BIOREACTOAREProf.dr.ing. NISTOR Ileana Denisa

1. INTRODUCERESCURT ISTORIC

Utilizarea microorganismelor in vederea satisfacerii nevoilor proprii a fost si ramane o preocupare continua a oamenilor. Crescatorii de animale din antichitate au descoperit ca laptele pastrat in stomacul animalelor sacrificate se transforma in branza. Enzima renina prinde laptele, prin hidroliza limitata, rezultand iaurt, branza. Triburile primitive din zonele tropicale fezandeaza carnea pentru preparare, prin utilizarea frunzelor si fructelor. Tot din frunze si fructe se prepara sucuri si bauturi alcoolice.

Se poate structura dezvoltarea industriilor biologice si biochimice in urmatoarele perioade istorice: pana in 1800 ignoranta fata de principiile pe care se bazeaza procesele biologice si biochimice de transformare a materiei; intre 1800 si 1920 perioada descoperirilor importante;(1878-Kuhne propune termenul de enzima; 1918-Kirchhoff recunoaste proprietatile catalitice ale enzimelor); dupa 1920 procesele biochimice se aplica pe scara din ce in ce mai larga.

Impulsul este dat de elaborarea de catre Michaelis si Menten a ipotezei referitoare la cinetica enzimatica, precum si aplicarea acesteia de catre Monod la dezvoltarea populatiilor (celule, microbi, microorganisme).

Dupa cel de-al doilea razboi mondial, se observa o incetinire a ritmului introducerii biotehnologiilor, datorita capacitatii sporite a industriei petrochimice de a prepara materiile prime necesare industriei de sinteza. In ultimii ani, situatia s-a modificat substantial, putandu-se aprecia ca are loc o adevarata explozie a utilizarii biotehnologiilor.

1.2. TEHNOLOGII BIOLOGICE SI BIOCHIMICEIndustria proceselor biochimice se ocupa de exploatarea economica, controlata, a biochimiei materialelor biochimice cum sunt: microorganismele, tesuturile de plante si animale, fractii microbiene, enzimein vitro.

Pentru desfasurarea unui proces bichimic sunt necesare: o sursa de energie, sursa de carbon, sursa de azot si microelemente precum si prezenta microorganismelor sau a enzimelor secretate de acestea.In general sursa de energie si carbon este asigurata de o substanta organica.

Ansamblul tuturor substantelor necesare desfasurarii procesului biochimic poarta numele de substrat sau solutie hranitoare. Compozitia acesteia este complexa si specifica fiecarui microorganism. Substraturile naturale sunt preferabile celor sintetice, ceea ce indica receptivitatea mare a microorganismelor pentru microelemente.Microorganismele pot fi clasificate, dupa structura, in urmatoarele categorii:

- bacterii, formatii monocelulare care se reproduc prin diviziune;- drojdii, formatii monocelulare cu dimensiuni cuprinse intre 5 si 8 m care se reproduce sexuat sau asexuat;- mucegaiuri, formatii filamentoase care se inmultesc, in general, prin inmugurire, formand micelii; aceste micelii pot introduce rezistente suplimentare in aprovizionarea cu substrat;alge si protozoare.

Transformarile biochimice ale substratului sunt generate de activitatea enzimelor, indiferent daca acestea sunt in interiorul celulelor, in vivo, sau in afara acestora, in vitro.

Fata de macroorganisme, microorganismele au o viteza mare de dublare a masei (Tabel 1.1).

Tabelul 1.1. Durata de dublare a masei

OrganismDurata de dublare a masei, oreBacterii,drojdii, mucegaiuri 0,3- 2Alge2- 50Porcine 680-1000Bovine 680- 1300

In timpul vietii microorganismele cresc, se reproduc si secreta substante biochimice complexe, metaboliti. De cele mai multe ori, importanta industriala au tocmai metabolitii, sursa microbiana fiind un reziduu; in alte cazuri, aceasta masa microbiana este ceea ce urmareste (drojdii alimentare si furajere). Se poate aprecia ca, in industria biochimica, in biotehnologie, se urmareste utilizarea atat a reactiilor de sinteza , cat si a celor degradative, intr-un mod asemanator industriei chimice generale. O posibila clasificare a biotehnologiilor ar putea fi gruparea in tehnologii pentru:producerea metabolitilor pentru industria farmaceutica de sinteza fina: antibiotice, steroizi, acizi organici, enzime;prepararea alimentelor in industria produselor lactate si a prelucrarii carnii;prepararea bauturilor: sucuri, bere, vin si derivate;industria tratarii reziduurilor lichide si solide;prepararea drojdiilor furajere din substante organice (hidrocarburi alifatice, metanol etc.);prepararea liniilor de enzime specifice unei anumite transformari);extragerea si solubilizarea unor sulfuri metalice (arsenopirita, galena, calcopirita etc.), a minereurilor de uraniu.

Structura posibila a unei tehnologii biochimice este prezentata in Figura 1.1. Procesele care se desfasoara in cadrul tehnologiilor enumerate anterior pot fi clasificate in:

procese de fermentatie: cresterea microorganismelor (celulelor) este promovata si mentinuta pentru a permite formarea: metabolitilor, biomasei, substraturi transformate, solventi purificati (apa, de ex.).

- procese enzimatice: transformarea substratului este promovata fara sistemul complet de viata a celulei microorganismului; in aceste procese enzima este, de cele mai multe ori, imobilizata pe un anumit suport.

Figura 1.1. Exploatarea industriala a microorganismelor

REACTORUL BIOCHIMIC

Daca se analizeaza orice proces tehnologic biochimic, se poate detalia o structura asemanatoare unui proces tehnologic chimic (Figura 1.2.).Aparatul in care se desfasoara transformarea biochimica in prezenta celulelor vii (microorganisme) sau a enzimelor in vitro, se numeste reactor biochimic si poate fi caracterizat drept inima procesului biochimic. In privinta denumirii, dezvoltarea istorica a subiectului, a impus si alti termeni: bioreactor sau reactor biologic, fermentator, compostor, turn, coloana, insa denumirea de reactor biochimic este cea mai larg acceptata, reflectand faptul ca proiectarea si operarea acestora se bazeaza pe principii stabilite anterior pentru reactoarele chimice.Dupa natura proceselor biotehnologice se utilizeaza urmatoarea clasificare a reactoarelor:

Dupa natura proceselor biotehnologice se utilizeaza urmatoarea clasificare a reactoarelor:

reactoare biologice in care se desfasoara procese de fermentatie ( cu biomasa, cu film biologic);

reactoare in care se desfasoara procesele enzimatice.

Se introduc si alte diviziuni, dupa unele cerinte ale proceselor biologice:

- reactoare aerobe: este necesara prezenta oxigenului;- reactoare anaerobe: procsul se desfasoara in lipsa oxigenului;- reactore cu enzime imobilizate: enzimele sunt fixate pe un anumit suport;- reactoare cu faza solida (compostoare): este necesara prezenta unei cantitati importante de solid.

Figura 1.2. Structura procesului tehnologic biochimic

TIPURI CONSTRUCTIVE ALE REACTOARELOR BIOCHIMICE Formele constructive si modurile de operare ale reactoarelor biochimice pot fi foarte diferite, functie de cerintele si specificatiile proceselor tehnologice. Pentru exemplificare sunt discutate tipurile principale ale reactoarelor aerobe si a celor cu enzime imobilizate.Bioreactoare aerobe Dupa modul de introducere a energiei necesare amestecarii fazei lichide (substrat + microorganisme) si dispersarii fazei gazoase (aer), reactoarele aerobe se pot diviza in trei categorii, in care aportul de energie se realizeaza:prin amestecatorul intern (Figurile 1.3. a f)prin pompa de recirculare a fazei lichide (Figurile 1.4. a- f)prin gazul (aerul) comprimat (Figurile 1.5. a-f) In Figurile 1.3-1.5 sunt prezentate schitele de principiu si cateva caracteristici ale formelor constructive onorate.

In Figurile 1.3-1.5 sunt prezentate schitele de principiu si cateva caracteristici ale formelor constructive onorate.

Figura. 1.3. Reactoare cu agitator interna

Figura 1.4. Reactoare cu pompa de recirculare a fazei lichide

Reactoare cu pompa de recirculare a fazei lichide

Figura 1.5. Reactoare in care aportul de energie se realizeaza cu aer comprimat

Bioreactoare cu enzime imobilizate Dezvoltate in special dupa 1965, aceste bioreactoare prezinta anumite avntaje:

Utilizarea multipla si repetitiva a unei sarje de enzime;Posibilitatea opririi rapide a rectiei prin indepartarea enzimei din mediu de rectie;Stabilizarea, uneori, prin imobilizare a enzimei;Substratul nu este contaminat de enzime.Exista si dezavantaje, printre acestea ar putea fi evidentiate:- stabilitatea relativ redusa a enzimelor in vitro la temperatura de reactie;- imposibilitatea sintetizarii continue a enzimei in timpul procesului;- dezactivarea enzimei prin blocarea, datorita imobilizarii, a unor centrii activi.

Sunt utilizate mai multe metode de imobilizare, de exemplu:

- imobilizarea prin adsorbtie (Figura 1.6 a).

Dintre metodele fizice, imobilizarea prin adsorbtie este cea mai utilizata si reprezinta cel mai economic procedeu de imobilizare a enzimelor. Aceasta este totodata si cea mai simpla metoda de imobilizare. Enzimele sunt fixate pe suprafata suportului prin interactiuni de tipul: van der Waals (interactii electrostatice intre atomi si molecule); legaturi de hidrogen (care se formeaza in cazul gruparilor -OH, -COOH, -NH2-); transfer de sarcina (reactiile intre compusi electrofili si nucleofili); schimb ionic. Suporturile pot fi minerale sau organice, cele mai utilizate sunt: oxizii metalici, schimbatorii de ioni, carbonul activ, celuloza, silicagelul, sticla, argila, colagenul, rasinile polimerice; aceste suporturi pot adsorbi pana la 15g enzima pe 100g support. Suporturile pot actiona ca activatori ai enzimei. Cantitatea de enzima legata de suport depinde de o serie de factori: concentratia proteica a influientului solutiei enzimatice; temperatura reactiei; timpul de contact; pH-ul.

Tehnica de imobilizare prin adsorbtie este reversibila dar fixarea nu este specifica iar riscurile de desorbtie sunt importante.

Figura 1.6. Metode de imobilizare a enzimelor

b). - imobilizarea prin legaturi covalente (Figura 1.6 b) metoda chimica de imobilizare.

In acest caz se pot utiliza suporturi (anorganice sau organice, naturale, semisintetice sau sintetice) care prezinta grupari functionale adecvate formarii de legaturi covalente. In acest caz, suportul este ales in functie de natura gruparilor functionale ale enzimei. Cel mai mare avantaj al acestei metode este faptul ca este eliminata posibilitatea elutiei partiale a enzimei fixate pe suport.

c). - imobilizarea prin incluziune (Figura 1.6 c) si microincapsulare (Figura 1.6 d).

In cazul metodei de imobilizare prin incluziune enzimele pot fi incluse in porii unor geluri sau fibre. Incluziunea poate fi de natura pur fizica sau poate implica legaturi covalente. Imobilizarea prin incluziunea intr-un gel consta in retinerea enzimei in ochiurile retelei unei matrice polimerice: gel de poliacrilamida, de amidon, alginat sau gelatina. Procedeul este foarte simplu de realizat dar riscurile de pierdere in enzima nu sunt neglijabile (in cazul in care ochiurile retelei sunt foarte largi. Cinetica enzimei este complicata de fenomenele de difuzie a substratului daca reticularea este foarte stransa. Se pot utiliza diferite tipuri de fibre si membrane de colagen. Cele mai utilizate geluri sunt cele de poliacrilamida; calitatea acestora poate fi imbunatatita utilizand metoda radiopolimerizarii; gelurile astfel obtinute au o structura poroasa, au o mare suprafata activa iar elasticitatea si termostabilitatea este mult mai ridicata daca polimerizarea are loc in prezenta de amidon 5%.

Microincapsularea este o metoda fizica de imobilizare care se realizeaza prin incluziunea enzimei intr-o microcapsula formata dintr-o membrana semipermeabila, respectiv impermeabila pentru enzima din interior si compusii macromoleculari externi, dar permite difuzia libera a compusilor cu masa moleculara mica (cum ar fi unele substraturi si produsi de reactie). Suporturile utilizate pentru imobilizare sunt polimeri naturali si/sau sintetici (lipozomi, microcapsule de nylon).Metoda de imobilizare prin incluziune poate fi utilizata penru enzime ce provin din celule vegetale, animale si chiar microbiene (caz in care se utilizeaza alginatul de calciu).

Prin microcapsulare, volume foarte mici (diametrul particulelor cuprins intre 4 m si 1 mm) de solutie continand enzima sunt inconjurate de membrane semipermeabile de nylon, colodiu. Imobilizarea se realizeaza in urma unui proces de polimerizare in emulsie. Capsulele astfel obtinute pot fi utilizate in reactoare cu amestecare mecanica, rezistand bine fortelor de forfecare prezente, pot fi retinute prin sitare sau sedimentare si sunt protejate de eventuala contaminare din mediu de rectie

Metoda de imobilizare a enzimei determina si forma constructiva a bioreactorului enzimatic. Cele mai des intalnite tipuri sunt prezentate in Figura 1.7 (a-f).

Reactor discontinuu, continuu si in strat fluidizat

d) cu imobilizare pe suport e) straturi alternative de membrana colagen, enzima si tesatura textila f) agitator cu enzime imobilizate Figura 1.7. Tipuri de reactoare cu enzime imobilizate