เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพคืออุปกรณ์หรือระบบที่ผลิตขึ้นเพื่อรองรับสภาพแวดล้อมที่มีกิจกรรมทางชีวภาพ^{[ 1 ]}ในกรณีหนึ่ง เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพคือภาชนะที่ใช้ในการดำเนินกระบวนการทางเคมี ซึ่งเกี่ยวข้องกับ สิ่งมีชีวิตหรือสารออกฤทธิ์ทางชีวเคมีที่ได้มาจากสิ่งมีชีวิตดังกล่าว กระบวนการนี้อาจเป็นได้ทั้งแบบใช้ออกซิเจนหรือแบบไม่ใช้ออกซิเจน เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ เหล่านี้มักมีรูปทรงกระบอก มีขนาดตั้งแต่หลายลิตรไปจนถึงหลายลูกบาศก์เมตร และมักทำจากสแตนเลส

นอกจากนี้ยังอาจหมายถึงอุปกรณ์หรือระบบที่ออกแบบมาเพื่อเพาะเลี้ยงเซลล์หรือเนื้อเยื่อในบริบทของ การเพาะ เลี้ยงเซลล์^{[ 2 ]}อุปกรณ์เหล่านี้กำลังได้รับการพัฒนาเพื่อใช้ในวิศวกรรมเนื้อเยื่อหรือวิศวกรรมชีวเคมี / กระบวนการ ทางชีวภาพ

โดยพิจารณาจากวิธีการทำงาน เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสามารถจำแนกได้เป็นแบบแบทช์แบบแบทช์ป้อนสารอาหารหรือแบบต่อเนื่อง (เช่นเครื่องปฏิกรณ์แบบถังผสมแบบต่อเนื่อง ) ตัวอย่างของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบต่อเนื่องคือเคโมสแตท

สิ่งมีชีวิตหรือสารออกฤทธิ์ทางชีวเคมีที่เจริญเติบโตในไบโอรีแอคเตอร์อาจจุ่มอยู่ในตัวกลางที่เป็นของเหลวหรืออาจยึดติดกับพื้นผิวของตัวกลางที่เป็นของแข็ง วัฒนธรรมที่จุ่มอยู่อาจแขวนลอยหรือตรึงอยู่กับที่ ไบโอรีแอคเตอร์แบบแขวนลอยอาจรองรับสิ่งมีชีวิตได้หลากหลายกว่า เนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีพื้นผิวยึดเกาะพิเศษ และสามารถดำเนินการได้ในขนาดที่ใหญ่กว่าวัฒนธรรมที่ตรึงอยู่กับที่มาก อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการที่ดำเนินการอย่างต่อเนื่อง สิ่งมีชีวิตจะถูกกำจัดออกจากรีแอคเตอร์พร้อมกับของเหลวที่ไหลออก การตรึงอยู่กับที่ถือเป็นคำทั่วไปที่อธิบายถึงวิธีการยึดเกาะหรือดักจับเซลล์หรืออนุภาคที่หลากหลาย^{[ 3 ]}สามารถนำไปใช้กับตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพทุกประเภทได้ รวมถึงเอนไซม์ ออร์แกเนลล์ของเซลล์ เซลล์และอวัยวะของสัตว์และพืช^{[ 4 ] [ 5 ]}การตรึงอยู่กับที่นั้นมีประโยชน์สำหรับกระบวนการที่ดำเนินการอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากสิ่งมีชีวิตจะไม่ถูกกำจัดออกไปพร้อมกับของเหลวที่ไหลออกจากรีแอคเตอร์ แต่มีข้อจำกัดในด้านขนาด เนื่องจากจุลินทรีย์มีอยู่เฉพาะบนพื้นผิวของภาชนะเท่านั้น

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบตรึงเซลล์ขนาดใหญ่ ได้แก่:

• เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบฟิล์มชีวภาพชนิดเคลื่อนที่ ( Moving Media Biofilm Reactor : MBBR)
• เตียงที่บรรจุแล้ว
• เตียงเส้นใย
• เมมเบรน

การออกแบบไบโอรีแอคเตอร์เป็นงานทางวิศวกรรมที่ค่อนข้างซับซ้อน ซึ่งศึกษาอยู่ในสาขาวิชา วิศวกรรม ชีวเคมี / กระบวนการ ทางชีวภาพภายใต้สภาวะที่เหมาะสม จุลินทรีย์หรือเซลล์จะสามารถทำหน้าที่ที่ต้องการได้โดยมีการผลิตสิ่งเจือปนน้อยที่สุด สภาพแวดล้อมภายในไบโอรีแอคเตอร์ เช่น อุณหภูมิ ความเข้มข้นของสารอาหาร ค่า pH และก๊าซที่ละลายอยู่ (โดยเฉพาะออกซิเจนสำหรับการหมักแบบใช้ออกซิเจน) มีผลต่อการเจริญเติบโตและผลผลิตของจุลินทรีย์ อุณหภูมิของตัวกลางในการหมักจะถูกควบคุมโดยใช้ปลอกระบายความร้อน ขดลวด หรือทั้งสองอย่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการหมักที่คายความร้อนอาจต้องใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก สารอาหารอาจถูกเติมลงในถังหมักอย่างต่อเนื่อง เช่น ในระบบแบบเฟดแบตช์ หรืออาจถูกเติมลงในรีแอคเตอร์ในตอนเริ่มต้นของการหมัก ค่า pH ของตัวกลางจะถูกวัดและปรับด้วยกรดหรือเบสในปริมาณเล็กน้อย ขึ้นอยู่กับการหมัก สำหรับการหมักแบบใช้ออกซิเจน (และแบบไม่ใช้ออกซิเจนบางส่วน) จำเป็นต้องเติมก๊าซตั้งต้น (โดยเฉพาะออกซิเจน) ลงในกระบวนการหมัก เนื่องจากออกซิเจนละลายในน้ำได้น้อย (ซึ่งเป็นพื้นฐานของอาหารเลี้ยงเชื้อเกือบทั้งหมด) จึงต้องเติมอากาศ (หรือออกซิเจนบริสุทธิ์) อย่างต่อเนื่อง การเกิดฟองอากาศจะช่วยผสมอาหารเลี้ยงเชื้อและยังช่วย " กำจัด " ก๊าซเสีย เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ ในทางปฏิบัติ เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพมักถูกอัดความดัน ซึ่งจะเพิ่มความสามารถในการละลายของออกซิเจนในน้ำ ในกระบวนการแบบใช้ออกซิเจน การถ่ายเทออกซิเจนที่เหมาะสมบางครั้งเป็นขั้นตอนที่จำกัดอัตราการเกิดปฏิกิริยา ออกซิเจนละลายในน้ำได้น้อย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในน้ำหมักที่อุ่น และมีปริมาณค่อนข้างน้อยในอากาศ (20.95%) การถ่ายเทออกซิเจนมักได้รับความช่วยเหลือจากการกวน ซึ่งจำเป็นต่อการผสมสารอาหารและรักษาสภาพการหมักให้เป็นเนื้อเดียวกันเครื่องกวนแบบกระจายก๊าซจะใช้ในการทำลายฟองอากาศและหมุนเวียนไปทั่วภาชนะ

คราบสกปรกสามารถส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพจะต้องทำความสะอาดได้ง่าย โดยทั่วไปพื้นผิวภายในจะทำจากสแตนเลสเพื่อให้ทำความสะอาดและฆ่าเชื้อได้ง่าย โดยปกติแล้วเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพจะถูกทำความสะอาดระหว่างแต่ละรอบการผลิต หรือได้รับการออกแบบมาเพื่อลดการเกิดคราบสกปรกให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เมื่อใช้งานอย่างต่อเนื่อง การถ่ายเทความร้อนเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ ภาชนะขนาดเล็กสามารถระบายความร้อนได้ด้วยปลอกระบายความร้อน แต่ภาชนะขนาดใหญ่อาจต้องใช้ขดลวดหรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดเล็กมีบทบาทสำคัญในการพัฒนากระบวนการ เนื่องจากช่วยให้สามารถปรับพารามิเตอร์ได้อย่างละเอียดโดยไม่ต้องลงทุนวัสดุหรือวัสดุสิ้นเปลืองจำนวนมาก^{[ 6 ]}

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้แสง (PBR) คือเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่มีแหล่งกำเนิดแสงบางประเภท (ซึ่งอาจเป็นแสงแดดธรรมชาติหรือแสงประดิษฐ์) ภาชนะ โปร่งแสง ใดๆ ก็สามารถเรียกว่า PBR ได้ แต่โดยทั่วไปแล้วคำนี้มักใช้เพื่อกำหนดระบบปิดมากกว่าถังเก็บหรือบ่อ แบบเปิด เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้แสงใช้ในการเพาะเลี้ยง สิ่งมีชีวิต สังเคราะห์ แสงขนาดเล็ก เช่นไซยาโนแบคทีเรียสาหร่ายหรือมอส [ ^{7 ] สิ่ง} มีชีวิตเหล่านี้ใช้แสงผ่าน การสังเคราะห์ แสง เป็น แหล่ง พลังงานและไม่ต้องการน้ำตาลหรือไขมันเป็นแหล่งพลังงาน ดังนั้น ความเสี่ยงของการปนเปื้อนจากสิ่งมีชีวิตอื่นๆ เช่นแบคทีเรียหรือเชื้อราจึงต่ำกว่าในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้แสง เมื่อเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับ สิ่งมีชีวิต เฮเทอ โรโทรฟ

ระบบบำบัดน้ำเสียแบบดั้งเดิมใช้เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพในการดำเนินการกระบวนการทำให้บริสุทธิ์หลัก ในบางระบบ จะมีการจัดเตรียมตัวกลางที่ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีที่มีพื้นที่ผิวสูงมากเป็นพื้นผิวสำหรับการเจริญเติบโตของฟิล์มชีวภาพ การแยกฟิล์มชีวภาพส่วนเกินจะเกิดขึ้นในถังตกตะกอนหรือไซโคลน ในระบบอื่นๆเครื่องเติมอากาศจะจ่ายออกซิเจนให้กับน้ำเสียและจุลินทรีย์เพื่อสร้างตะกอนเร่งปฏิกิริยาซึ่งส่วนประกอบทางชีวภาพจะผสมอย่างอิสระในของเหลวในรูปของ "กลุ่มก้อน" ในกระบวนการเหล่านี้ความต้องการออกซิเจนทางชีวเคมี (BOD) ของของเหลวจะลดลงเพียงพอที่จะทำให้น้ำที่ปนเปื้อนสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ กากตะกอนชีวภาพสามารถเก็บรวบรวมเพื่อนำไปแปรรูปเพิ่มเติม หรือทำให้แห้งและใช้เป็นปุ๋ยได้ ระบบบำบัดน้ำเสียแบบง่ายที่สุดคือถังบำบัดน้ำเสีย ซึ่งน้ำเสียจะถูกทิ้งไว้ในที่เดิม โดยมีหรือไม่มีตัวกลางเพิ่มเติมเพื่อเป็นที่อยู่อาศัยของแบคทีเรีย ในกรณีนี้ กากตะกอนชีวภาพเองเป็นที่อยู่อาศัยหลักของแบคทีเรีย

เซลล์และเนื้อเยื่อจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม จำเป็นต้องมีพื้นผิวหรือโครงสร้างรองรับอื่นๆ เพื่อการเจริญเติบโต และสภาพแวดล้อมที่มีการกวนมักเป็นอันตรายต่อเซลล์และเนื้อเยื่อเหล่านี้ สิ่งมีชีวิตชั้นสูงซึ่งเป็นออ โทโทร ฟิก (auxotrophic ) ยังต้องการอาหารเลี้ยงเชื้อที่เฉพาะเจาะจงมากอีกด้วย นี่เป็นความท้าทายเมื่อเป้าหมายคือการเพาะเลี้ยงเซลล์ในปริมาณมากเพื่อวัตถุประสงค์ในการผลิตยา และจำเป็นต้องมีการออกแบบที่แตกต่างอย่างมากเมื่อเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพในระดับอุตสาหกรรมที่ใช้ในการเพาะเลี้ยงระบบการแสดงออกของโปรตีน เช่น ยีสต์และแบคทีเรีย

กลุ่มวิจัยหลายกลุ่มได้พัฒนาไบโอรีแอคเตอร์แบบใหม่สำหรับการปลูกเนื้อเยื่อและเซลล์เฉพาะบนโครงสร้างรองรับ โดยพยายามสร้างโครงสร้างเนื้อเยื่อคล้ายอวัยวะขึ้นใหม่ในหลอดทดลองซึ่งรวมถึงไบโอรีแอคเตอร์เนื้อเยื่อที่สามารถปลูกเนื้อเยื่อหัวใจ^{[ 8 ] [ 9 ]}เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อโครงร่าง^{[ 10 ]}เอ็น เนื้อเยื่อมะเร็งจำลอง และอื่นๆ ปัจจุบัน การขยายขนาดการผลิตไบโอรีแอคเตอร์เฉพาะเหล่านี้เพื่อใช้ในอุตสาหกรรมยังคงเป็นเรื่องท้าทายและเป็นหัวข้อการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อเทียม โปรดดูที่ วิศวกรรมเนื้อเยื่อ

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดเล็ก (Mini-bioreactors) คือระบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดจิ๋วที่มีปริมาตรใช้งานโดยทั่วไปต่ำกว่า 0.5 ลิตร ได้รับการออกแบบมาเพื่อลดต้นทุนการดำเนินงาน ในขณะเดียวกันก็ช่วยให้สามารถทำงานแบบขนานและปรับแต่งได้อย่างกว้างขวาง ความก้าวหน้าต่างๆ เช่น เซ็นเซอร์ราคาประหยัด แพลตฟอร์มควบคุมที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ (เช่น Arduino หรือ Raspberry Pi) และระบบอัตโนมัติแบบบูรณาการ ช่วยให้สามารถตรวจสอบพารามิเตอร์ต่างๆ ได้อย่างแม่นยำ รวมถึงความหนาแน่นเชิงแสงและออกซิเจนละลาย ทำให้เป็นทางเลือกที่ใช้งานได้จริงแทนระบบขนาดใหญ่บนโต๊ะทำงาน

ในการวิวัฒนาการห้องปฏิบัติการแบบปรับตัว (ALE) เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดเล็กสนับสนุนการเพาะเลี้ยงในระยะยาวภายใต้แรงกดดันการคัดเลือกที่ควบคุมได้ พวกมันสามารถทำงานในโหมดแบทช์เชโมสแตท เทอร์บิโดสแตทหรือมอร์บิโดสแตทซึ่งแต่ละโหมดช่วยให้สามารถใช้กลยุทธ์ที่แตกต่างกันในการรักษาสภาพการเจริญเติบโตให้คงที่หรือปรับระดับความเครียดแบบไดนามิกได้ การออกแบบที่พร้อมสำหรับการทำงานอัตโนมัติช่วยให้การทำงานมีเสถียรภาพตลอดหลายชั่วอายุคน ทำให้เป็นเครื่องมือที่มีค่าสำหรับการศึกษาการวิวัฒนาการของจุลินทรีย์ วิศวกรรมเมตาบอลิซึม และการพัฒนาความต้านทานต่อยาต้านจุลชีพ ^{[ 11 ]}

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เป็นเครื่องมือสำคัญในงานประยุกต์ใช้เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพต่างๆ รวมถึงการบำบัดน้ำเสีย แบบจำลองเหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการวางแผน กลยุทธ์ การควบคุมกระบวนการ ที่มีประสิทธิภาพ และการคาดการณ์ประสิทธิภาพของโรงงานในอนาคต นอกจากนี้ แบบจำลองเหล่านี้ยังมีประโยชน์ในด้านการศึกษาและการวิจัยอีกด้วย

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพจะใช้ในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับอาหาร เครื่องดื่ม และยา วิศวกรรมชีวเคมีเพิ่งเกิดขึ้นไม่นานมานี้ การแปรรูปวัสดุชีวภาพโดยใช้สารชีวภาพ เช่น เซลล์ เอนไซม์ หรือแอนติบอดี เป็นเสาหลักสำคัญของวิศวกรรมชีวเคมี การประยุกต์ใช้วิศวกรรมชีวเคมีครอบคลุมสาขาสำคัญๆ ของอารยธรรม เช่น เกษตรกรรม อาหารและการดูแลสุขภาพการฟื้นฟูทรัพยากรและสารเคมีชั้นดี

จนถึงปัจจุบัน อุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีชีวภาพยังล้าหลังอุตสาหกรรมอื่นๆ ในการนำกลยุทธ์การควบคุมกระบวนการและการเพิ่มประสิทธิภาพมาใช้ ข้อเสียหลักในการควบคุมกระบวนการทางเทคโนโลยีชีวภาพคือปัญหาในการวัดพารามิเตอร์ทางกายภาพและชีวเคมีที่สำคัญ^{[ 12 ]}

กระบวนการทางชีวภาพประกอบด้วยสามขั้นตอนหลัก ได้แก่ การประมวลผลต้นน้ำ ปฏิกิริยาชีวภาพ และการประมวลผลปลายน้ำ เพื่อแปลงวัตถุดิบให้เป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป^{[ 13 ]}

วัตถุดิบอาจมีต้นกำเนิดทางชีวภาพหรือไม่ใช่ทางชีวภาพก็ได้ โดยจะต้องแปลงให้เป็นรูปแบบที่เหมาะสมสำหรับการแปรรูปก่อน ซึ่งทำในขั้นตอนการแปรรูปต้นน้ำ ซึ่งประกอบด้วยการไฮโดรไลซิสทางเคมี การเตรียมตัวกลางที่เป็นของเหลว การแยกอนุภาค การฟอกอากาศ และการดำเนินการเตรียมการอื่นๆ อีกมากมาย

หลังจากขั้นตอนการแปรรูปต้นน้ำแล้ว วัตถุดิบที่ได้จะถูกส่งต่อไปยังขั้นตอนปฏิกิริยาชีวภาพหนึ่งขั้นตอนหรือมากกว่านั้น เครื่องปฏิกรณ์ชีวเคมีหรือเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพเป็นพื้นฐานของขั้นตอนปฏิกิริยาชีวภาพ ขั้นตอนนี้ประกอบด้วยการดำเนินงานหลักสามอย่าง ได้แก่ การผลิตชีวมวลการสังเคราะห์เมตาบอไลต์ และการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพ

สุดท้าย วัสดุที่ผลิตในไบโอรีแอคเตอร์จะต้องได้รับการแปรรูปเพิ่มเติมในส่วนปลายน้ำเพื่อแปลงให้เป็นรูปแบบที่มีประโยชน์มากขึ้น กระบวนการปลายน้ำส่วนใหญ่ประกอบด้วยการแยกทางกายภาพ ซึ่งรวมถึงการแยกของแข็งออกจากของเหลวการดูดซับการสกัดของเหลว-ของเหลวการกลั่น การอบแห้งเป็นต้น^{[ 14 ]}

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังต่อไปนี้:

เครื่องกวน – ใช้สำหรับผสมสารภายในเครื่องปฏิกรณ์ เพื่อรักษาสภาพความเป็นเนื้อเดียวกันของเซลล์ให้เหมาะสมสำหรับการลำเลียงสารอาหารและออกซิเจนไปยังผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้ดียิ่งขึ้น

แผ่นกั้น – ใช้เพื่อทำลายการเกิดกระแสน้ำวนภายในภาชนะ ซึ่งโดยปกติแล้วเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์อย่างยิ่ง เนื่องจากจะเปลี่ยนจุดศูนย์ถ่วงของระบบและสิ้นเปลืองพลังงานเพิ่มเติม

สปาร์เจอร์ – ในกระบวนการเพาะเลี้ยงแบบใช้ออกซิเจน สปาร์เจอร์มีวัตถุประสงค์เพื่อจ่ายออกซิเจนในปริมาณที่เพียงพอให้กับเซลล์ที่กำลังเจริญเติบโต

แจ็คเก็ต – แจ็คเก็ตนี้มีพื้นที่วงแหวนสำหรับหมุนเวียนน้ำที่มีอุณหภูมิคงที่ ซึ่งช่วยรักษาอุณหภูมิของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพให้คงที่^{[ 15 ]}

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ เครื่อง ปฏิกรณ์ชีวภาพ

• Pauline M Doran, หลักการวิศวกรรมกระบวนการทางชีวภาพ, Elsevier, ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 2, 2013 ISBN 978-0-12-220851-5
• บริษัทเทคโนโลยีชีวภาพ

• เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพด้วยแสง