Biotechnologie en bioreactoren en hun vele toepassingen

Wat is Biotechnologie?

Biotechnologie is een technologie die al duizenden jaren bestaat, maar de afgelopen 20 jaar in de schijnwerpers is komen te staan. Waarom is dat?

Biotechnologische processen worden uitgevoerd in een bioreactor, waar stoffen worden gesynthetiseerd met behulp van bacteriële-, gist- en celculturen. De eindproducten vinden we terug in ons dagelijks leven, bijvoorbeeld yoghurt, kaas en bier. Behalve voor bij de productie van voedsel en drank worden bioreactoren ook toegepast voor geneesmiddelenonderzoek en -productie. Flowregelaars spelen een belangrijke rol in deze bioreactoren. De opkomst van de biotechnologie en de toenemende toepassingen hiervan, zijn voldoende reden om meer te weten te komen over deze fascinerende technologie.

Bekijk onze bioreactorproducten

De bioreactor, kern van het proces

Een bioreactor is, simpel gezegd, een vat waarin biologische processen plaatsvinden. Bioreactoren zijn uitgerust met eenvoudige handbediening of met een meer complexe, volledig geautomatiseerde PLC-besturing. Meestal is het bioreactorproces een batchproces en wordt de tijd tussen de start en de oogst een ‘campaign’ genoemd.

Het merendeel van de bioreactoren moet worden voorzien van gassen en voedingsstoffen voor groeiende bacteriën, gist of cellen en om de gewenste biologische synthese te laten plaatsvinden. Deze toevoegingen worden meestal continu toegevoegd over een periode van enkele dagen tot enkele weken. Flow controllers spelen een zeer belangrijke rol in de procesbeheersing van bioreactoren.

Bioreactor, bioprocessing, fermentor markt

Schematisch overzicht van het bioreactorproces

De campaign van een proces met celculturen kan tot drie of vier weken duren voordat er geoogst wordt, terwijl een campaign met bacterieculturen vaak maar enkele dagen duurt.

Het is een uitdaging om het proces in deze periode op een stabiele manier uit te voeren en daarom is het zeer belangrijk om de gassen en voedingsstoffen nauwkeurig te doseren. De verschillen in volumestroom voor bacteriën of celculturen zijn groot. De dosering gebeurt in steriele omstandigheden om besmetting met ongewenste bacteriën, die zouden kunnen concurreren met de microbiële kweek of celcultuur, te voorkomen.

Kortom, betrouwbaarheid en herhaalbaarheid zijn erg belangrijk in bioreactorprocessen, zeker voor flowregeling.

Gasdosering voor bioreactoren met flow controllers

De gassen die vaak gebruikt worden in combinatie met bioreactoren zijn: Lucht, O₂ (Zuurstof), N₂ (Stikstof) en CO₂ (Kooldioxide). N₂ wordt gebruikt om de zuurstofsensor (pO₂) te kalibreren en om het O₂-gehalte in de bioreactor aan het begin van het proces te verminderen. Hoe groter het aantal bacteriën of cellen, hoe groter de O₂-behoefte. CO₂ wordt gebruikt om de zuurtegraad (pH) in de vloeistof te beïnvloeden. De gasdosering in een bioreactor wordt meestal bijgesteld aan de hand van de gemeten partiële zuurstofdruk pO₂ en de pH in de suspensie.

De opname van zuurstof en andere stoffen door de cellen vindt plaats in de vloeistoffase. De zuurstof moet dus in de vloeistof aanwezig zijn. Om dit te waarborgen wordt getracht de zuurstof - eventueel als aandeel in lucht - in de kleinst mogelijke bellen toe te voegen. Door de vloeistof te roeren wordt de toegevoegde zuurstof beter verdeeld en verspreid.

De grafiek toont de ideale groeicurve van een bacteriecultuur in een bioreactor.

Geschiedenis van de bioreactor

Onderzoek en productie van microbiologisch gegenereerde stoffen in geneesmiddelen is begonnen tijdens de Tweede Wereldoorlog, nadat de voordelen werden ondervonden van het gebruik van penicilline voor de behandeling van gewonde soldaten.
Men ontdekte dat het gebruik van bacteriën in microbiologische processen een voordeel had ten opzichte van de meer conventionele chemische synthese. Bij chemische syntheses ontstaan veel bijproducten, sommige zelfs in veel grotere hoeveelheden dan de gewenste stof zelf.

Bioreactor in use, bioprocessing, fermenter market

Bij biologische syntheses zie je echter een veel hogere opbrengst van de doelsubstantie en biedt deze synthese vaak een eenvoudige scheidingsmethode. Bovendien synthetiseren bacteriën, evenals menselijke of dierlijke cellen, specifieke stoffen die moeilijk of zelfs ontoegankelijk zijn met conventionele chemische processen.

In de afgelopen 20 jaar hebben krachtige processen, voor het isoleren van bacteriestammen en andere methoden in de gentechnologie, ons in staat gesteld om stammen te produceren, te isoleren en te vermenigvuldigen. Deze stammen doen waarvoor ze zijn ontwikkeld: doelstoffen specifiek, selectief en efficiënt synthetiseren. In de meeste gevallen worden deze syntheses uitgevoerd in de zogenaamde bioreactoren.

Bioreactor toepassingen

Bioreactors zijn er in vele verschillende maten en vormen, geschikt voor een grote verscheidenheid aan toepassingen. Van de kleinste reactoren met een capaciteit van enkele milliliter tot grote bioreactoren van wel 100 m³. Als vuistregel kan men aannemen dat de zuurstofdoorstroming 0,1 tot 0,15 maal het werkvolume per minuut bedraagt voor celculturen en tot 2 maal voor bacterieculturen.

Voedingsmiddelen- en drankenindustrie

Bioreactoren worden gebruikt bij de productie van voedingsmiddelen en dranken voor fermentatiedoeleinden, of het nu gaat om het toevoegen van vitamines, kleurstoffen, smaakstoffen, alcohol of antioxidanten.

Neem bijvoorbeeld yoghurt. Dit is een product dat wordt geproduceerd door fermentatie van melk in bioreactoren. Yoghurtculturen zijn melkzuurbacteriën. Of bier… voor bierbrouwprocessen worden gistcellen gebruikt om suikers om te zetten in alcohol.
En hoe zit het met kaas; oorspronkelijk werd kaas gemaakt van melk door toevoeging van natuurlijk bestaand stremsel, een enzym afkomstig van een plant of dier. Tegenwoordig wordt stremsel voor het maken van kaas geproduceerd door gistcellen die in een bioreactor worden gekweekt. Allemaal voorbeelden van bioreactortoepassingen.

Micro-organismen worden al lang gebruikt in de voedselproductie, maar wat zijn de redenen voor de enorme toename in populariteit van biotechnologie sinds de tweede helft van de 20e eeuw?

Food & beverage industry in de bioreactor and fermenter market

Geneesmiddelenontwikkeling en -productie en vermenigvuldiging van stamcellen

Biotechnologie wordt steeds belangrijker bij de ontwikkeling en productie van geneesmiddelen, evenals bij de vermenigvuldiging van stamcellen. Beiden worden gebruikt voor medische toepassing. ‘Time-to-market’, kostenreductie en consistente productkwaliteit zijn erg belangrijk bij het ontwerpen en produceren van farmaceutisch actieve ingrediënten. Daarom is de betrouwbaarheid van bioreactoren en de mogelijkheid om het proces op te schalen van kleine naar grote bioreactoren zeer gewenst

Bio-gebaseerde chemicaliën en kunststoffen

Andere voorbeelden van biotechnologische toepassingen zijn bio-gebaseerde chemicaliën en kunststoffen. Onderzoekers werken aan hernieuwbare kunststoffen, die zijn gemaakt van organische materialen met behulp van enzymen en micro-organismen. Er zijn al aansprekende voorbeelden van bio-gebaseerde kunststoffen zoals speelgoed, auto-onderdelen en alternatieven voor PET-flessen.

Een specifiek voorbeeld van biochemische productie is het gebruik van microalgen en zonlicht om CO₂ om te zetten. Lees ons klantverhaal van een Belgische universiteit over 'Gecontroleerde CO2-toevoer voor algengroei'.

Klantverhaal over algengroei

Duurzame energie

De transitie naar duurzame energie is een andere drijfveer die het gebruik van bioreactoren stimuleert. Biogas en biobrandstof in de vorm van bio-methaan, bio-ethanol en biodiesel winnen aan populariteit in onze energievoorziening in huis, industrie en transport. Het biogas of de biobrandstof ontstaat als gevolg van vergisting van organisch materiaal zoals mest, slib, GFT-afval, huisvuil, gras, maïs en suikerriet. De vergistingstank, die op een temperatuur van 38-40°C wordt gehouden en waarin gepompt en geroerd wordt, is in feite een bioreactor.

Wilt u meer informatie over onze oplossingen voor Bioreactors?

Wilt u meer informatie over onze oplossingen voor Bioreactors of wilt u het laatste nieuws ontvangen over trends in flow control? Schrijf u dan in voor onze maandelijkse nieuwsbrief.

Vraag het onze Bioreactor specialist Inschrijven nieuwsbrief