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バイオリアクターとは、生物学的に活性な環境を維持する製造された装置またはシステムのことです。[ 1 ]バイオリアクターは、生物またはそのような生物から得られる生化学的に活性な物質を含む化学プロセスを実行する容器です。このプロセスは好気性または嫌気性のいずれでも可能です。これらのバイオリアクターは一般的に円筒形で、サイズはリットルから立方メートルまで様々で、多くの場合ステンレス鋼で作られています。
また、細胞培養の文脈で細胞や組織 を成長させるために設計された装置やシステムを指す場合もある。[ 2 ]これらの装置は、組織工学や生化学／バイオプロセス工学で使用するために開発されている。
バイオリアクターは、運転方式に基づいて、バッチ式、フィードバッチ式、連続式（例えば、連続撹拌槽型リアクター）に分類される。連続式バイオリアクターの例としては、ケモスタットが挙げられる。
バイオリアクターで増殖する生物または生化学的に活性な物質は、液体培地に浸漬されている場合もあれば、固体培地の表面に固定されている場合もある。浸漬培養は、懸濁または固定化されている。懸濁バイオリアクターは、特別な付着面を必要としないため、より多様な生物をサポートでき、固定化培養よりもはるかに大規模に操作できる。ただし、連続運転プロセスでは、生物は流出液とともにリアクターから除去される。固定化は、細胞または粒子の付着または捕捉のためのさまざまな方法を説明する一般的な用語である。[ 3 ]酵素、細胞小器官、動物および植物の細胞および器官を含む、基本的にすべてのタイプの生体触媒に適用できる。[ 4 ] [ 5 ]固定化は、生物がリアクターの流出液とともに除去されないため、連続運転プロセスに有用であるが、微生物は容器の表面にのみ存在するため、規模が制限される。
大規模固定化細胞バイオリアクターは以下のとおりです。
バイオリアクターの設計は、生化学／バイオプロセス工学の分野で研究されている比較的複雑な工学的課題です。最適な条件下では、微生物または細胞は不純物の生成を最小限に抑えながら、目的の機能を果たすことができます。バイオリアクター内の環境条件、例えば温度、栄養濃度、pH、溶存ガス（特に好気性発酵の場合は酸素）などは、微生物の増殖と生産性に影響を与えます。発酵培地の温度は、冷却ジャケット、コイル、またはその両方によって維持されます。特に発熱性の高い発酵では、外部熱交換器の使用が必要になる場合があります。栄養素は、フィードバッチシステムのように発酵槽に連続的に添加することも、発酵開始時にリアクターに投入することもできます。培地のpHは、発酵の種類に応じて、少量の酸または塩基で測定および調整されます。好気性発酵（および一部の嫌気性発酵）では、反応ガス（特に酸素）を発酵槽に添加する必要があります。酸素は水（ほとんどすべての発酵培地の基質）に比較的溶けにくいため、空気（または精製酸素）を継続的に添加する必要があります。上昇する気泡の作用は発酵培地の混合を助け、二酸化炭素などの廃ガスを「除去」します。実際には、バイオリアクターはしばしば加圧されます。これにより、水中の酸素の溶解度が高まります。好気性プロセスでは、最適な酸素移動が律速段階となる場合があります。酸素は水に溶けにくく、温かい発酵液ではさらに溶けにくく、空気中には比較的少ない（20.95%）です。酸素移動は通常、撹拌によって促進されます。撹拌は栄養素を混合し、発酵を均一に保つためにも必要です。ガス分散撹拌機は、気泡を分解して容器全体に循環させるために使用されます。
汚染はバイオリアクター全体の効率、特に熱交換器の効率を損なう可能性があります。これを避けるためには、バイオリアクターは容易に洗浄できる必要があります。内部表面は通常、洗浄と衛生管理を容易にするためにステンレス鋼で作られています。通常、バイオリアクターはバッチごとに洗浄されるか、連続運転時に汚染をできるだけ低減するように設計されています。熱伝達はバイオリアクター設計の重要な要素です。小型容器は冷却ジャケットで冷却できますが、大型容器にはコイルまたは外部熱交換器が必要になる場合があります。
スケールダウンバイオリアクターは、多額の材料や消耗品への投資なしにパラメーターを微調整できるため、プロセス開発において重要な役割を果たします。[ 6 ]
光バイオリアクター（PBR）は、何らかの光源（自然光または人工照明）を組み込んだバイオリアクターです。半透明の容器であればほぼ何でもPBRと呼ぶことができますが、この用語は開放型の貯蔵タンクや池とは対照的に、閉鎖系を指す場合によく使われます。光バイオリアクターは、シアノバクテリア、藻類、コケ植物などの小型の光合成生物を培養するために使用されます。 [ 7 ]これらの生物は光合成によって光をエネルギー源として利用し、糖類や脂質をエネルギー源として必要としません。したがって、従属栄養生物用のバイオリアクターと比較すると、光バイオリアクターでは細菌や真菌などの他の生物による汚染のリスクが低くなります。
従来の汚水処理では、バイオリアクターを用いて主要な浄化プロセスが行われます。これらのシステムの中には、表面積が非常に大きい化学的に不活性な媒体を基質として生物膜を成長させるものがあります。余分な生物膜は沈殿槽またはサイクロンで分離されます。他のシステムでは、曝気装置が汚水と生物に酸素を供給し、活性汚泥を生成します。活性汚泥では、生物成分が「フロック」として液体中に自由に混ざり合います。これらのプロセスでは、液体の生物化学的酸素要求量（BOD）が十分に低減され、汚染水が再利用に適した状態になります。バイオソリッドは回収してさらに処理するか、乾燥させて肥料として使用できます。汚水バイオリアクターの非常にシンプルなバージョンは浄化槽で、汚水は細菌を収容するための追加媒体の有無にかかわらず、その場に放置されます。この場合、バイオスラッジ自体が細菌の主要な宿主となります。
多くの細胞や組織、特に哺乳類の細胞や組織は、増殖するために表面やその他の構造的な支持を必要とし、撹拌された環境はこれらの細胞や組織にとってしばしば有害です。高等生物は栄養要求性であるため、高度に特殊化された培養培地も必要とします。治療薬製造のために大量の細胞を培養しようとする場合、これは大きな課題となり、酵母や細菌などのタンパク質発現系を培養するために使用される工業用バイオリアクターとは大きく異なる設計が必要となります。
多くの研究グループが、構造足場上で特殊な組織や細胞を培養するための新しいバイオリアクターを開発し、体外で臓器のような組織構造を再現しようと試みている。これらには、心臓組織[ 8 ] [ 9 ]、骨格筋組織[ 10 ] 、靭帯、癌組織モデルなどを培養できる組織バイオリアクターが含まれる。現在、これらの特殊なバイオリアクターを工業用途向けに大量生産することは依然として困難であり、活発な研究分野となっている。
人工組織培養に関する詳細については、組織工学を参照してください。
ミニバイオリアクターは、通常0.5L以下の作動容量を持つ小型バイオリアクターシステムです。運用コストを削減しつつ、広範な並列化とカスタマイズを可能にするように設計されています。低コストセンサー、マイクロコントローラーベースの制御プラットフォーム（ArduinoやRaspberry Piなど）、統合された自動化などの進歩により、吸光度や溶存酸素などのパラメータを正確に監視できるようになり、大型の卓上システムに代わる実用的な選択肢となっています。
適応型実験室進化（ALE）では、ミニバイオリアクターが制御された選択圧下での長期培養をサポートします。これらはバッチ、ケモスタット、タービドスタット、モルビドスタットの各モードで動作し、それぞれが安定した成長条件を維持したり、ストレスレベルを動的に調整したりするための異なる戦略を可能にします。自動化に対応した設計により、何世代にもわたって安定した動作が可能になり、微生物の進化、代謝工学、抗菌薬耐性の発達を研究するための貴重なツールとなります。 [ 11 ]
数理モデルは、廃水処理を含む様々なバイオリアクター用途において重要なツールとして機能します。これらのモデルは、効率的なプロセス制御戦略の立案や将来のプラント性能の予測に役立ちます。さらに、教育や研究分野においても有益です。
バイオリアクターは一般的に、食品、飲料、医薬品などの産業で利用されています。生化学工学は比較的新しい分野です。細胞、酵素、抗体などの生物学的因子を用いた生物材料の処理は、生化学工学の主要な柱となっています。生化学工学の応用分野は、農業、食品、医療、資源回収、ファインケミカルなど、文明の主要分野に及んでいます。
これまで、バイオテクノロジー関連産業は、プロセス制御と最適化戦略の実施において他の産業に遅れをとっていた。バイオテクノロジープロセス制御における主な欠点は、重要な物理的および生化学的パラメータの測定の問題である。[ 12 ]
バイオプロセスは、原材料を最終製品に変換するために、主に上流処理、バイオ反応、下流処理の3つの段階から構成されます。[ 13 ]
原料は生物由来のもの、または非生物由来のものである。まず、加工に適した形態に変換される。これは、化学加水分解、液体媒体の調製、粒子状物質の分離、空気浄化、その他多くの前処理工程を含む上流工程で行われる。
上流工程の処理後、得られた原料は1つまたは複数の生物反応段階に移送される。生物反応段階の基盤となるのは、生化学反応器またはバイオリアクターである。この段階は主に、バイオマス生成、代謝産物生合成、および生物変換の3つの操作から構成される。
最後に、バイオリアクターで生成された物質は、下流工程でさらに処理して、より有用な形態に変換する必要があります。下流工程は主に、固液分離、吸着、液液抽出、蒸留、乾燥などの物理的分離操作から構成されます。 [ 14 ]
一般的なバイオリアクターは、以下の部分から構成されています。
撹拌機– 反応器の内容物を混合するために使用され、細胞を完全に均質な状態に保ち、栄養素と酸素が目的の生成物へより効率的に輸送されるようにします。
バッフル– 容器内の渦の発生を阻止するために使用される。渦の発生は、システムの重心を変化させ、余分な電力を消費するため、通常は非常に望ましくない。
スパージャー– 好気性培養プロセスにおいて、スパージャーの目的は、増殖中の細胞に十分な酸素を供給することです。
ジャケット– ジャケットは、一定温度の水を循環させるための環状領域を提供し、バイオリアクターの温度を一定値に保ちます。[ 15 ]