Bioréacteur à flux
Description
Paramètres techniques
A Bioréacteur à fluxest un réacteur triphasé où le liquide s'écoule vers le bas sous la forme d'un film mince sur un lit emballé, servant de phase dispersée. Le gaz, en revanche, coule de manière simultanée ou à contre-courant à travers l'emballage. Le mode de fonctionnement le plus courant est l'écoulement à la baisse simultanée du liquide et du gaz. Dans ce réacteur, les cellules forment un biofilm sur les porteurs, leur permettant de rester efficacement dans le système.
Ce type de bioréacteur est particulièrement avantageux pour les processus qui nécessitent un contact et un transfert de masse efficaces, tels que la bio-méthanation et la production d'acide acétique. Par exemple, l'acide acétique peut être produit à partir d'hydrogène moléculaire (H2) et de dioxyde de carbone (CO2) par des bactéries acétogènes dans unBioréacteur à flux. Des études ont montré que, avec des conditions de fonctionnement optimales, des taux de production élevés d'acide acétique peuvent être obtenus.
Dans l'ensemble, ils offrent une solution viable pour un large éventail d'applications biotechnologiques en raison de leurs caractéristiques de transfert de masse améliorées et de la capacité de maintenir les cellules dans le système.
Applications
Purification de l'air
Bioréacteurs à fluxUtilisez un processus où un liquide riche en nutriments coule sur un lit de micro-organismes immobilisés. Ces micro-organismes, souvent des bactéries ou des champignons, sont spécifiquement choisis pour leur capacité à biodégrader des COV spécifiques. Au fur et à mesure que l'air contaminé passe à travers le bioréacteur, les COV sont absorbés dans le film liquide à la surface du matériau d'emballage, puis biodégradés par les micro-organismes.
La recherche a démontré que les TBB peuvent éliminer efficacement une variété de COV de l'air, y compris l'alcool éthylique, le diméthyl sulfure et le styrène. Ces polluants se trouvent couramment dans les milieux industriels, tels que les usines chimiques, les ateliers d'impression et les installations de fabrication de peinture.
Alcool éthylique
L'alcool éthylique est un COV commun trouvé dans de nombreux processus industriels et produits de consommation. Il a été démontré que les TBB éliminent efficacement l'alcool éthylique de l'air, avec des efficacités d'élimination dépassant souvent 90%.
Diméthyl sulfure
Le diméthyl sulfure est un autre COV commun qui peut être retiré à l'aide de TBBS. Ce composé a une forte odeur et se trouve souvent dans les processus de traitement du gaz naturel et des eaux usées.
Styrène
Le styrène est un COV toxique couramment utilisé dans la production de plastiques, de résines et de caoutchouc synthétique. Les TBB ont été utilisés avec succès pour éliminer le styrène de l'air, avec des efficacités d'élimination variant en fonction des conditions de fonctionnement et des micro-organismes spécifiques utilisés.
Dans une étude utilisant un bioréacteur à l'échelle semi-industrielle (45 dm³), l'efficacité d'élimination des polluants variait entre 92-99%. Cette efficacité a été maintenue même lorsque la concentration de COV a été augmentée à 220-255 PPM, démontrant la robustesse et l'adaptabilité du bioréacteur.
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Traitement des eaux usées
Couramment utilisé dans les usines de traitement des eaux usées municipales et industrielles, en particulier pour l'élimination des polluants organiques et des nutriments tels que l'azote et le phosphore. Ils peuvent également être utilisés dans les processus de prétraitement pour réduire la charge sur d'autres unités de traitement ou pour répondre aux exigences réglementaires spécifiques.
Micro-organismes immobilisés
Les micro-organismes sont immobilisés à la surface d'un matériau d'emballage, qui peut être fait de diverses substances telles que le plastique, la céramique ou le bois. Ces micro-organismes jouent un rôle crucial dans la rupture et l'élimination des contaminants des eaux usées.
Procédure de randonnée
Les eaux usées sont appliquées sur le haut du matériau d'emballage, où il coule à travers le lit. Au fur et à mesure que l'eau coule, elle entre en contact avec les micro-organismes immobilisés, permettant la dégradation et l'élimination des contaminants.
Aération
Dans certains cas, de l'air est introduit dans le bioréacteur pour fournir de l'oxygène aux micro-organismes, ce qui est nécessaire pour leurs processus métaboliques. Cela peut être fait par aération naturelle (par exemple, en utilisant l'écoulement vers le haut de l'eau à travers le matériau d'emballage pour dessiner de l'air) ou par des moyens mécaniques.
Production de biogaz
Dans les processus de digestion anaérobie, ils peuvent être utilisés pour produire du biogaz à partir de déchets organiques. Le bioréacteur fournit un environnement contrôlé pour les bactéries anaérobies pour prospérer et convertir les déchets en biogaz, qui se compose principalement de méthane et de dioxyde de carbone.
Cette application est particulièrement bénéfique pour réduire les déchets et générer des sources d'énergie renouvelables.
Aperçu du processus
Entrée de déchets organiques
Les déchets biologiques, tels que les déchets alimentaires, les résidus agricoles et le fumier, sont introduits dans le bioréacteur.
Attachement microbien
Les bactéries anaérobies se fixent à la surface du matériau d'emballage à l'intérieur du bioréacteur. Ce matériau d'emballage fournit une grande surface pour la croissance microbienne et la colonisation.
Digestion anaérobie
En l'absence d'oxygène, les bactéries anaérobies décomposent les déchets organiques par une série de réactions biochimiques. Ces réactions produisent du biogaz, qui se compose principalement de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2), ainsi que d'autres sous-produits comme l'eau et la biomasse résiduelle.
Collection de biogaz
Le biogaz produit est collecté et peut être utilisé comme source d'énergie renouvelable pour le chauffage, la production d'électricité ou comme carburant pour le transport.
Rassasie environnementale
Les TBB ont des applications potentielles dans l'assainissement du sol contaminé et des eaux souterraines. En introduisant des micro-organismes et des nutriments appropriés dans le bioréacteur, il est possible de stimuler la biodégradation des contaminants présents dans le sol ou les eaux souterraines.
Ce processus peut aider à restaurer la qualité environnementale des zones affectées.
Introduction de micro-organismes:
Des micro-organismes spécifiques capables de biodégrader les contaminants de préoccupation sont introduits dans le bioréacteur. Ces micro-organismes peuvent provenir d'environnements naturels, conçus pour améliorer les capacités de biodégradation ou des cultures commerciales spécialement conçues pour la biorestauration.
Alimentation en nutriments:
Les nutriments essentiels à la croissance et à l'activité microbiens, tels que l'azote, le phosphore et les oligo-éléments, sont fournis au bioréacteur. Ces nutriments aident à soutenir la croissance et la multiplication des micro-organismes de biodégradage.
Environnement contrôlé:
Le bioréacteur fournit un environnement contrôlé qui optimise les conditions de biodégradation. Cela comprend la régulation de la température, du pH, de la teneur en humidité et des niveaux d'oxygène (selon que la biodégradation aérobie ou anaérobie se produit).
Exposition aux contaminants:
Un sol ou des eaux souterraines contaminé est introduit dans le bioréacteur d'une manière contrôlée. La conception du bioréacteur assure un contact maximal entre les contaminants et les micro-organismes de biodégradage.
Biodégradation:
Dans des conditions optimales, les micro-organismes biodégrateurs des contaminants présents dans le sol ou les eaux souterraines. Ce processus peut impliquer l'oxydation, la réduction, l'hydrolyse ou d'autres réactions biochimiques qui convertissent les contaminants en composés moins nocifs ou inertes.
Surveillance et contrôle:
L'opération de bioréacteur est surveillée en continu pour garantir que la biodégradation se produit comme prévu. Cela peut impliquer d'analyser des échantillons pour les concentrations de contaminants, l'activité microbienne et les niveaux de nutriments. Des ajustements aux conditions du bioréacteur peuvent être effectués au besoin pour optimiser les performances de biodégradation.
Caractéristiques de conception
La conception centrale du TFB dispose d'un système de lit emballé où les cellules microbiennes se fixent et forment un biofilm à la surface du matériau d'emballage. Cette disposition permet un transfert de masse de gaz à liquide amélioré, essentiel pour des processus tels que la bio-méthanation et la production d'acide acétique à partir d'hydrogène et de dioxyde de carbone.
Dans unBioréacteur à flux(TFB), l'approvisionnement en nutriments et en gaz est méticuleusement contrôlé, principalement à travers un système de filet ou d'égouttement. Ce système assure une distribution continue et uniforme des ressources essentielles dans tout le réacteur. Cette méthode de livraison est cruciale car elle aide à maintenir des conditions de croissance optimales pour les micro-organismes logés dans le réacteur. En garantissant un afflux constant et équilibré de nutriments et de gaz, les micro-organismes sont capables de prospérer et d'exécuter efficacement leurs fonctions métaboliques.
De plus, la conception du TFB intègre des dispositions pour les échanges de supports partiels. Cette fonctionnalité permet la régulation des concentrations de métabolites internes dans le réacteur. En remplaçant périodiquement une partie du milieu de culture, le réacteur peut maintenir des conditions optimales pour la croissance et la production microbiennes. Cette réglementation est essentielle pour optimiser les taux de production et assurer la conversion efficace des matières premières en produits finaux souhaités.
Essentiellement, l'approvisionnement contrôlé en nutriments et en gaz, combinés à la capacité de réguler les concentrations de métabolites à travers des échanges de milieu partiels, sont des caractéristiques de conception clés qui contribuent à son efficacité dans la culture microbienne et les applications de bioprocesse.
De plus, les TFB sont évolutifs, permettant la transition des opérations à l'échelle du laboratoire à la production à l'échelle industrielle. Des études ont montré que les TFB peuvent atteindre des concentrations tissulaires élevées et soutenir les taux de croissance adaptés aux applications à grande échelle. La conception du réacteur permet une flexibilité en fonctionnement, ce qui le rend adaptable à divers besoins de bioprocédage, y compris la production de produits finaux biologiques, l'expansion des cellules et l'ingénierie tissulaire.
En résumé, la conception intègre des mécanismes avancés de transfert de masse de gaz-liquide, des configurations évolutives et des paramètres opérationnels adaptables, ce qui en fait un outil polyvalent dans les applications de bioprocédage et de culture microbienne.
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