ביוריאקטור
ביוריאקטור (מאנגלית: Bioreactor; ביוֹ - ביולוגיה, ריאקציה - תגובה) הוא מתקן או מערכת ייצור, המיועדים לייצר סביבה המקיימת פעילות ביולוגית. מתקן המשמש לגידול תאים, מיקרואורגניזמים, או רקמת תאים בתהליך המבוסס על תרביות תאים ולעיתים שימוש בהנדסה גנטית.. ביוריאקטורים משמשים גם בתעשיות כימיות, ייצור תרופות, טיפולים רפואיים מורכבים, תוך הפעלת תהליכים כימיים וביוכימיים.[1]
פרמנטור (fermentor) הוא ביוריאקטור המיועד לתהליכי תסיסה (fermentation), כמו ייצור יין (תסיסה כהלית), ייצור גבינות, חומצה ציטרית, ובטיהור שפכים על ידי התססת חומר אורגני לייצור מתנול ו גז מתן ועוד.[2] בעוד תהליכי תגובה ביולוגית מורכבים,הדורשים שילוב של מגיבים ותנאים משתנים, נכללים במונח ביוריאקטור[3]
סוגי ביוריאקטורים
[עריכת קוד מקור | עריכה]סיווג לפי תהליכים
[עריכת קוד מקור | עריכה]התססה אנאירובית- (אל-אווירני): פרמנטורים המונעים כניסת חמצן. כדי למנוע חימצון. למשל בתסיסה כהלית, שבה מונעים חימצון של כהל לחומצה, ובגידול מיקראורגניזמים המתקיימים ב-, לשם כך מקיימים תהליכים מיכלים אטומים, או מוסיפים גזים אינרטים כמו חנקן או דו-תחמוצת הפחמן. להתססה כזו מספיק מיכל סגור עם בקרת טמפרטורה ומערבל. הפקת גז מתאן ואתנול מפסולת אורגנית או מצמחים מבוצעת בפרמנטורים אנאירובים או בחלל תת-קרקעי סגור.[4]
התססה באווירה מחמצנת (אירובית): הוספת אוויר או חמצן בלחץ גבוה כדי לבצע תהליכי חימצון. משמשת לזירוז גידול של חיידקים אירוביים, למשל לייצור תרופות, אנזימים או אנטיגנים רקומביננטים המיוצרים בתרביות חיידקים.[5]
ביוריאקטורים לגידול תאים ותרביות רקמה, הפקת אנזימים והורמונים או ייצור תרכובות מורכבות כמו תרופות המחייבות תנאי ייצור מוקפדים, והוספת חומרים ריאקטיבים לפי לוחות זמנים מדויקים, שינויי תנאים כמו טמפרטורה במהלך הייצור. לכל תהליך יש לתכנן ביוריאקטור המותאם בדיוק לתהליכים הנדרשים.
סיווג לפי אופן הפעולה
[עריכת קוד מקור | עריכה]ביורואקטורים מופעלים בשלושה מודלים:
בכל המודלים מתקיימים תהליכי הייסוד: סטריליזציה, הכנת מצע הגידול, הוספת תרביות, ערבוב ושמירה על טמפרטורה אופטימלית.
אצווה (batch): ממלאים את המכל בחומר הגלם, ונותנים לתהליכים הביולוגיים להתבצע עד להשגת התוצאה הרצויה. התהליך מתבצע במשך פרק זמן הנמדד בדקות, שעות, ואפילו חודשים. בסיום התהליך מרוקנים את המכל ומעבירים את תוצרי התהליך לשלב העיבוד הבא, ומכינים את המכל למחזור נוסף. דוגמה לתהליך כזה הוא מכל תסיסה ביקב., תהליך זה מבוצע בפרמנטור, בתנאים אנאירוביים, המונעים חימצון של הכהל לחומצה, או בייצור גבינות או יוגורט באמצעות חיידקים המותאמים לסוג המוצר המבוקש.[6]
זרימה רציפה: הזרמה רציפה של חומר גלם לתוך המכל, ושל תוצרים החוצה. במכוני טיהור שפכים מוסיפים אוויר וערבול, המקיימים תנאים לחמצון החומר האורגני במיכלים פתוחים או סגורים. בייצור שמרים, אוספים את השמרים מתחתית המיכל ומוסיפים מצע גידול במקביל. לעיתים משתמשים בשורה של פרמנטורים (ראה תמונה), שכל אחד מבצע קטע מהייצור, ומאפשרים טיפול בנפח גדול בזרימה.[7]
מנות: אופן פעולה זה הוא שילוב של המודלים הקודמים. ההבדל בינו ובין אצווה הוא שבשלב הריקון רק חלק מהתוצאים יוצאים מהמכל, ולאחר הריקון מוסיפים למכל כמות חומר גלם שמשלימה את החסר, ואין שלב הכנה. גם אופן פעולה זה משמש במכוני טיהור שפכים.[8]
סיווג לפי המטרה
[עריכת קוד מקור | עריכה]ייצור ביומסה : כאשר התוצר המבוקש הוא תרבית של חיידקים או פטריות, מתאימים את תנאי הגידול לקבלת גידול לוגריתמי, ותפוקה גבוהה. למשל בייצור אנטיביוטיקה המבוססת על עובשים כמו לייצור סטרפומיצין. ייצור אנטיגנים של גורמי מחלות, מבוצע על-ידי חיידקים רקומביננטים, (Recombinant antigens-חיידקים משובטים עם גנים לייצור האנטיגן או התרופה הרצויים ולכן קבלת ביומסה גבוהה של החיידקים מאפשר ייצור זול ומהיר של האנטיגנים שמשמשים לייצור חיסונים).[9] או ייצור תרביות לגידול צמחים ואצות.[10]
תסיסה הגורמת לשינויים כימיים בחומר הגלם והפיכתו לתוצר. דוגמה פשוטה היא החמצה של ירקות. התססת תירוש ליין, או ייצור יוגורט מחלב, על-ידי חידקים מסוג לקטובצילוס בולגריקוס. (L. bulgaicus).
ריבוי תאים אנושיים: כמו לימפוציטים, ורקמות להשתלה, נעשה בביוריאקטורים ייחודיים לכל סוג תאים על גבי מצע מוצק כמו כדוריות זכוכית או ממברנות.[11]
מחקר :לעיתים נדרש ביוריאקטור העונה לדרישות מיוחדות למוצרים או תהליכים ייחודיים, כמו לייצור תרופות, תרכובות רגישות שאינן יציבות, סוגי תאים ייחודיים כמו תאים סרטניים. המחקר הופך לייצור תעשייתי אחרי גימלון התהליך (הכפלת הגודל) הכולל בדרך כלל מיכשור יקר וייחודי.
סיווג לפי סוג התאים
[עריכת קוד מקור | עריכה]שלושת הסוגים העיקריים המשמשים בביוריאקטורים הם:
- תרביות תאים צמחיים, אצות וצמחים כמו עצי פרי. מרבית זני עצי הפרי המשובחים מיוצרים בדרך זו, מתרבית של תאים בודדים המופקים מחלק של הצמח. ביוריאקטורים המשתמשים בביומסה צמחית מחייבים תאורה טבעית או מלאכותית, ולכן עליהם להיות בנויים כך שאור באורכי הגל המתאימים להם יאפשר גידול מרבי. לעיתים הגידול משולב. ביוריאקטורים לשלב ראשוני וגידול והתמיינות בשלב השני. בגלל כוחות הגזירה אי אפשר להשתמש במערבלים אלא בהזרמת גז מעורב של אוויר ודו תחמוצת הפחמן.
- מיקרואורגניזמים חיידקים (בקטריות). גידול מתחלים (סטארטרים) לתעשיית החלב, היין, והתרופות. מיקרואורגניזמים שאינם בקטריות כמו שמרים ועובשים.
- תרביות תאים אנושיים. תאים איוקריוטיים מחייבים טיפול עדין ורגישים לכל שינוי כימי או פיזיקלי ולכן הגידול נעשה בדרך כלל בנפח קטן. תאים אנושיים רבים נצמדים במהלך החלוקה למשטח, ולכן הביריאקטור מכיל מצעים כמו כדוריות, קרומים (ממברנות) או מחיצות, הערבוב איטי ומבוסס על הזרמת החמצן על פני המשטחים.[12][13]
סיווג לפי מצב התאים
[עריכת קוד מקור | עריכה]תרחיף - התאים מרחפים בנפח תמיסת הגידול המתאימה למיקרואורגניזם.
קיבוע - התאים צמודים למשטח, ומקובעים למקומם. ביוריאקטורים כאלו יכילו בדרך כלל אמצעים להגדלת שטח הפנים אליו יכולים התאים להיצמד, למשל על ידי הוספה של כדורי זכוכית, סיבים או ממברנות.[14]
סיווג לפי הסביבה הכימית
[עריכת קוד מקור | עריכה]הסביבה הכימית והפיזית בתוך ביוריאקטור קריטית. בין השאר יש לשמור על טמפרטורה אופטימלית, רמת Ph, ריכוז של מזון ומינרלים וסילוק רעלים ותוצרים מצטברים שאינם רצויים. הספקת תנאים אווירניים או אל אווירניים,,רמת מליחות, שמירה על לחץ אוסמוטי. ולפעמים גידול בנוזלים שאינם מים (למשל סרום אנושי). בביוריאקטור התנאים הכימיים והפיזיים משתנים במהלך מחזור הגידול, בביוריאקטור הפועל בשיטת הזרימה הרצופה יש לשמור על תנאים קבועים ויציבים. לכן יש לנטר את מצב מצע הגידול ולהוסיף במהלך הגידול את המרכיבים הנצרכים.
התאמת מבנה לתפקיד
[עריכת קוד מקור | עריכה]ייצור תעשייתי בפרמנטורים
[עריכת קוד מקור | עריכה]תהליכי ייצור תעשיייתיים המבוצעים בפרמנטורים מחייבים תכנון מדויק המתאים לסוג המיקרוארגניזם ולתוצר המבוקש. בייצור תוצרי חלב, כמו גבינות, יוגורט ותוצרים אחרים משתמשים בפרמנטורים בנפח של עשרות אלפי ליטר. התהליך מתחיל בהכנת תרבית נקייה של החיידק (למשל L.bulgaricus) מזן שבודד תחילה בנפח קטן, מועבר לפרמנטור ראשוני (בנפח של כ-500 ליטר) ומשם לפרמנטור ראשי המכיל חלב. התהליך נעשה בצורה סטרילית (המבוצע בדרך כלל בהזרמת קיטור בטמפרטורה של 120 מעלות דרך כל המערכת.) מכיוון שנוכחות חיידק אחר או בקטריופאג יכולים להרוס את התהליך כולו ולאבדן של כל החומר שבפרמנטור. גם חומרים אנטיביוטיים (כמו פניצילין וסטרפטומיצין הניתנים כטיפול לפרות) שמגיעים עם החלב מסכנים את התהליך כולו. בדרך כלל בהתססה משתמשים במערבל, שתכנונו מותאם לסוג ההתססה והאורגניזמים. ערבוב גורם לכוחות גזירה (Shear Stress) שעשויים להרוס את המרקם. תהליכי תסיסה משחררים חום, ולכן שמירה על טמפרטורה אופטימלית מחייבת מערכות חישה חימום וקירור בנפחים גדולים. בייצור יין משתמשים בתרביות ייחודיות של שמרים וחיידקים בתסיסה כהלית יצירת טעם ייחודי. גם תסיסה בחביות נחשבת לפרמנטציה.ניטור התנאים לאורך זמן מחייב מערכות גששים המודדים תנאים כמו טמפרטורה, Ph, ריכוז אתנון ומתנול (בתסיסה כהלית), צמיגות, ריכוז החיידקים המתסיסים, והגזים שבחלל.[15]
ייצור בביוריאקטורים
[עריכת קוד מקור | עריכה]על אף הדמיון לפרמנטורים ביוריאקטורים מתאפיינים בתהליכים בהם משתתפים מספר מגיבים, ושינויי תנאים במהלך הייצור, שמאפשרים לא רק גידול אלא גם תגובות בין מרכיבי הייצור. בתרביות רקמה צמחית, יש לשלב במצע תוספים בהתאם להתפתחות הרקמה, להחדיר אור באורכי גל מתאימים לשלבי הגידול, ובערבוב עדין, בדרך כלל על-ידי בועות תוך הוספת דו-תחמוצת הפחמן וחמצן. ייצור חומרים אנטיביוטיים או אנטיגנים רקומביננטים (אנטיגנים המיוצרים על ידי חיידקים ששעברו רקומבינציה גנטית), מתרביות מונוקלונליות ייחודיות של חיידקים או פטריות (עובשים, שמרים), בהתאמה מוחלטת של הביוריאקטור לתנאים הספציפיים, בעיקר כאשר מייצרים תרופות או חיסונים. תרביות מונוקלונליות של תאים איוקריוטיים למשל לייצור נוגדנים, והביוריאקטור מתוכנן כך שמתרבית שמקורה תא אחד שנבחר לייצור נוגדן ספציפי (Clone), ניתן לייצר כמות מסחרית של הנוגדן. מערכת המורכבת מסדרה של העברת המקור לגידול בנפח זעיר, לנפח קטן ולריאקטורים. במערכות המשמשות במקביל למחקר ולייצור.[16]
ביוריאקטורים בתהליך רפואי
[עריכת קוד מקור | עריכה]הנדסת רקמות ורפואה משחזרת (Tissue Engineering)
[עריכת קוד מקור | עריכה]בהנדסת רקמות, ביוריאקטורים אינם משמשים רק כמיכל לגידול תאים, אלא כמערכת המדמה את התנאים הפיזיולוגיים שבתוך גוף האדם, כדי לאפשר לתאים להתארגן במבנה תלת-ממדי (3D) של רקמה או איבר. לכן לכל סוג רקמה או טיפול נזקקים למערכות גידול שהן ביוריאקטורים ייחודיים, או לחיבור מערכות נפרדות לשלבי הגידול מהתאים הבודדים עד לתבנית (סקפולד) של צורת הרקמה הנדרשת, תוך הקפדה מקסימלית על תנאי גידול וסטריליזציה. מקור התאים הוא בדרך כלל מרקמות של המושתל, כדי למנוע דחייה, אך לעיתים נדרש מקור מתורם, שהגנום שלו מתאים.[11]
מתן גירויים פיזיקליים, כימיים והורמונלים
[עריכת קוד מקור | עריכה]כדי שתאים יתמיינו וייצרו רקמה מתפקדת (כמו סחוס, עצם, עור,לב או כלי דם), הם זקוקים לגירויים מכניים כימיים והורמונליים הדומים לאלו שהם חווים בגוף. לעיתים מוסיפים פקטורים ייחודיים שנדרשים לייצור הרקמה, גידול רקמה אנושית נמשך ימים ואף שבועות ומחייב התמחות מכוונת לתהליך זה.[17]
ייצור רקמת סחוס או עצם: הביוריאקטור מפעיל עומס מכני, דחיסה או זרמי נוזלים המעודדים את התאים להפריש מטריצה חוץ-תאית (Extracellular Matrix) המאפשרת התמיינות התאים לרקמה.
דוגמה ליישום קליני: גידול שתלי סחוס או עצם במעבדה על גבי פיגום מתכלה, לקבלת רקמה המתאימה למפרקים פגועים או לשחזור עצמות פנים לאחר טראומה.
ייצור כלי דם ושריר הלב: הביוריאקטור מספק פולסים של הזרמת נוזלים המדמים זרימת דם ודופק, ומותח את הרקמה באופן מחזורי.[17]
ב. הספקת חומרי מזון וחמצן (Perfusion)
[עריכת קוד מקור | עריכה]ברקמות עבות (העולות על כמאתיים מיקרונים), דיפוזיה פסיבית של חמצן אינה מספקת, והתאים במרכז הרקמה עלולים למות (נמק). ביוריאקטורי הזלפה (Perfusion Bioreactors) מזרימים מצע מזון וחמצן באופן פעיל דרך פיגום תלת-ממדי (Scaffold), ובכך שומרים על חיוניות הנגע לאורך זמן.[18]
. תרפיות תאיות וגנטיות (Cell & Gene Therapy)
[עריכת קוד מקור | עריכה]בטיפולים מתקדמים כגון CAR-T (הנדסת תאי דם לבנים של המטופל למלחמה בסרטן), משתמשים בביוריאקטורים סגורים וקומפקטיים. הביוריאקטור מאפשר להרבות את תרבית מונוקלונלית של תאי Tk המשופרים של המטופל לכמויות גדולות בתנאים סטריליים לפני החזרתם לגוף. התהליך כולל זיהוי תאי Tc בודדים התוקפים את הגידול, יצירת שבט (קלון) מונוקלונלי, ריבוי התאים בתמיסה הזהה לסרום של החולה, והוספתם בהדרגה לדם. תהליך זה הוא מרכיב מרכזי בריפוי ביולוגי (Bioteraphy).המעבר משימוש בתרופות שלהן תגובות לוואי לטיפול ביולוגי המבוסס על שימוש במערכת החיסון של החולה, מבוסס בעיקר על תהליך זה.[14]
קישורים חיצוניים
[עריכת קוד מקור | עריכה]
הערות שוליים
[עריכת קוד מקור | עריכה]- ↑ Fernanda Palladino, Paulo Ricardo Franco Marcelino, Andersen Escobar Schlogl, Álvaro Henrique Mello José, Rita de Cássia Lacerda Brambilla Rodrigues, Daniela Leite Fabrino, Igor José Boggione Santos, Carlos Augusto Rosa, Bioreactors: Applications and Innovations for a Sustainable and Healthy Future—A Critical Review, Applied Sciences 14, 2024-10-14, עמ' 9346 doi: 10.3390/app14209346
- ↑ T. K. Ghose, R. D. Tyagi, Rapid ethanol fermentation of cellulose hydrolysate. II. Product and substrate inhibition and optimization of fermentor design, Biotechnology and Bioengineering 21, 1979, עמ' 1401–1420 doi: 10.1002/bit.260210808
- ↑ Renu Agrawal, Fermentor, Singapore: Springer Nature, 2024, עמ' 97–150, ISBN 978-981-97-9582-6. (באנגלית)
- ↑ Samir Kumar Khanal, Microbiology and Biochemistry of Anaerobic Biotechnology, John Wiley & Sons, Ltd, 2008, עמ' 29–41, ISBN 978-0-8138-0454-5. (באנגלית)
- ↑ Anup Ashok, Kruthi Doriya, Devulapally Ram Mohan Rao, Devarai Santhosh Kumar, Design of solid state bioreactor for industrial applications: An overview to conventional bioreactors, Biocatalysis and Agricultural Biotechnology 9, 2017-01-01, עמ' 11–18 doi: 10.1016/j.bcab.2016.10.014
- ↑ Shailesh S. Sawant, Hye-Young Park, Eun-Young Sim, Hong-Sik Kim, Hye-Sun Choi, Microbial Fermentation in Food: Impact on Functional Properties and Nutritional Enhancement—A Review of Recent Developments, Fermentation 11, 2025-01-02, עמ' 15 doi: 10.3390/fermentation11010015
- ↑ Hanno Richter, Michael Martin, Largus Angenent, A Two-Stage Continuous Fermentation System for Conversion of Syngas into Ethanol, Energies 6, 2013-08-07, עמ' 3987–4000 doi: 10.3390/en6083987
- ↑ E. R Viéitez, S Ghosh, Biogasification of solid wastes by two-phase anaerobic fermentation, Biomass and Bioenergy 16, 1999-05-01, עמ' 299–309 doi: 10.1016/S0961-9534(99)00002-1
- ↑ Marianne Hansson, Per‐A˚ke Nygren, Stefan Sta˚hl, Design and production of recombinant subunit vaccines, Biotechnology and Applied Biochemistry 32, 2000-10, עמ' 95–107 doi: 10.1042/BA20000034
- ↑ J L Fox, M Klass, Antigens produced by recombinant DNA technology., Clinical Chemistry 35, 1989-09-01, עמ' 1838–1842 doi: 10.1093/clinchem/35.9.1838
- 1 2 Robert Lanza, Robert Langer, Joseph P. Vacanti, Anthony Atala, Principles of Tissue Engineering, Academic Press, 2020-03-26, עמ' 1-19, ISBN 978-0-12-821401-5. (באנגלית)
- ↑ Nicholas E. Timmins, Stavrosia Athanasas, Marko Günther, Penelope Buntine, Lars K. Nielsen, Ultra-High-Yield Manufacture of Red Blood Cells from Hematopoietic Stem Cells, Tissue Engineering Part C: Methods 17, 2011-11-01, עמ' 1131–1137 doi: 10.1089/ten.tec.2011.0207
- ↑ Thomas R.J. Heathman, Alexandra Stolzing, Claire Fabian, Qasim A. Rafiq, Karen Coopman, Alvin W. Nienow, Bo Kara, Christopher J. Hewitt, Serum-free process development: improving the yield and consistency of human mesenchymal stromal cell production, Cytotherapy 17, 2015-11, עמ' 1524–1535 doi: 10.1016/j.jcyt.2015.08.002
- 1 2 Adrien Soula, Florian Leseigneur, Amna Anwar, Bilal Ozdoganoglu, Jagan Gurung, Hamza Bhatti, Juline Guenat, Quentin Bazot, Majahar Sayed, Carolina Pinto Ricardo, Lily Li, Katerina Farukshina, Tony Bou Kheir, Hadi Mirmalek-Sani, Gregory Berger, Julie Kerby, Jonathan Appleby, Michael Delahaye, The manufacture of AAV for gene therapy applications using a closed, semi-automated hollow-fiber bioreactor, Molecular Therapy Methods & Clinical Development 33, 2025-06-12 doi: 10.1016/j.omtm.2025.101496
- ↑ John Villadsen, Jens Nielsen, Gunnar Lidén, Bioreaction Engineering Principles, Springer Science & Business Media, 2011-07-12, עמ' פרק 1-3, ISBN 978-1-4419-9688-6. (באנגלית)
- ↑ Paul W. Sauer, John E. Burky, Mark C. Wesson, Heather D. Sternard, Limin Qu, A high-yielding, generic fed-batch cell culture process for production of recombinant antibodies, Biotechnology and Bioengineering 67, 2000, עמ' 585–597 doi: 10.1002/(SICI)1097-0290(20000305)67:5<585::AID-BIT9>3.0.CO;2-H
- 1 2 Aijuan He, Huitang Xia, Kaiyan Xiao, Tingting Wang, Yu Liu, Jixin Xue, Dan Li, Shengjian Tang, Fangjun Liu, Xiaoyun Wang, Wenjie Zhang, Wei Liu, Yilin Cao, Guangdong Zhou, Cell yield, chondrogenic potential, and regenerated cartilage type of chondrocytes derived from ear, nasoseptal, and costal cartilage, Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine 12, 2018, עמ' 1123–1132 doi: 10.1002/term.2613
- ↑ Richard Visconti, Vladimir Mironov, Vladimir A. Kasyanov, Michael J. Yost, Waleed Twal, Thomas Trusk, Xuejun Wen, Iveta Ozolanta, Arnolds Kadishs, Glenn D. Prestwich, Louis Terracio, Roger R. Markwald, Cardiovascular Tissue Engineering I. Perfusion Bioreactors: A Review, Journal of Long-Term Effects of Medical Implants 16, 2006 doi: 10.1615/JLongTermEffMedImplants.v16.i2.10
