Կենսառեակտոր

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
Jump to navigation Jump to search
Շարունակական կենսառեակտորի հիմնական կառուցվածքը

Կենսառեակտոր, ցանկացած սարք կամ համակարգ, որը պարունակում է կենսաբանական ակտիվ միջավայր[1]։ Մի դեպքում կենսառեակտորն անոթ է, որտեղ ընթանում է քիմիական գործընթաց, որում ներառված են օրգանիզմներ կամ այդպիսի օրգանիզմներից ստացված կենսաքիմիական ակտիվ միացություններ։ Այս գործընթացը կարող է լինել աերոբ կամ անաերոբ։ Այս կենսառեակտորները սովորաբար գլանաձև են, չափերը տատանվում է լիտրից մինչև խորանարդ մետր և հաճախ պատրաստված է չժանգոտվող պողպատից։

Այն կարող է վերաբերվել նաև մի սարքի կամ համակարգի, որը նախատեսված է բջիջների աճեցման համար կամ հյուսվածքների պարագայում բջջային կուլտուրայի աճեցման համար[2]։ Այս սարքերը մշակվում են հյուսվածքային ճարտարագիտությնում կամ կենսաքիմիական/ կենսատեխնոլոգիական ճարտարագիտությունում օգտագործվելու համար։

Կենսառեակտորի աշխատանքի մեխանիզմից ելնելով դասակարգում են՝ չկառավարվող, կառավարվող և շարունակական (օրինակ՝ քեմոստատ)։

Կենսառեակտորներում աճող օրգանիզմները կարող են ընկղմված լինել հեղում միջավայրում կամ կարող են ամրանալ պինդ միջավայրի մակերեսին։ Ընկղմված կուլտուրան կարող է հանդես գալ կախույթի ձևով կամ լինել անշարժացած։ Կախույթային կենսառեակտորներում կարող են օգտագործել օրգանիզմների ավելի շատ տեսակ, քանի որ ամրացման համար հատուկ մակերեսներ անհրաժեշտ չեն և կարող են գործել ավելի մեծ մասշտաբով, քան անշարժացած կուլտուրաները։ Այնուամենայնիվ շարունակական ընթացող գործընթացում օրգանիզմները հեռացվում են ռեակտորից արտահոսող լուծույթի հոտ միասին։ Անշարժացումը (իմմոբիլիզացիա) ընդհանուր հասկացություն է, որը նկարագրում է բջիջների կամ մասնիկների ամրացման կամ ծուղակավորման մեթոդների լայն շրջանակ[3]։ Այն կարող է կիրառվել հիմնականում բոլոր տեսակի կենսակատալիզներում, այդ թվում նաև ֆերմենտների, բջջային օրգանոիդների, կենդանական և բուսական բջիջների[4]։ Անշարժացումը (իմմոբիլիզացիա) օգտակար է շարունակական կամ կառավարվող գործընթացներում, քանի որ օրգանիզմները արտահոսող լուծույթի հետ չեն կարողանա դուրս գալ ռեակտորից, բայց կա նաև սահմանափակումներ, քանի որ բակտերիաները գտնվում են միայն անոթի մակերևույթին։

Խոշոր մասշտաբներով անշարժացված բջիջների կենսառեակտորներ են․

  • շարժվող հեղուկ, հայտնի է որպես կենսաթաղանթային ռեակտոր շարժվող շերտով (անգլ.՝ moving bed biofilm reactor (MBBR))
  • փաթեթավորված շերտ (անգլ.՝ packed bed)
  • ֆիբրոզային շերտ (անգլ.՝ fibrous bed)
  • թաղանթ

Կառուցվածք[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Փակ կենսառեակտոր, որն օգտագործվում է ցելյուլոզային էթանոլի արտադրության մեջ

Կենսառեակտորի կառուցվածքը հանդիսանում է համեմատաբար բարդ ճարտարագիտական խնդիր, որն ուսումնասիրվում է կենսաքիմիական / կենսագործընթացի ճարտարագիտությունների կողմից։ Օպտիմալ պայմաններում միկրոօրգանիզմները կամ բջիջները կարող են իրականացնել ցանկալի ֆունկցիան սահմանափակ քանակությամբ վերջանյութերի առաջացմամբ։ Կենսառեակտորի ներսում միջավայրի պայմանները, ինչպիսիք են ջերմաստիճանը, սննդանյութերի կոնցենտրացիան, pH և լուծված գազը ( հատկապես թթվածինը աերոբ շնչառության համար) ազդում են օրգանիզմների աճի և արտադրողականության վրա։ Խմորման միջավայրի ջերմաստիճանը պահպանվում է հովացման համակարգի, կծիկների կամ երկուսի օգնությամբ։ Մասնավորապես էկզոթերմիկ խմորման ժամանակ կարող է պահանջվել արտաքին ջերմափոխանակիչների օգտագործում։ Սննդանյութերը կարող են շարունակաբար ավելացվել կառավարվող համակարգ կամ կարող են ներմուծվել կենսառեակտոր խմորման սկզբում։ Միջավայրի pH-ը չափվում և կարգավորվում է թթվի կամ հիմքի քիչ քանակությամբ՝ կախված խմորումից։ Աերոբ (որոշ անաերոբ) խմորման ժամանակ անհրաժեշտ է ավելացնել ռեակտիվ գազ (հատկապես թթվածին)։ Քանի որ թթվածինը համեմատաբար անլուծելի է ջրում (որը հիմքն է գրեթե բոլոր խմորման գործընթացների), օդ (կամ մաքրազերծված թթվածին) պետք է ավելացնել անդադար։ Բարձրացող պղպջակները օգնում են խառնել խմորման միջավայրը, ինչպես նաև հեռացնում են թափոնային գազերը, օրինակ՝ ածխաթթու գազը։ Գործնականում կենսառեակտորները գտնվում են ճնշման տակ, ինչը մեծացնում է թթվածվի լուծելիությունը ջրում։ Աերոբ գործընթացում թթվածնի օպտիմալ փոխանցումը իրականցվում է արագության սահմանափակման միջոցով։ Թթվածինը վատ է լուծվում ջրում և ավելի քիչ խմորման տաք արգանակներում, և օդում համեմատաբար քիչ է (20,95%)։ Թթվածնի փոխանցմանը սովորաբար օգնում է խառնումը, որն ինչպես նաև անհրաժեշտ է սննդանյութերի խառնման և խմորման համասեռության պահպանման համար։ Գազ ցրող խառնիչներն օգտագործվում են օդային պղպջաները կոտրելու և այդ թթվածինը ամբողջ անոթով տարածելու համար։

Աղտոտվածությունը կարող է վնասել կենսառեակտորը, հատկապես ջերմափոխանակիչների արդյունավետությունը։ Դրանից խուսափելու համար կենսառեակտորը պետք է լինի հեշտ մաքրվող։ Ներքին մակերևույթները սովորաբար պատրաստում են չժանգոտվող պողպատից՝ հեշտ մաքրման և մանրէազերծման համար։ Սովորաբար կենսառեակտորները մաքրում են նախքան նոր սննդամիջավայրի ներմուծումը, կամ շարունակական ընթացող գործընթացների դեպքում նվազագույն աղտոտվածության հասնելը։ Ջերմափոխանցումը հանդիսանում է կարևոր մասը կենսառեակտորի կառուցվածքում․ փոքր անոթները կարող են հովացվել սառեցնող համակարգերի միջոցով, բայց մեծ անոթների համար կարող են պահանջվել կծիկներ կամ արտաքին ջերմափոխանակիչներ։

Տեսակներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Ֆոտոկենսառեակտորներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Մամուռներով կենսառեակտոր

Ֆոտոկենսառեկատոր (անգլ.՝ photobioreactor (PBR)) - իր մեջ ներառում է լույսի որոշակի տեսակի աղբյուր (դա կարող է լինել արևի բնական լույսը կամ արհեստական լուսավորություն)։ Գործնականում ցանկացած կիսաթափանցիկ անոթ կարելի է անվանել PBR, սակայն տերմինն ավելի հաճախ օգտագործվում է փակ համակարգերը սահմանելու համար՝ ի տարբերություն բաց համակարգի (ջրամբար, լճակ)։ Ֆոտոկենսառեակտորներն օգտագործվում են ոչ մեծ ֆոտոտրոֆ օրգանիզմներ աճեցնելու համար, ինչպիսիք են օրինակ՝ ցիանոբակտերիաները, ջրիմուռները կամ մամուռները[5]։ Այս օրգանիզմները լույսն օգտագործում են ֆոտոսինթեզի ճանապարհով էներգիա ստանալու համար և չեն պահանջում շաքար կամ լիպիդ որպես էներգիայի աղբյուր։ Հետևաբար, այլ օրգանիզմներով՝ բակտերիաներով կամ սնկերով վարակվելու ռիսկն ավելի ցածր է ֆոտոկենսառեակտորներում համեմատած հետերոտրոֆ օրգանիզմների համար նախատեսված կեսառեակտորների հետ։

Կեղտաջրերի մաքրում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Կեղտաջրերի սովորական մաքրման ժամանակ օգտագործվում են կենսառեակտորներ հիմնական մաքրման գործընթացներն իրականացնելու համար։ Որոշ համակարգերում կենսաբանական շերտի (անգլ.՝ biological film) ձևավորման համար որպես սննդանյութ օգտագործվում է քիմիականորեն իներտ միջավայր՝ շատ մեծ մակերեսով։ Ավելցուկային կենսաբանական շերտի առանձնացումն իրականացվում է նստավածքի հավաքման կամ ցենտրիֆուգման միջոցով։ Մեկ այլ համակարգերում աերատորները տալիս են թթվածին դեպի կոյուղի և բիոտա, որպեսզի առաջանա ակտիվացած տիղմ, որում եղած կենսաբանական նյութն ազատ կլուծվի հեղուկ միջավայրում։ Այսպիսի գործընթացներում հեղուկի կենսաքիմիական պահանջը թթվածնի նկատմամբ (անգլ.՝ Biochemical Oxygen Demand (BOD)) նվազում է բավարար քանակությամբ, որպեսզի աղտոտված ջուրը պիտանի լինի կրկնակի օգտագործման համար։ Առաջացած բիոսոլիդը (անգլ.՝ Biosolids) կարող է հավաքվել հետագա մշակման համար կամ չորացվել և օգտագործվել որպես պարարտանյութ։ Կոյուղաջրերի համար նախատեսված չափազանծ պարզ կենսառեակտոր է սեպտիկ տանկը, որում կոյուղաջուրը հավաքվում է մանրէների աճի համար լրացուցից սննդամիջավայրի հետ միասին կամ առանց դրա։ Այս դեպքում բիոսոլիդը ինքն է հանդիսանում մանրէների համար սննդամիջավայր։

Կենսառեակտորներ՝ մասնագիտացված հյուսվածքների համար[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Կենսառեակտորն օգտագործվում է խմորասնկեր պարունակող եգիպտացորենի թափոնից էթանոլային խմորում իրականացնելու համար։

Շատ բջիջներ և հյուսվածքներ, հատկապես կաթնասունների պետք է ունենան որոշակի կառուցվածքային մակերես, որպեսզի աճեն, և հաճախ գրգռված արտաքին միջավայը կործանարար կարող է լինել այս բջիջների և հյուսվածքների համար։ Բարձրակարգ օրգանիզմները լինելով աուքսոտրոֆ նույնպես պահանջում են բարձր մասնագիտացված սննդային միջավայրեր։ Սա խնդիր է առաջացնում, երբ նպատակը լինում է կուլտիվացնել մեծ քանակությամբ բջիջներ բուժական նպատակով, որի համար պահանջվում է այլ մեխանիզմ համեմատած արտադրական կենսառեակտորների։

Շատ հետազոտական խմբեր մշակել են նոր կենսառեակտորներ մասնագիտացված հյուվածքների և բջիջների աճեցման համար կառուցվածքային մակերեսների վրա, փորձելով վերականգնել օրգանանման հյուսվածքային կառուցվածքները փորձանոթային (անգլ.՝ in vitro) պայմաններում։ Դրանց են պատկանում հյուսվածքային կենսառեակտորները, որոնք կարող են աճեցնել սրտի հյուսվաք[6][7], կմախքային մկանի հյուսվածք[8], կապաններ, քաղցկեղային հյուսվածքի մոդելներ և այլն։ Ներկայումս այս մասնագիտացված կենսառեակտորների արտադրությունը հանդիսանում է հետազոտական ակտիվ ճյուղ։

Մոդելավորում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Մաթեմատիկական մոդելները հանդիսանում են կարևոր գործիք տարբեր ոլորտներում կենսառեակտորների կիրառման համար, այդ թվում կեղտաջրերի մաքրման։ Այդ մոդելները օգտակար են տեխնոլոգիական գործընթացների արդյունավետ պլանավորման և սարքի հետագա արտադրողականության համար։ Ինչպես նաև օգտակար են ուսումնական և հետազոտական ոլորտների համար։

Կենսառեակտորները հիմնականում օգտագործվում են 3 ոլորտներում, որոնք կապված են սննդամթերքի, ըմպելիքի և դեղամիջոցների հետ։ Կենսաքիմիական ճարտարագիտությունն ունի ոչ վաղ ծագում։ Կենսաբանական նյութերի մշակումը կենսաբանական գործոններով, ինչպիսիք են բջիջները, ֆերմենտները կամ հակամարմինները, հանդիսանում են կենսաքիմիական ճարտարագիտության հիմնական հիմնասյուները։ Կենսաքիմիական ճարտարագիտության կիրառությունները ընդգրկում են քաղաքակրթության հիմնական ոլորտները՝ գյուղատնտեսություն, սննդային արդյունաբերություն և առողջություն, ռեսուրսների վերականգնում։

Կենսատեխնոլոգիական գործընթացների կառավարման հիմնական թերությունը հանդիսանում է հիմնական ֆիզիկական և կենսաքիմիական պարամետրերի չափման խնդիրը[9]։

Գործառնական փուլերը կենսագործընթացում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Կենսագործընթացը բաղկացած է հիմնականում 3 փուլից - առաջնային մշակում, կենսառեակցիա և վերջնական մշակում - սա իրականացնում է հումքը պատրաստի արտադրանքի վերածելու համար։

Հումքը կարող է ունենալ կենսաբանական կամ ոչ կենսաբանական ծագում։ Սկզբում այն վերափոխվում է վերամշակման ավելի հարմար ձևի։ Սա տեղի է ունենում առաջնային մշակման փուլում, որն իր մեջ ներառում է հեղուկ միջավայր, մասնիկների տարանջատում, օդի մաքրում և մի շարք այլ նախապատրաստական գործընթացներ։

Առաջնային մշակումից հետո ստացված հումքը անցնում է կենսառեակցիայի մեկ կամ մի քանի փուլերով։ Կենսաքիմիական ռեակտորները կամ կենսառեակտորները հանդիսանում են կենսառեակցիայի հիմքը։ Այս փուլը հիմնականում բաղկացած է 3 գործընթացներից, մասնավորապես՝ կենսազանգվածի արտադրություն, նյութափոխանակային սինթեզ և կենսատրանսֆորմացիա։

Վերջապես, կենսառեակտորում արտադրված նյութը անցնում է վերջնական մշակման, ինչի արդյունքում վերածվում է ավելի օգտակար ձևի։ Վերջնական մշակումը հիմնականում բաղկացած է ֆիզիկական տարանջատման գործընթացից, որը ներառում է պինդ զանգվածի տարանջատում,կլանում(անգլ.՝ adsorption), թորում, չորացում և այլն [10]։

Տեխնիկական պարամետրեր[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Տիպիկ կենսառեկատորը բաղկացած է հետևյալ մասեից՝

Խառնիչ (անգլ.՝ Agitator) - օգտագործվում է ռեակտորի պարունակության խառնման համար, որը «բջիջները» պահում է իդիալական համասեռ վիճակում՝ նպաստելով թթվածնի և սննդանյութերի տեղափոխմանը ցանկալի արտադրանքին։

անգլ.՝ Baffle - օգտագործվում է անոթում պտտվող պտտաձողի ձևավորումը կոտրելու համար, որը սովորաբար խիստ անցանկալի է, քանի որ այն փոխում է համակարգի ծանրության կենտրոնը և սպառում է լրացուցիչ ուժ։

անգլ.՝ Sparger - Աերոբ կուլտիվացման գործընթացում ապահովում է բավարար քանակությամբ թթվածին՝ բջիջների աճի համար։

Պատյան (անգլ.՝ Jacket) - ապահովում է օղակաձև տարածք ջրի մշտական ջերմաստիճանի շրջանառության համար, որը պահում է կենսառեակտորի ջերմաստիճանը հաստատուն արժեքով[11]։

Տես նաև[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Ծանոթագրություններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  1. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version:  (2006–) "bioreactor". doi:10.1351/goldbook.B00662
  2. http://www.eolss.net/Sample-Chapters/C17/E6-58-04-15.pdf
  3. López Asunción, Lázaro Nuria, Marqués Ana M. (September 1997)։ «The interphase technique: a simple method of cell immobilization in gel-beads»։ Journal of Microbiological Methods 30 (3): 231–234։ doi:10.1016/S0167-7012(97)00071-7 
  4. Peinado Rafael A., Moreno Juan J., Villalba Jose M., González-Reyes Jose A., Ortega Jose M., Mauricio Juan C. (December 2006)։ «Yeast biocapsules: A new immobilization method and their applications»։ Enzyme and Microbial Technology 40 (1): 79–84։ doi:10.1016/j.enzmictec.2005.10.040 
  5. Decker Eva L., Reski Ralf (օգոստոսի 14, 2007)։ «Current achievements in the production of complex biopharmaceuticals with moss bioreactors»։ Bioprocess and Biosystems Engineering 31 (1): 3–9։ PMID 17701058։ doi:10.1007/s00449-007-0151-y 
  6. Bursac N., Papadaki M., Cohen R. J., Schoen F. J., Eisenberg S. R., Carrier R., Vunjak-Novakovic G., Freed L. E. (օգոստոսի 1, 1999)։ «Cardiac muscle tissue engineering: toward an in vitro model for electrophysiological studies»։ American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology 277 (2): H433–H444։ PMID 10444466։ doi:10.1152/ajpheart.1999.277.2.h433 
  7. Carrier Rebecca L., Papadaki Maria, Rupnick Maria, Schoen Frederick J., Bursac Nenad, Langer Robert, Freed Lisa E., Vunjak-Novakovic Gordana (սեպտեմբերի 5, 1999)։ «Cardiac tissue engineering: Cell seeding, cultivation parameters, and tissue construct characterization»։ Biotechnology and Bioengineering 64 (5): 580–589։ doi:10.1002/(SICI)1097-0290(19990905)64:5<580::AID-BIT8>3.0.CO;2-X 
  8. Heher Philipp, Maleiner Babette, Prüller Johanna, Teuschl Andreas Herbert, Kollmitzer Josef, Monforte Xavier, Wolbank Susanne, Redl Heinz, Rünzler Dominik, Fuchs Christiane (September 2015)։ «A novel bioreactor for the generation of highly aligned 3D skeletal muscle-like constructs through orientation of fibrin via application of static strain»։ Acta Biomaterialia 24: 251–265։ PMID 26141153։ doi:10.1016/j.actbio.2015.06.033 
  9. Carlsson Bengt (մարտի 24, 2009)։ «An introduction to modeling of bioreactors» 
  10. Jana AMIYA K. (2011)։ CHEMICAL PROCESS MODELLING AND COMPUTER SIMULATION։ PHI Learning Pvt. Ltd. Կաղապար:Pn
  11. «Bioreactor- Basics» 

Գրականություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  • Pauline M Doran, Bio-process Engineering Principles, Elsevier, 2nd ed., 2013 978-0-12-220851-5

Արտաքին հղումներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]