Biyoreaktörler biyolojik ve/veya biyokimyasal proseslerin kontrollü ortamlarda ve operasyon koşullarında (pH, sıcaklık, basınç, besi ve atık ortamı vb.) gerçekleştirilmesini sağlayan cihazlar olarak tanımlanmaktadır.
Biyoreaktör tasarımındaki en önemli konulardan biri kütle aktarımıdır. Kütle aktarımı istenilen düzeyde olmadığı taktirde, üretilen dokuların yeterli derecede beslenememesi söz konusudur. Biyoreaktörler, öncelikle, hücrelere besinleri (glikoz ve amino asitler), biyokimyasal faktörleri ve oksijeni sürekli olarak ulaştırmalı, çeşitli kimyasalların doku iskelesinin iç kısımlarına difüzyonunu sağlamalı ve laktik asit gibi hücre metabolizmasının yan ürünlerini sürekli uzaklaştırmalıdır. Ayrıca pH, oksijen oranı ve besin miktarı gibi çok önemli parametreler, kütle aktarımının etkinliğine bağlı olarak kontrol edilebilmektedirler. Biyoreaktörlerde kütle aktarımı pasif difüzyon ya da doğrudan perfüzyon ile gerçekleştirilebilir. Difüzyon ile oksijen aktarımı sadece 100-200 μm derinlikteki hücre katmanlarına kadar etkindir. Dolayısıyla perfüzyon, hiç kuşkusuz, aktarımın daha etkin bir şekilde gerçekleşmesini sağlamaktadır.
Biyoreaktörlerin tasarımındaki diğer önemli noktalar, elde edilmek istenen ürünün tekrarlanabilirliğinin ve güvenilirliğinin klinik çalışmalar için büyük ölçekte sağlanabilmesidir. Aynı zamanda biyoreaktörlerde istenilen dokuya özgü fonksiyonların takibinin yapılabilmesi için, uzun vadede aseptik koşulların sağlanması şarttır.
Biyorektör Türleri
Biyoreaktörler işletim şekillerine göre kesikli, yarı kesikli ve sürekli olmak üzere sınıflandırılabilirler.
Kesikli işletim (‘Batch’): Endüstriyel biyoreaktörler genellikle kesikli işletim ile çalıştırılırlar. Kesikli işletimde, biyoreaktör ilk önce fermantasyon sıvısı ile doldurulur, hücreler ortama aşılanır ve hücrelerin üremeleri için belli bir süre beklenir. Bu süre sonunda hücre yoğunluğunun veya ürün derişiminin belli bir değere ulaşması öngörülür. Bu süre sonunda reaktör boşaltılır ve yeni bir işlem için hazırlanır.
Kesikli işletimde, reaktör hazırlama, hücre üremesi, reaktör boşaltma ve temizleme olmak üzere dört evre söz konusudur. Fermantasyon işlemi boyunca herhangi bir besleme veya ürün uzaklaştırma işlemi yapılmaz. Sadece havalı fermantasyon için hava beslemesi yapılır. Reaksiyon süresince substrat ve biyokütle derişimi değişir. Reaksiyon boyunca substrat derişimi azalırken, biyokütle derişimi artar.
Yarı kesikli işletim (‘Fed-batch’): Yarı kesikli işletimde, biyoreaktöre fermantasyon boyunca substrat beslemesi yapılır. Reaktörden alınan örnekler dışında herhangi bir ürün uzaklaştırması söz konusu değildir. Sürekli substrat beslemesi yapılması ve ürün uzaklaştırılmaması nedeniyle toplam reaksiyon hacmi zamanla artar. Yarı kesikli işletim, girdi beslemesi yapılarak kesikli işletimin devamı olarak çalıştırılabileceği gibi hücre büyüme ve çoğalma evreleri ayrı fazlar olarak kontrol edilebilir. Bunun yanında yarı kesikli işletimde farklı besleme şekilleri ile farklı kontrol metotları uygulanabilir. Bu işletimde yüksek derişimde biyokütle ve ürün elde edilir.
