bioreaktor (fermentor), reakcijska posuda u kojoj su osigurani kontrolirani uvjeti za biokemijsku pretvorbu (biokonverziju) supstrata (sirovine, podloge) u željen proizvod djelovanjem živih stanica ili staničnih dijelova (biokatalizatora). Kao ključan dio opreme → bioprocesnog inženjerstva, rabi se u proizvodnji raznovrsnih proizvoda (proizvodi dobiveni postupkom kontrolirane fermentacije poput alkoholnih pića i fermentirane hrane, proizvodi za terapijsku i dijagnostičku primjenu, organska otapala i kiseline, biopolimeri, biogoriva) te zaštiti okoliša (biološka obradba otpadnih voda, kompostiranje). Prema tradicionalnome strukovnom određenju, bioreaktori u kojima proizvodi nastaju fermentacijom nazivaju se fermentori.







Bioprocesi u bioreaktorima čine središnji dio tehnološkoga bioprocesa (engl. upstream bioprocessing), koji započinje odabirom i razvojem biokatalizatora, pripremom supstrata te sterilizacijom bioreaktora, a nastavlja se provedbom biokonverzije nakon stavljanja biokatalizatora u kontakt sa supstratom u bioreaktoru (nacjepljivanje). Nakon završenog bioprocesa u bioreaktoru slijede tehnološki postupci izdvajanja i pročišćivanja proizvoda (engl. downstream bioprocessing). Bioreaktori su najčešće cilindrična oblika, osim tzv. WAVE bioreaktora koji se sastoji od plastičnog spremnika za jednokratnu uporabu. Tip, obujam, opremljenost i ostale značajke bioreaktora odabiru se uzimajući u obzir vrstu i svojstva biokatalizatora, sastav podloge te specifičnosti provedbe procesa. Sustavni nadzor i kontrola svih procesnih parametara u bioreaktoru provodi se regulacijskom elektronikom, danas u pravilu vođenom računalom. Uz mjerenja temperature, tlaka, protoka i pH vrijednosti, posebnim se osjetnicima mjeri razina tekućine i pjene, koncentracija otopljenoga kisika, količina stanične biomase i utrošak sastojaka podloge. Automatizacija upravljanja primjenom računala omogućuje međusobno spajanje više bioreaktora radi veće procesne učinkovitosti.







Bioreaktori se razvrstavaju prema vrsti supstrata koji se rabi (čvrsti ili tekući), potrebi za kisikom (aerobni ili mikroaerofilni), načinu miješanja, pripremi biokatalizatora (vezani ili raspršeni) itd. Ovisno o radnom obujmu bioreaktori mogu biti mikro (1‒100 ml), laboratorijski (1‒50 l), poluindustrijski (100‒1000 l) i industrijski (5000‒500 000 l). Konstrukcijski se ponajviše razlikuju bioreaktori za aerobne i mikroaerofilne procese i enzimski bioreaktori.







Bioreaktori za mikroaerofilne procese imaju uređaje za miješanje samo zbog uspostavljanja homogenog dodira biomase s katalizatorom. Bioreaktori za aerobne procese najrašireniji su oblik bioreaktora. Najjednostavniji među njima je bioreaktor za površinski uzgoj, u kojem su tekuća hranjiva podloga i mikroorganizmi izloženi zraku. Međutim, u većini aerobnih procesa opskrba mikroorganizama kisikom postiže se prisilnim dovođenjem zraka i miješanjem. S obzirom na način miješanja razlikuju se bioreaktori s mehaničkim miješalom, s pneumatskim miješanjem stlačenim zrakom (barbotirajuća kolona), s valovitim miješanjem (njihanjem) i s hidrauličkim miješanjem. Kod bioreaktora sa šupljim vlaknima (engl. hollow fiber), tekuća podloga pneumatski protječe kroz snop kapilarnih vlakana poroznih stijenki, a biomasa katalizatora (kvasci, alge, stanice, probiotici) imobilizirana je između kapilara. Posebnu skupinu čine bioreaktori u kojima je supstrat u čvrstome stanju (npr. visokocelulozni materijali). Enzimski bioreaktori konstruirani su slično klasičnim reaktorima za kemijsku katalizu. Mnogo su selektivniji i učinkovitiji te danas sve više zamjenjuju postupke kemijske sinteze, a u njima se kao biokatalizatori rabe izolirani enzimi otopljeni ili vezani (imobilizirani) na nosaču.

Glavni načini (postupci) vođenja bioprocesa u bioreaktoru su šaržni, šaržni s prihranjivanjem, kontinuirani i perfuzijski (kontinuirani s povratom biomase). Šaržni postupak podrazumijeva nacjepljivanje mikroorganizma u konačni obujam hranjive podloge u bioreaktoru. Periodično dodavanje svježe hranjive podloge sa supstratom u bioreaktor tijekom šaržnog postupka naziva se šaržnim postupkom s prihranjivanjem, a uz šaržni, najzastupljenija je vrsta bioprocesa u industriji. U kontinuiranom postupku svježa hranjiva podloga sa supstratom se neprekidno unosi u bioreaktor dok se istodobno odvodi jednaki volumen iskorištene hranjive podloge i mikrobne biomase. Kod perfuzijskoga postupka također postoji ujednačen protok hranjive podloge kroz bioreaktor, ali se pri izlasku sadržaja mikrobna biomasa odvaja i vraća u bioreaktor.

Bioreaktori u Hrvatskoj

Na području Hrvatske od najranijeg je doba poznata proizvodnja fermentiranih proizvoda, za koju su se u domaćinstvima i obrtu rabile prikladne posude kao preteča bioreaktora. Razvojem industrijske proizvodnje u XIX. st. došlo je do pojave novih proizvodnih tehnologija, u kojima su se počeli rabiti metalni fermentori. U tome su prednjačile prve industrijske pivovare (u Daruvaru, Osijeku, Karlovcu, Zagrebu), tvornice octa (Osijek, Varaždin, Požega, Zagreb, Karlovac), tvornice alkohola, alkoholnih pića i kvasca, npr. Tvornica i rafinerija špirita i pjenice u Marofu baruna Dumreichera (→ Žumberak) od 1878., Tvornica žeste Arko (→ Badel 1862) osnovana 1867., Fabrika i rafinerija žeste P. Teslić iz Siska (→ Segestica) od 1925.







Velik iskorak u primjeni modernih industrijskih bioreaktora i bioprocesnog inženjerstva u Hrvatskoj potaknuo je razvoj domaće farmaceutske industrije, napose poduzeća Kaštel (poslije → Pliva), osnovanog u Karlovcu 1921. Prvi istraživački laboratorij poduzeća, osnovan je 1935., u kojem je nobelovac → Vladimir Prelog dao svoj doprinos istraživanju → antibiotika sulfonamida, što je rezultiralo patentiranjem i pokretanjem proizvodnje streptazola (1936), a potom i mnogih drugih patentiranih lijekova.







Osnivanjem Biotehnološkoga studija na Tehnološkome fakultetu u Zavodu za biokemijsko inženjerstvo 1956., uz → Veru Johanides i → Sinišu Bana počela je i razvijala se visokoškolska nastava bioprocesnog inženjerstva koja je obuhvaćala znanja o fermentorima (→ Vladimir Marić) i njihovoj primjeni u obradbi otpadnih voda (→ Margareta Glancer-Šoljan). Moderna biotehnologija koja se temelji na bioreaktorima počela se razvijati u Hrvatskoj na zagrebačkom → Prehrambeno-biotehnološkome fakultetu od 1987 (→ Zlatko Kniewald), punu je primjenu našla u suvremenoj biofarmaceutskoj proizvodnji (koprivnički → Belupo, zagrebačka Pliva, → Imunološki zavod, Hospira te riječki → Jadran – galenski laboratorij). Osim u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji, u Hrvatskoj je danas sve značajnija primjena bioreaktora (fermentora) u bioplinskim postrojenjima, kojih je 2019. bilo 39.

Procesnu opremu za poduzeća nekoć su dijelom proizvodile domaće tvornice (npr. zagrebačko → Jedinstvo). Danas opremu za pivovare i prehrambenu industriju proizvodi i instalira poduzeće Rosing iz Zagreba, s pogonom u Kupincu.