В практике современной индустриальной биотехнологии существует
три главных типа биореакторов и две формы биокатализаторов.
Биореакторы могут функционировать на основе разовой (однократной),
восполняемой ( неполностью) и непрерывной (продолженной) загрузки. А
в самих реакторах культуры могут быть статическими и
перемешивающимися, находиться в присутствии кислорода (аэробы) или
без него (анаэробы), а также в водной фазе или условиях низкого
увлажнения.
Биокатализаторы (цельные клетки или ферменты) могут быть
свободными или иммобилизованными путем прикрепления к поверхности
биореактора или к специальным устройствам. Обычно реакции,
протекающие в ферменторах, осуществляются при умеренных значениях
рН (около нейтрального) и температуры (от 20 до 60 С). При многих
биотехнологических процессах конечные продукты метаболизма (так
называемые целевые продукты) накапливаются в низких концентрациях в
растворимой фазе (в водной среде) и требуют сепарации, прежде чем
будут направлены на реализацию.
Биореакторные системы для выращивания микрорганизмов могут
быть классифицированы как "замкнутые" и "открытые". Система
рассматривается в качестве замкнутой, когда многие компоненты данной
системы не могут быть из нее удалены или добавлены. Так, например, в
традиционных однократных (т. е. замкнутых) ферментационных системах
все питательные компоненты добавляются в начале ферментации и, как
результат этого, скорость роста, находящегося в таких условиях
организма, в конечном счете будет снижена до нуля вследствие
уменьшения количества питательных веществ или накопления
токсических продуктов отхода метаболизма. Системы, функционирующие
в таких условиях, называются как batch-системы (замкнутые системы).
Большинство современных биотехнологических систем функционируют
как batch-процессы, при которых однажды оптимизированные условия
обеспечивают максимальное накопление целевого (требуемого) продукта,
например, приготовление пива, производство антибиотиков и ферментов
и т. п.
Модификацией
процесса
с
разовой
загрузкой
является
возобновляемая ферментация (feеd batch – от feеd-насыщающий), при
которой количество питательного вещества может быть добавлено в ходе
ферментации с целью восполнения частично израсходованного субстрата
или для активации процесса. Однако в своей принципиальной основе
подобные системы остаются замкнутыми, поскольку у них нет
постоянного оттока содержимого.
В
противоположность
этому,
ферментационная
система,
рассматривается как открытая, если ее компоненты (микроорганизмы и
питательные субстраты) могут постоянно добавляться и удаляться из
биореактора. Такие ферментеры оснащены приспособлениями, постоянно
подающими свежую питательную среду и удаляющими биомассу и другие
продукты. В таких системах скорость конверсии субстрата в биомассу или
в целевой продукт должна быть точно сбалансирована со скоростью
поступления вышеуказанных компонентов, что обеспечивает устойчивое
состояние метаболических процессов в реакторе.
Хотя непрерывные процессы приобрели широкое практическое
применение в лабораторных условиях (масштабах), лишь немногие из них
используются в промышленности. Однако непрерывные процессы
довольно широко практикуются в производстве одноклеточного белка;
например, продукция ICI Prutin на метаноле и производство микопротеина
компанией Rank Hovis McDougall.