Анализ классификации современных биореакторных систем (обзор). Часть 1. Классификация биореакторов по конструктивным параметрам

Биореакторы являются неотъемлемой частью биотехнологических процессов. В настоящее время область их применения расширяется и охватывает множество сфер человеческой деятельности. Биореакторные системы широко задействованы в биотехнологических процессах как для получения микроорганизмов, ферментов, клеточных линий, вирусов, рекомбинантных белков, так и разнообразных продуктов пищевой, косметической, фармацевтической, медицинской, химической и сельскохозяйственной отраслей. Стоит отметить, что помимо использования в производстве, данные аппараты находят применение в процессах очистки сточных вод и почвы от различных отходов на производственных объектах. Вследствие активного использования биореакторов, с целью оптимизации производственных процессов и уменьшения эксплуатационных расходов, с помощью современных технологий автоматизации, искусственного интеллекта и 3-D печати разрабатываются новые высокоэффективные автоматизированные устройства с разнообразными функциональными элементами и конструктивными особенностями. С каждым годом наблюдается увеличение числа научных трудов, посвященных описанию как биореакторов с новой конструкцией, так и модернизации существующих аппаратов. Мировым научным сообществом накоплен большой объем данных в области биотехнологии, в том числе включающий информацию о биореакторах, используемых в биотехнологических процессах. Стоит отметить, что данные об используемых и разрабатываемых аппаратах зачастую либо не структурированы и не систематизированы, либо информация о существующих классификациях оборудования рассредоточена во множестве источников литературы, что представляет собой проблему разрозненности информации, которая не теряет своей актуальности на сегодняшний день. Вследствие представленной проблемы множество ученых и специалистов в научной сфере и на производстве сталкивается с трудностями при осуществлении выбора оптимального оборудования для выполнения научно-исследовательских работ и проведения производственных процессов, так как большие объемы рассредоточенных данных существенно усложняют процесс выбора и требуют больших временных и финансовых затрат для поиска и анализа необходимой информации. Для решения проблемы разрозненности данных проведен анализ научных работ отечественных и зарубежных авторов по существующим типам биореакторов и их классификации. По итогам проведенного анализа в данной работе представлена первая часть структурированной информации по классификации биореакторов, относящейся к конструктивным особенностям аппаратов – классификации по типу конструкции и внешнему виду. Приведена характеристика существующих типов биореакторов с описанием их конструктивных составляющих и принципа работы, отмечены достоинства и недостатки аппаратов, представлены примеры их использования в различных производственных отраслях, в том числе в пищевой промышленности. Данные, структурированные по результатам анализа научных трудов отечественных и зарубежных авторов, представленные в данной работе, могут быть использованы в качестве вспомогательного источника информации при проведении образовательного процесса, а также при выполнении научно-исследовательских работ. Стоит отметить, что собранная информация в дальнейшем будет использована авторами при проведении системного анализа для разработки информационно-аналитического комплекса в области биотехнологических процессов с использованием биореакторов.

1. Досаев А. А., Меньшутина Н. В. Системный анализ биотехнологических процессов // Актуальная биотехнология : материалы ХI Международной научно-практической конференции «Биотехнология: наука и практика», п. Новомихайловский, 11-14 сентября 2023 года. п. Новомихайловский: Воронеж, 2023. С. 37. [Электронный ресурс]. URL: https://umo19.ru/data/documents/no3_2023.pdf#page=37 (дата обращения: 11. 03. 2025).

2. Agrawal K., Verma P. Biotechnological advances in biorefinery. Singapore: Springer, 2024. 391 p. [Электронный ресурс]. URL: https://link.springer.com/book/10.1007/978-981-97-5544-8 (accessed: 11. 03. 2025).

3. Mangas-Florencio L., Herrero-Gómez A., Eills J., Azagra M., Batlló-Rius M., Marco-Rius I. A DIY bioreactor for in situ metabolic tracking in 3D cell models via hyperpolarized 13C NMR spectroscopy // Analytical Chemistry. 2025. Vol 97. № 3. P. 1594–1602. doi: 10.1021/acs.analchem.4c04183

4. Gaugler L., Hofmann S., Schlüter M., Takors R. Mimicking CHO large‐scale effects in the single multicompartment bioreactor: A new approach to access scale‐up behavior // Biotechnology and bioengineering. 2024. Т. 121. №. 4. С. 1243-1255. doi: 10.1002/bit.28647

5. Ren C., Zhang S., Li Q., Jiang Q., Li Y., Gao Z., Cao W., Guo L. Pilot composite tubular bioreactor for outdoor photo-fermentation hydrogen production: from batch to continuous operation // Bioresource Technology. 2024. Vol. 401. P. 130705. doi: 10.1016/j.biortech.2024.130705

6. Serra D., Cruciani S., Garroni, G., Sarais G., Kavak F. F., Satta R., Montesu M. A., Floris. M., Ventura C., Maioli, M. Effect of Helichrysum italicum in promoting collagen deposition and skin regeneration in a new dynamic model of skin wound healing // International Journal of Molecular Sciences. 2024. Vol. 25. No. 9. P. 4736. doi: 10.3390/ijms25094736

7. Ma Y., Liu T., Yuan Z., Guo J. Single cell protein production from methane in a gas-delivery membrane bioreactor // Water Research. 2024. Vol. 259. P. 121820. doi: 10.1016/j.watres.2024.121820

8. Palladino, F., Marcelino, P. R. F., Schlogl, A. E., José, Á. H. M., Rodrigues, R. D. C. L. B., Fabrino, D. L., Santos I. J. B., Rosa, C. A. Bioreactors: applications and Innovations for a sustainable and healthy future—a critical review // Applied Sciences. 2024. Vol. 14. No. 20. P. 9346. doi: 10.3390/app14209346

9. Ramesh S., Deep A., Tamayol A., Kamaraj A., Mahajan C., Madihally S. Advancing 3D bioprinting through machine learning and artificial intelligence // Bioprinting. 2024. Vol. 38. P. e00331. doi: 10.1016/j.bprint.2024.e00331

10. Шевцов А. А., Дранников А. В., Пономарев А. В., Шабунина Е. А. Современные тенденции совершенствования конструкций пленочных аппаратов для фотоавтотрофного биосинтеза светозависимых микроорганизмов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2016. № 3. С. 68–76. doi: 10.20914/2310-1202-2016-3-68-76

11. Войнов Н. А., Николаев А. Н., Войнова О. Н. Гидродинамика, тепло и массоперенос в пленочных биореакторах // Химия растительного сырья. 2009. № 4. С. 183–193. [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/gidrodinamika-teploi-massoperenos-v-plenochnyh-bioreaktorah (дата обращения: 11. 03. 2025).

12. Исмаилов А. Э., Кенжабаева Н., Мухаммаджонов А., Абдукаримова О., Отакулов Д., Эшмурадова Н., Мирзарахметова Д. Т. Культивирование Dunaliella salina // Технология органических веществ : материалы 85-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (с международным участием), Минск, 01–13 февраля 2021 г., Минск: Минск, 2021. С. 295–298. [Электронный ресурс]. URL: https://elib.belstu.by/handle/123456789/33236 (дата обращения: 11. 03. 2025).

13. Santek B., Ivancic M., Horvat P., Novak S., Maric V. Horizontal tubular bioreactors in biotechnology // Chemical and Biochemical Engineering Quarterly. 2006. Vol. 20. No. 4. P. 389–399. [Electronic resource]. URL: https://hrcak.srce.hr/clanak/9338 (accessed: 11. 03. 2025).

14. Tapia F., Wohlfarth D., Sandig V., Jordan I., Genzel Y., Reichl U. Continuous influenza virus production in a tubular bioreactor system provides stable titers and avoids the “von Magnus effect” // PLoS One. 2019. Vol. 14. No. 11. P. e0224317. doi: 10.1371/journal.pone.0224317

15. Zarei Z., Malekshahi P., Morowvat M. H., Trzcinski A. P. A review of bioreactor configurations for hydrogen production by cyanobacteria and microalgae // International Journal of Hydrogen Energy. 2024. Vol. 49. P. 472–495. doi: 10.1016/j.ijhydene.2023.09.108

16. Pavlečić M., Novak M., Trontel A., Marđetko N., Tominac V. P., Dobrinčić A., Kralj M., Šantek B. The production of water kefir drink with the addition of dried figs in the horizontal rotating tubular bioreactor // Foods. 2024. Vol. 13. No. 17. P. 2834. doi: 10.3390/foods13172834

17. Schwan R. F., Joshi V. K., Dias D. R. Bioreactor technology in food processing. Boca Raton: CRC Press, 2024; 648 p. doi: 10.1201/9780429424236

18. Sharma R., Harrison S. T. L., Tai S. L. Advances in bioreactor systems for the production of biologicals in mammalian cells // ChemBioEng Reviews. 2022. Vol. 9. No. 1. P. 42–62. doi: 10.1002/cben.202100022

19. Bokelmann C., Bromley J., Takors R. Pros and cons of airlift and bubble column bioreactors: How internals improve performance // Biochemical Engineering Journal. 2024. Vol. 213. P. 109539. doi: 10.1016/j.bej.2024.109539

20. Петров Е. Б., Миронов В. В., Сидорова В. Ю. Сравнительный анализ существующих изобретений установок для культивирования мультипотентных мезенхимальных стволовых клеток (ММСК) // Техника и технологии в животноводстве. 2017. № 4 (28). С. 21–28. [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sravnitelnyy-analiz-suschestvuyuschih-izobreteniy-ustanovok-dlya-kultivirovaniya-multipotentnyh-mezenhimalnyh-stvolovyh-kletok-mmsk (дата обращения: 11. 03. 2025).

21. Palladino F., Marcelino P. R. F., Schlogl A. E., José Á. H. M., Rodrigues R. D. C. L. B., Fabrino D. L., Santos I. J. B., Rosa C. A. Bioreactors: applications and innovations for a sustainable and healthy future — A critical review // Applied Sciences. 2024. Vol. 14. No. 20. P. 9346. doi: 10.3390/app14209346

22. Soccol C. R., Molento C. F. M., Reis G. G., Karp S.G. Cultivated meat: Technologies, commercialization and challenges. Cham: Springer Nature Switzerland, 2024. 441 p. doi: 10.1007/978-3-031-55968-6

23. Ferreira P., Lopes M., Belo I. Use of pressurized and airlift bioreactors for citric acid production by Yarrowia lipolytica from crude glycerol // Fermentation. 2022. Vol. 8. No. 12. P. 700. doi: 10.3390/fermentation8120700

24. Acharyya P. P., Sarma M., Kashyap A. Recent advances in synthesis and bioengineering of bacterial nanocellulose composite films for green, active and intelligent food packaging // Cellulose. 2024. Vol. 31. No. 12. P. 7163–7187. doi: 10.1007/s10570-024-06023-3

25. Афанасьев В. Н., Максимов Д. А., Афанасьев А. В. Определение конструктивных параметров биореактора барабанного типа // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2000. № 71. С. 148–155. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_22563476_62169625.pdf (дата обращения: 11. 03. 2025).

26. Mitchell D. A., Berovič M., Krieger N. Solid-state fermentation bioreactors: fundamentals of design and operation. Heidelberg: Springer Berlin, 2006. 448 p. doi: 10.1007/3-540-31286-2

27. Larroche C., Ángeles Sanromán M., Du G., Pandey A. Current developments in biotechnology and bioengineering: Bioprocesses, bioreactors and controls. Amsterdam: Elsevier; 2017. 821 p. [Electronic resource]. URL: https://www.academia.edu/32420126/CurrentDevelopments_in_Biotechnology_Bioengineering_pdf (accessed: 11. 03. 2025).

28. Hardin M. T., Howes T., Mitchell D. A. Mass transfer correlations for rotating drum bioreactors // Journal of biotechnology. 2002. Vol. 97. No. 1. P. 89–101. doi: 10.1016/S0168-1656(02)00059-7

29. Sevda S., Chauhan G. Solid waste management: Volume 2: Biological/Biochemical Approaches. Boca Raton: CRC press, 2024. 256 p. doi: 10.1201/9781003229919

30. Wang W., Ma Q., Zhang F., Tang Y., Wang J., Sun J. Changes in bioactive and volatile aroma compounds in vinegar fermented in a rotary drum bioreactor // Journal of Food Composition and Analysis. 2023. Vol. 121. P. 105345. doi: 10.1016/j.jfca.2023.105345

31. Gervasi T., Mandalari G. Valorization of agro-industrial orange peel by-products through fermentation strategies // Fermentation. 2024. Vol. 10. No. 5. P. 224. doi: 10.3390/fermentation10050224

32. El-Mansi E. M. T., Nielsen J., Mousdale D., Carlson R. P. Fermentation microbiology and biotechnology. Boca Raton: CRC press; 2018. 440 p. doi: 10.1201/9780429506987

33. Dabaghi S., Ataei S. A., Taheri A. Performance analysis of a laboratory scale rotating drum bioreactor for production of rhamnolipid in solid-state fermentation using an agro-industrial residue // Biomass conversion and biorefinery.2023. Vol. 13. No. 13. P. 11513–11520. doi: 10.1007/s13399-021-02113-5

34. Рогова Е. А., Алашкевич Ю. Д., Кожухов В. А., Лапин И. Р., Киселев Е. Г. Состояние и перспективы совершенствования способов получения и использования бактериальной целлюлозы (обзор) // Химия растительного сырья. 2022. № 4. С. 27–46. doi: 10.14258/jcprm.20220411373

35. Ju N., Wang S. S. Continuous production of itaconic acid by Aspergillus terreus immobilized in a porous disk bioreactor // Applied microbiology and biotechnology. 1986. Vol. 23. P. 311–314. doi: 10.1007/BF00257025

36. Sarkar S., Mukherjee J., Roy D. Antibiotic production by a marine isolate (MS 310) in an ultra-low-speed rotating disk bioreactor // Biotechnology and bioprocess engineering. 2009. Vol. 14. P. 775–780. doi: 10.1007/s12257-009-0126-8

37. Dermani R. K., Babaeipour V., Jabbari F., Khanchezar S. Design and development of a novel tray bioreactor for optimization of bacterial nano-cellulose production. [Electronic resource]. URL: https://www.researchsquare.com/article/rs-3822103/v1 (accessed: 11. 03. 2025).

38. Barrios-Nolasco A., Castillo-Araiza C. O., Huerta-Ochoa S., Reyes-Arreozola M. I., Buenrostro-Figueroa J. J., Prado-Barragán L. A. Evaluating the performance of Yarrowia lipolytica 2.2 ab in solid-state fermentation under bench-scale conditions in a packed-tray bioreactor // Fermentation. 2024. Vol. 10. No. 7. P. 344. doi: 10.3390/fermentation10070344

39. Mitchell D. A., von Meien O. F., Krieger N. Recent developments in modeling of solid-state fermentation: Heat and mass transfer in bioreactors // Biochemical engineering journal. 2003. Vol. 13. No. 2–3. P. 137–147.: doi: 10.1016/S1369-703X(02)00126-2

40. Tran D. P. H., You S. J., Bui X. T., Wang Y. F., Ramos A. Anaerobic membrane bioreactors for municipal wastewater: Progress in resource and energy recovery improvement approaches // Journal of environmental management. 2024. Vol. 366. P. 121855. doi: 10.1016/j.jenvman.2024.121855

41. Ngo H. H., Guo W., Surampalli R. Y., Zhang T. C. Green technologies for sustainable water management. Reston: American Society of Civil Engineers; 2016. 1083 p. doi: 10.1061/9780784414422.ch15

42. Han J., Xie N., Ju J., Zhang Y., Wang Y., Kang W. Developments of electrospinning technology in membrane bioreactor : A review // Chemosphere. 2024. Vol. 365. P. 143091. doi: 10.1016/j.chemosphere.2024.143091

43. Трухина М. Г., Пельменёва Н. Д. Мембранные биореакторы: опыт применения в зарубежных странах // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2022. T. 12. № 2 (41). С. 224–231. doi: 10.21285/2227-2917-2022-2-224-231

44. Зидан О. Д. Использование мембранного биореактора как эффективного оборудования в пищевой промышленности. International conference on globalization, enterprises, management and economic development, Seattle, 20 января 2021 года, Seattle: Seattle, 2021. С. 79–85. [Электронный ресурс]. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=44605358 (дата обращения: 11. 03. 2025).

45. Xiao K., Liang S., Wang X., Chen C., Huang X. Current state and challenges of full-scale membrane bioreactor applications : A critical review // Bioresource technology. 2019. Vol. 271. P. 473–481. doi: 10.1016/j.biortech.2018.09.061

46. Ge C., Selvaganapathy P. R., Geng F. Advancing our understanding of bioreactors for industrial-sized cell culture: Health care and cellular agriculture implications // American journal of physiology-cell physiology. 2023. Vol. 325. No. 3. P. 580–591. doi: 10.1152/ajpcell.00408.2022

47. Супотницкий М. В., Елапов А. А., Меркулов В. А., Борисевич И. В., Климов В. И., Миронов А. Н. Технологические процессы, используемые при производстве биомедицинских клеточных продуктов, оценка их качества и стандартизация // Новости медицины и фармации. 2015. № 16. С. 24–28. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_25654502_61819436.pdf (дата обращения: 11. 03. 2025).

48. Menshutina N. V., Guseva E. V., Safarov R. R., Boudrant J. Modelling of hollow fiber membrane bioreactor for mammalian cell cultivation using computational hydrodynamics // Bioprocess and biosystems engineering. 2020. Vol. 43. P. 549–567. doi: 10.1007/s00449-019-02249-9

49. Tian Y., Wang Z., Wang L. Hollow fibers: from fabrication to applications // Chemical communications. 2021. Vol. 57. No. 73. P. 9166–9177. doi: 10.1039/D1CC02991F

50. Stanbury P. F., Whitaker A., Hall S. J. Principles of fermentation technology. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2016. 824 p. [Electronic resource]. URL: https://shop.elsevier.com/books/principles-of-fermentation-technology/stanbury/978-0-08-099953-1 (accessed: 11. 03. 2025).

51. Townsend T.G. Landfill bioreactor design & operation. London: Routledge, 2018. 208 p. doi: 10.1201/9780203749555

52. Pasini A., Lovecchio J., Ferretti G., Giordano E. Medium perfusion flow improves osteogenic commitment of human stromal cells // Stem cells international. 2019. T. 2019. No. 1. P. 1304194. doi: 10.1155/2019/1304194

53. Spier R. E., Griffiths J. B., Berthold W. Animal cell technology: Products of today, prospects for tomorrow. Amsterdam: Elsevier; 2013. 852 p. [Electronic resource]. URL: https://books.google.ru/books?id=3xLLBAAAQBAJ&lr=&hl=ru&source=gbs_navlinks_s (accessed:: 11. 03. 2025).

54. Pörtner R. Animal cell biotechnology: Methods and protocols, Fourth edition. New York: Humana New York; 2020. 399 p. doi: 10.1007/978-1-0716-0191-4

55. Khoobkar Z., Shariati F. P., Safekordi A. A., Amrei H. D. Performance assessment of a novel pyramid photobioreactor for cultivation of microalgae using external and internal light sources // Food technology and biotechnology. 2019. Vol. 57. No. 1. P. 68. doi: 10.17113/ftb.57.01.19.5702

56. Brooks R., Connolly A., Pusitdhikul C., Niranjan A., White I., Treanor C., Reid T. W., Young M., Isoko K., Ramic S., Marshall-Andrews I., Lewis D., Doonan R. Toroidal bioreactor: Modeling, designing, and building a novel bioreactor for continuous culture. [Electronic resource]. URL: https://2022.igem.wiki/sheffield/hardware (accessed: 11. 03. 2025).

57. Chu C. Y., Lo H., Wang Z. F. Hydrodynamic properties in a hydrogen production fermenter using sugary wastewater // International journal of hydrogen energy. 2016. Vol. 41. No. 7. P. 4455–4465. doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.11.020

58. Kilonzo P. M., Margaritis A. The effects of non-Newtonian fermentation broth viscosity and small bubble segregation on oxygen mass transfer in gas-lift bioreactors : A critical review // Biochemical engineering journal. 2004. Vol. 17. No. 1. P. 27–40. doi: 10.1016/S1369-703X(03)00121-9

59. Ruthwek N., Sengar R. S., Chaudhary R., Rani V., Gupta S. A review: Types of bioreactors and its application for sustainable environment // Biotech Today. 2021. Vol. 11. No. 2. P. 78–86. doi: 10.5958/2322-0996.2021.00017.X