselundite organismiväline kasvatamine. Toiduainetetööstuses korraldatakse bioreaktorites kääritusprotsesse, näiteks juustu ja alkohoolsete jookide, samuti vitamiinide ja toitainete tootmiseks. Bioreaktorite abil toodetakse vetikamassi, millest saab valmistada biodiislikütust või teistes bioreaktorites omakorda biogaasi. Vetikaid kasvatatakse ka põllumajandusele väetise ja loomasööda valmistamiseks. Nüüdisaegsed reoveepuhastusprotsessid toimuvad samuti mahukates bioreaktorites. NASA uurib võimalusi kasutada fotobioreaktoreid kosmoselaevadel hapniku taastootmiseks inimese väljahingatavast süsihappegaasist. Membraanbioreaktor Vetikakasvatus TEA entsüklopeedia, 4. köide, TEA, Tallinn 2009. Eibl, D., Eibl, R., Pörtner, R. et al, Cell and tissue reaction engineering, Springer, 2009 Decker, E.L., Reski, R. Current achievements in the production of complex biopharmaceuticals with moss bioreactors. Bioprocess and Biosystems Engineering. Springer-Verlag 2007. Benemann, J.R. Bioreactors – Open ponds and closed photobioreactors – comparative economics. Konverentsiettekanne. Chicago 2008. Spuhler, D. Rotating Biological Contractors Pirt, S.J. The theory of fed batch culture with reference to the penicillin fermentation. Journal of Applied Chemistry and Biotechnology, 1974. Proal, A. Understanding biofilms, https://web.archive.org/web/20121012091055/http://bacteriality.com/2008/05/26/biofilm/, 2008. Sun T., Norton D., Haycock J.W., Development of a closed bioreactor system for culture of tissue-engineered skin at an air-liquid interface. Tissue engineering, 2005. Yin-Hu Wu jt. Biomass production of a Scenedesmus sp. under phosphorous-starvation cultivation condition. Bioresource Technology, 2012.