Trong tự nhiên, có một số phương trình toán học sử dụng để tính toán và đo lường cho các quy trình kỹ thuật hóa và sinh học. Những phương pháp này vô cùng hữu ích giúp khám phá tự nhiên và áp dụng vào công nghệ để phục vụ con người.
Bao gồm truyền nhiệt sinh học, chuyển khối lượng sinh học và lò phản ứng sinh học. Trong bài viết này chúng tôi sẽ đề cập tới lò phản ứng sinh học Bioreactor.
Bioreactor là gì?
Bioreactor còn được dịch ra tiếng việt là lò phản ứng sinh học. Thuật ngữ này xuất hiện trong rất nhiều các bài viết trước Nihophawa.com.vn đã đề cập đến.
Bioreactor là công cụ sản xuất hoặc là 1 hệ thống hỗ trợ môi trường hoạt tính sinh học. Cũng có thể bioreactor là 1 bình chứa quá trình phản ứng sinh học xảy ra. Quá trình này được thực hiện bởi các vi sinh vật hoặc các hoạt chất sinh hóa có nguồn gốc từ các vi sinh đó. Còn được gọi là quá trình hiếu khí hay kỵ khí. Các bioreactor này thường có dạng hình trụ, kích thước tính theo lít hoặc mét khối. Chất liệu làm bằng thép không gỉ.
Hoặc Bioreactor là 1 hệ thống được thiết kế quy mô. Mục đích để phát triển các tế bào hoặc mô. Những thiết bị này được sử dụng trong kỹ thuật nuôi cấy mô hoặc xử lý sinh hóa.
Môi trường phát triển
Các sinh vật phát triển trong bioreactor có thể nằm trong môi trường lỏng hoặc có thể gắn vào bề mặt của môi trường rắn. Phát triển trong môi trường lỏng còn được gọi là nuôi cấy cố định. Các phản ứng sinh học huyền phù này có thể sử dụng được nhiều vi sinh hơn. Các bề mặt môi trường rắn thường hoạt động ở quy mô lớn hơn nhiều, ít sử dụng và không cần thiết.
Trong quá trình hoạt động liên tục, các vi sinh sẽ được loại bỏ ra khỏi bioreactor qua đường nước thải. Cố định là 1 thuật ngữ mô tả chung cho 1 loạt các phương pháp nuôi cấy tế bào hoặc các vi sinh dính bám. Áp dụng cho tất cả các cơ chế sinh học như enzyme, bào tử, tế bào động thực vật. Cố định rất hữu ích trong quá trình hoạt động liên tục. Các vi sinh vật sẽ không bị loại bỏ bằng nước thải của bioreactor nhưng bị giới hạn về quy mô, vì các vi sinh chỉ hiện diện trên bề mặt của bình chứa.
Áp dụng hệ thống bioreactor cố định quy mô lớn:
- Lò phản ứng sinh học di chuyển MBBR
- Phản ứng hóa học Packed Bed
- Phản ứng Fibrous Bed
- Màng Membrane
Phân loại các bioreactor
Photobioreactor PBR
Đây là phản ứng sinh học kết hợp 1 số loại nguồn sáng. Có thể là ánh sáng tự nhiên từ mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Các bình phản ứng thường thiết kế độ trong mờ để ánh sáng có thể xuyên qua. Photobioreactor được sử dụng để phát triển các sinh vật phát quang nhỏ như vi khuẩn lam, tảo hoặc rêu.
Những sinh vật này sử dụng ánh sáng thông qua quá trình quang hợp làm nguồn năng lượng. Không cần đuwòng hoặc lipit. Do đó, khả năng ô nhiễm của các sinh vật như vi khuẩn hoặc nấm sẽ thấp hơn trong photobioreactor so với các phản ứng sinh học của sinh vật dị dưỡng.
Bioreactor trong hệ thống xử lý nước thải y tế
Hệ thống xử lý nước thải y tế sử dụng các biện pháp sinh học để thực hiện các quá trình thanh lọc. Trong 1 số hệ thống, môi trường trơ về mặt hóa học với diện tích bề mặt cao làm chất nền cho màng sinh học phát triển. Tách màng sinh học dư thừa diễn ra trong bể lắng.
Ở các hệ thống khác, thiết bị sục khí cung cấp oxy cho nước thải và biota để tạo bùn hoạt tính. Trong đó thành phần sinh học được trộn tự do trong flocs. Trong các quá trình này, nhu cầu oxy sinh hóa BOD của chất lỏng giảm đủ để làm cho nước có thể tái sử dụng. Các vật chất sinh học thu được có thể tái chế, sấy khô và sử dụng làm phân bón.
Phiên bản đơn giản của lò phản ứng sinh học nước thải là bể tự hoại. Trong đó nước thải được đặt tại chỗ. Chính bùn sinh học là vật chủ cho vi khuẩn tạo ra phản ứng sinh hóa.
Chất thải y tế là loại nước thải đặc thù và cần được xử lý triệt để trước khi thải ra ngoài môi trường. Vì vậy việc sử dụng bioreactor là điều cần thiết.
Bioreactor cho các mô chuyên biệt
Nhiều loại tế bào và mô, đặc biệt là ở động vật có vú cần có bề mặt hoặc cấu trúc hỗ trợ phát triển. Môi trường kích động sẽ phá hủy các loại tế bào và mô này. Sinh vật bậc cao cũng đòi hỏi phải có chuyên môn và môi trường phát triển cao. Việc này đặt ra thách thức khi mục tiêu nuôi cấy số lượng tế bào lớn hơn mục đích sản xuất trị liệu. Cần có 1 thiết kế khác biệt đáng kể so với các lò phản ứng sinh học công nghiệp. Những lò phản ứng mà sử dụng để phát triển hệ thống protein như nấm men hoặc vi khuẩn.
Nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển bioreactor mới để nuôi cấy các mô và tế bào chuyên biệt trên một cấu trúc giàn, nỗ lực tái tạo cấu trúc mô giống như trong ống nghiệm. Nhóm nghiên cứu bao gồm các tiến sỹ sinh học phát triển mô tim, mô cơ xương, dây chằng, mô ung thư và các loại khác.
Hiện nay, việc sản xuất quy mô các bioreactor loại này cho công nghiệp vẫn còn nhiều thách thức và cần nghiên cứu tích cực hơn.
Xem video dưới đây để biết thêm thông tin.
