تشير حدثة مفاعل حيوي (بالإنجليزية: Bioreactor)‏ إلى أي جهازٍ أونظامٍ يدعم البيئة النشطة بصورةٍ حيويةٍ. وفي إحدى حالات الأمثلة على المفاعلات الحيوية، نجد حتى المفاعل الحيوي هووعاء يتم إجراء العملية (التفاعلات) الكيميائية التي تشتمل الكائنات الحية أوالمواد النشطة الكيميائية الحيوية المشتقة من الكائنات الحية المتنوعة. وهنا قد تكون مثل تلك العمليات هوائية أولاهوائية (بالإنجليزية: anaerobic)‏. وغالباً ماقد يكون شكل هذه المفاعلات الحيوية إسطوانية الشكل، تتراوح في أحجامها من سعة الليترات إلى الأمتار المكعبة، كما أنها غالباً ما تكون مصنوعة من سبائك الفولاز المقاوم للصدأ (ستانلس ستيل).

هذا وقد يشير المفاعل الحيوي إلى تلك الآلة أوالنظام المعني بنموالخلايا أوالأنسجة الحية في إطار غرس الخلايا. وتم تطوير تلك الأجهزة لتُسْتَخْدَمُ في مجال هندسة النسج.

وبناءً على قاعدة طريقة عملها، يمكن تصنيف المفاعلات الحيوية إلى مفاعل متبتر (بالإنجليزية: batch reactor)‏، مفاعل كلي (بالإنجليزية: fed batch reactor)‏، أومفاعل مستمر (بالإنجليزية: continuous reactor)‏ (ومثال ذلك؛ نموذج مفاعل الخزان المثار المستمر (بالإنجليزية: continuous stirred-tank reactor model)‏). ومثال على المفاعل الحيوي المستمر الكيموستات (الناظم الكيميائي) (بالإنجليزية: Chemostat)‏.

كما قد تكون الكائنات الحية النامية داخل المفاعلات الحيوية معلقة أومجمدة. ومن الطرق البسيطة التي يمكن بها تجميد الخلايا، طريقة علبة بتري مع هلام الأغار. ومن المفاعلات الحيوية واسعة النطاق والمستخدمة لتجميد الخلايا:

• الوسيط المتحرك، والمعروفة أيضاً بمفاعل شريط العمود المتحرك الحيوي (بالإنجليزية: Moving Bed Biofilm Reactor)‏
• العمود المعبأ
• العمود الليفي (بالإنجليزية: fibrous bed)‏
• الغشاء

تصميم المفاعل الحيوي

يمثل تصميم المفاعل الحيوي مسألةً هندسيةً معقدةً مركبةً، والتي تم دراستها في نظام الهندسة الكيمياحيوية. وتحت الظروف المثلى، تُعَدُ الكائنات الدقيقة أوالخلايا قادرة على أداء وظيفتها المرغوبة بنسبة نجاح تُقَدَرُ بـمائة في المائة. هذا ويجب ضبط الظروف البيئية ومراقبتها بشكلٍ دقيقٍ والتي منها الغازية (كالهواء، الأكسجين، النيتروجين، ثاني أكسيد الكربون)، وكذلك معدلات التدفق، درجة الحرارة، الأس الهيدروجيني (pH)، بالإضافة إلى مستويات الأكسجين المذاب، وأيضاً معدل سرعة/ دائرية التهيج (بالإنجليزية: agitation)‏.

ويستخدم معظم مصنعي المفاعلات الحيوية الصناعية الأوعية، المستشعرات ونظاماً للتحكم مشتبكين معاً في شبكةٍ واحدةٍ.

إلا أنه يجب ملاحظة حتى القاذورات (بالإنجليزية: Fouling)‏ قد تضر بالكفاءة العامة للمفاعل الحيوي، وبخاصةً المبادلات الحرارية (بالإنجليزية: heat exchanger)‏. ولتجنب وقوع مثل ذلك الإفساد، يجب تنظيف المفاعل الحيوي بسهولةٍ ويسرٍ حدثا كان ذلك متاحاً (ومن ثم تتشكل الجولة).

حيث حتى المبدل الحراريقد يكون مطلوباً للحفاظ على العملية الحيوية في درجة حرارةٍ مستقرة وثابتة. حيثقد يكون التخمر الحيوي مصدراً أساسياً للحرارة، ومن ثم بحاجة المفاعلات الحيوية في معظم الأحيان إلى عملية تبريدٍ أوتجميدٍ. حيث قد يتم تبريدهم أوتجميدهم بغطاءٍ خارجيٍ أو، في بعض الأوعية أوالحاويات الكبيرة، بأنابيبٍ وملفاتٍ داخليةٍ.

وفي عملية التنفس الهوائي، من الممكن تمثل عملية نقل الأكسجين أصعب مهمةٍ لتُنْجَزُ. فالأكسجين هوأحد الغازات التي تذوب أوتنحل في الماء بصعوبةٍ وبدرجةٍ منخفضةٍ – بل بدرجةٍ أقل في حساء التخمر – كما أنه نادر أوشحيح في الهواء الجوي (حيث تصل نسبة تواجده في الهواء إلى 20.95%). وغالباً ما تساعد عملية التهيج في نقل الأكسجين، والتي تكون مطلوبة لخلط المغذيات والحفاظ على نتاغم وتجانس عملية التخمر. إلا أنه على الرغم من ذلك، توجد حدود لسرعة التهيج، وذلك بسبب كلاً من الاستهلاك العالي للطاقة (والتي تتناسب مع مكعب سرعة حركة الإلكترون) والضرر الذي تتعرض له الكائنات الحية بسبب سرعة الميل المتزايدة. وفي مجال الممارسة، تتعرض المفاعلات الحيوية للضغط؛ مما يزيد من محلولية الأكسجين في الماء.

المفاعل الحيوي الضوئي

المفاعل الحيوي الضوئي (بالإنجليزية: photobioreactor)‏ هومفاعلٌ حيويٌ يقوم بدمج بعضاً من نماذج مصادر الضوء. وبصورةٍ فرضيةٍ، يمكن اعتبار أي وعاء أوحاوية شفيف (مضيء داخلياً) (بالإنجليزية: translucent)‏ مفاعلاً حيوياً ضوئياً، على الرغم من حتى المصطلح يشيع استخدامه لتحديد أوتعريف نظام مغلق، على عكس الحوض المفتوح أوالبركة المفتوحة. وتستخدم المفاعلات الحيوية الضوئية لإنماء وتربية بعض الأحياء المضيئة ومنها على سبيل المثال الزراقم (البكتريا الزرقاء)، الأشنيات، أوالنباتات الطحلبية (بالإنجليزية: moss)‏. وتستخدم مثل تلك الكائنات الحية الضوء من خلال عملية التمثيل الضوئي، الممثلة لمصدر طاقتهم والتي لا تتطلب إلى سكريات أودهون كمصدرٍ للطاقة. نتيجةً لذلك، تنخفض مخاطر التلوث بالكائنات الأخرى كالبكتريا أوالفطريات في تلك المفاعلات الحيوية الضوئية عند مقارنتها بالمفاعلات الحيوية الخاصة بالعضويات غيرية التغذية.

معالجة مياه الصرف الصحي

كما صُممت المفاعلات الحيوية كذلك لمعالجة مياه الصرف الصحي والمخلفات السائلة. وفي أكثر تلك الأنظمة كفاءةً، يوجد مورداً للتدفق الحر، وهوتعبير عن وسيطٍ خاملٍ كيميائياً والذي يلعب دور الوعاء للبكتريا والتي تُكَسِّرُ مياه الصرف الصحي الخام. وغالباً ما تشتمل الأمثلة على مثل تلك المفاعلات الحيوية حاويات أوأحواض منفصلة متوالية بالإضافة إلى عازل كيميائي أوأغعصار حلزوني لتسريع انقسام المياه والمواد الصلبة الحيوية. وهنا توفر المهويات (أجهزة للإشباع بالهواء) (بالإنجليزية: Aerators)‏ الأكسجين لمياه الصرف والوسيط كذلك لتسريع عملية التكسير. كما يقل معدل طلب الأكسجين البيوكيميائي بصورةٍ كافيةٍ بهدف جعل المياه الملوثة صالحة لإعادة الاستخدام مرةً أخرى. في حين يمكن تجميع المواد الصلبة الحيوية من أجل إجراء مزيدٍ من المعالجة لها أويتم تجفيفها واستخدامها كمخصباتٍ. ومن الأمثلة البسيطة بوشوحٍ على المفاعلات الحيوة ي لمعالجة مياه الصرف الصحي ذلك المكون من حوض أوخزان للتفسخ أوالتعفن، حيث تهجر مياه الصرف الصحي في المسقط، سواءً مع أوبدون وسيطٍ إضافيٍ لتنشئة البكتريا. وفي تلك اللحظة، يمثل الرسوب الطيني أوالوحلي اللزج المضيف أوالعائل الأولي (الطين المنشط) للبكتريا. وهنا تُعَدُ أنظمة التعفن تلك الأكثر تناسباً عندما تتوفر مساحةً كافيةً من اليابسة، بالإضافة إلى نظامٍ ليس عرضةً للطوفان أوالأرض زائدة التشبع، وحيث لا يمثل أيٍ من الوقت أوالكفاءة عاملٍ جوهريٍ هناك.

وفي المفاعلات الحيوية، حيثقد يكون الهدف نموالخلايا أوالأنسجة سواءً للأغراض التجريبية أوالعلاجية، فإن التصميمقد يكون مختلفٌ بصورةٍ واضحةٍ عن تلك (المفاعلات الحيوية) المستخدمة للأغراض الصناعية. هذا ويجب حتىقد يكون للعديد من الخلايا والأنسجة، خاصةً الثديية منها، دعماً سطحياً أوبنائياً لتنمو، بالإضافة إلى حتى البيئات المتهيجة غالباً ما تكون مدمرةً لمثل تلك الخلايا والأنسجة. هذا وتحتاج الحيوانات الأرقى إلى وسيطٍ أكثر تعقداً للنمو.

ونتيجة أنها تُعَدُ المحركات التي تقوم بعمليات المعالجة الحيوية لمياه الصرف الصحي، فمن الضروري حتى يتم ضبط ومراقبة كم وجودة الكائنات الحية الدقيقة في تلك المفاعلات الحيوية بصورةٍ قريبةٍ. وأحد الأمثلة على تلك الطرق هومن خلال الجيل الثاني من اختبارات أدينوسين ثلاثي الفوسفات أوATP tests.

مفاعل ناسا الحيوي لاستنساخ الأنسجة

طورت ناسا من نموذجاً جديداً من المفاعلات الحيوية التي تقوم صناعياً بإنماء الأنسجة في مزارع الخلايا. ولمفاعل ناسا الحيوي للأنسجة القدرة على إنماء نسيج القلب، الأنسجة الهيكلية، الأربطة، بالإضافة إلى الأنسجة السرطانية بغرض الدراسة، وكذلك أنواعٍ أخرى من الأنسجة. [2]

لمزيد من المعلومات عن مغرسة النسيج الصناعي، اطلع على هندسة النسج.

منظم النموالمفرط

منظم النموالمفرط (بالإنجليزية: Auxostat )‏ هوتعبير عن جهاز إمداد مستمر بمزارع النمو، والذي في حين تشغيله، يقوم باستخدام المعلومات والإحصائيات من القياسات المأخوذة بشأن غرفة النموللتحكم في معدل تدفق وسط النمو، محافظاً على القياس بشكل ثابت . كان "أوكسو" آلهة الإغريق أثناء نموالربيع، وكبادئة تمثل المواد الغذائية . ومع ذلك، فإن أكثر الأنواع مثالية لجهاز منظم النموالمفرط هوالخاص بدرجة الحوضة ، حيث يتم تسجيل الملاحظات أوالإحصائيات ما بين معدل النموومقياس درجة الحموضة pH.

هناك أنواع أخرى من منظمات النموالمفرط يمكنها قياس جهد الأكسجين وهجريزات الإيثانول بالإضافة لهجريزات السكر .

انظر أيضاً

• هندسة كيميائية حيوية {{إنج|Biochemical engineering]]
• وقود الأشنيات الحيوي (بالإنجليزية: Biofuel from algae)‏
• إنتاج الهيدروجين الحيوي (بالإنجليزية: Biological hydrogen production)‏
• مكب المفاعل الحيوي (بالإنجليزية: Bioreactor landfill)‏
• غرس الخلايا
• كيموستات {{إنج|Chemostat]]
• هاضم (بالإنجليزية: Digester)‏
• مغرسة جذور الشعر (بالإنجليزية: Hairy root culture)‏
• تقنية حيوية صناعية
• خزان تفسخ أوخزان تعفن (بالإنجليزية: Septic tank)‏
• هندسة النسج

المصادر

وصلات خارجية

• استخدام اختبارات ATP لقياس الكتلة الحيوية الحية في مفاعلات معالجة مياه الصرف الصحي
• مفاعل حيوي- ضوئي.
• مفاعل حيوي ضوئي.