Objavljeno: .
Ažurirano: 23. prosinca 2021.

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.

Proizvodnja antibiotika, fermentacija u kotlovima – fermentorima u poduzeću Pliva, druga polovica XX. st.

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.

Serijski bioreaktori od 0,5 l za optimizaciju biotehnološkoga procesa, Centralni laboratorij BICRO BIOCentra, BIOCentar

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.

Detalj bioreaktora, Centralni laboratorij BICRO BIOCentra, BIOCentar

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 1867) osnovana 1867., Fabrika i rafinerija žeste P. Teslić iz Siska (→ Segestica) od 1925.

Varionica, Zagrebačka pivovara, XX. st.

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.

Lijek Streptazol tvornice Kaštel, 1937., Hrvatski muzej medicine i farmacije, Zagreb

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.


Ostali podatci
Vidi još...
Što pročitati?

V. Marić, B. Šantek: Biokemijsko inženjerstvo. Zagreb, 2009.

Monografija 60. obljetnice Prehrambeno-biotehnološkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu. Zagreb, 2016.

Iz arhive LZMK-a

BIOKEMIJSKO INŽENJERSTVO. Hrvatska enciklopedija, sv. 2, 2000., str. 129–130.

bioreaktor
Reaktor u kojem se provodi organska sinteza aktivne farmaceutske supstance u poduzeću Pliva.

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).

Kategorije i područja
Kategorija
Uže područje