Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne · 2014-12-02 · Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne...

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne

Rodzaje przemysłowych procesów fermentacyjnych

- procesy, w których produktem jest biomasa

- procesy, w których produktem jest białko, najczęściejenzym

- procesy, w których produktem jest metabolit (biosynteza)

- procesy, których celem jest przekształcenie związku dodanego do mieszaniny fermentacyjnej (biotransformacja)

- procesy mikrobiologicznej degradacji makromolekuł(biodegradacja)

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot:

TECHNOLOGIA CHEMICZNAPodstawy Biotechnologii

Rodzaje bioprocesów

Biosynteza

Biotransformacja

Biohydroliza

Fermentacja

Bioługowanie

Biodegradacja

Blokowy schemat technologiczny procesu biosyntezy mikrobiologicznej

Cechy charakterystyczne procesu biotechnologicznegotrzy wyraźne fazy:

przygotowanie produkcji (upstream processing)

właściwa fermentacja

obróbka poprodukcyjna (downstream processing)

• przygotowanie produkcji odbywa się w warunkach laboratoryjnych

• konieczność kilkukrotnego powiększania skali

• konieczność utrzymania i przechowywania szczepów produkcyjnych

• konieczność zapewnienia warunków aseptycznych

• konieczność rygorystycznej kontroli parametrów fermentacji

Sposoby prowadzenia procesów biotechnologicznych

A – proces okresowy; B – proces okresowy z zasilaniem; C – proces ciągły w układzie homogenicznym;D – proces ciągły homogeniczny z częściową recyrkulacją ; E – proces ciągły dwustopniowy; F – procesciągły heterogeniczny w reaktorze z przepływem tłokowym; G – proces ciągły heterogeniczny z częściowąrecyrkulacją; H – proces ciągły dwustopniowy w układzie mieszanym; I – proces z odprowadzeniem produktu metodą dializy; J – proces okresowy w kolumnie ze złożem biokatalizatora, z recyrkulacją cieczy;K – proces ciągły w kolumnie ze złożem biokatalizatora; L – proces jak w K, z częściową recyrkulacją

Sposoby prowadzenia procesów biotechnologicznychz wykorzystaniem drobnoustrojówHodowle w podłożach ciekłych: wgłębne lub powierzchniowe;

z unieruchomionym materiałem biologicznym

Hodowle w podłożach stałych (jedynie dla grzybów strzępkowych)

Procesy okresowe – prostota technologiczna, łatwość utrzymania warunków jałowych, odnawialność zaszczepki, ale konieczność powtarzaniaw każdym cyklu operacji przed- i poprocesowych, niska produkcyjność -m.in. produkcja enzymów i białek terapeutycznych.Hodowle wielokrotne – browarnictwo, produkcja octu

Procesy ciągłe – m.in. wytwarzanie białka paszowego, fermentacja alkoholowa,fermentacja octanowa, oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego

Procesy okresowe z zasilaniem – namnażanie drożdży w celu produkcji SCP,produkcja antybiotyków, witamin, aminokwasów. Szczególne zastosowanie –nietypowe źródła węgla.

Hodowla okresowa (ang. batch culture) – system zamknięty

Q – natężenie dopływupożywki

X – gęstość komórekS – stężenie składników

odżywczych

Bilans biomasy

µ- szybkość wzrostuα - szybkość obumieraniaXX

dtdX αµ −=

µ jest funkcją stężenia substratu limitującego wzrost

Zakładając α ≈ 0, r-nie upraszcza się do postaci:

XdtdX µ=

Hodowla okresowa z zasilaniem (ang. fed batch culture)

odżywczych

Bilans biomasyBiomasa akumulowana = biomasa dopływająca + przyrost biomasy – komórki martwe

XVXVQX

dtVXd αµ −+= 0)( µ- szybkość wzrostu

α - szybkość obumierania

Zakładając α ≈ 0 i brak zasilania biomasą, r-nie upraszcza się do postaci:

VXdtVXd µ=

Hodowla ciągła (ang. continuous culture)

odżywczych

Biomasa akumulowana = biomasa dopływająca + przyrost biomasy –biomasa usuwana – komórki martwe

µ- szybkość wzrostuα - szybkość obumieraniaX

dtdX αµ −−+= 0

Wprowadzając: D = Q/V – szybkość rozcieńczania, zakładając α ≈ 0i brak zasilania biomasą, r-nie upraszcza się do postaci:

−= µ

Hodowla ciągła z recyrkulacją biomasy (Chemostat)

Bilans biomasyBiomasa akumulowana = biomasa dopływająca + przyrost biomasy –

biomasa usuwana – komórki martwe

odżywczychγ - współczynnik recyklingu C – współczynnik zatężenia biomasy zawracanej

dtdX αγµγ

−++=)1(0

µ- szybkość wzrostuα - szybkość obumierania

0=dtdX

Wprowadzając: D = Q/V – szybkość rozcieńczania, zakładając α ≈ 0i brak zasilania biomasą oraz uzyskanie stanu równowagi, czyli otrzymujemy:

µ = D(1 + γ - γC)

BIOTECHNOLOGICZNE PROCESY CIĄGŁE

Zalety:

1. Wyeliminowanie wpływu czasu hodowli na zmiany warunków w pożywce i fizjologię drobnoustrojów

2. Możliwość prowadzenia hodowli dowolnie długo w ustalonych, optymalnych warunkach3. Możliwość regulacji stanu fizjologicznego komórek przez dobór zasilania

i składu podłoża zasilającego hodowlę4. Jednorodność fizyczna i chemiczna hodowli5. Możliwość automatyzacji procesu6. Większa szybkość i wydajność wielu procesów7. Możliwość maksymalnego wykorzystania aparatury i jej równomiernego obciążenia

1. Możliwość degeneracji szczepów lub pojawienia się niekorzystnych mutacji i opanowaniahodowli przez populacje komórek o pogorszonych właściwościach produkcyjnych

2. Trudności w utrzymaniu warunków aseptycznych procesu w bioreaktorze przez dłuższy czas

3. Niekorzystny sposób rozwoju niektórych drobnoustrojów, tworzących układy wielokomórkowe, skupiska w postaci kłaczków i kuleczek, obrastanie przewodów

4. Niekorzystna relacja pomiędzy wzrostem drobnoustrojów, a tworzeniem niektórych produktów metabolizmu syntezowanych przez komórki nie rosnące

Porównanie profili wzrostu drobnoustrojów i produkcji antybiotyku w warunkachhodowli okresowej i hodowli okresowej z zasilaniem

Podstawowe typy bioreaktorów do tlenowych procesów wgłębnych

A – bioreaktor z mieszadłem tarczowo-turbinowym i bełkotką; B – bioreaktor z mieszadłem aeratorem;C – bioreaktor strumienicowy z pompą zewnętrzną i eżektorowym zasysaniem powietrza; D – bioreaktorkolumnowy z bełkotką; E – bioreaktor kolumnowy z inżektorowym doprowadzeniem powietrza i rurącyrkulacyjną; F – bioreaktor z mieszadłem śmigłowym, dyszą doprowadzającą powietrze i rurą cyrkulacyjnąG – bioreaktor z hydrostatyczną cyrkulacją zewnętrzną

BIOREAKTORY

Bioreaktory przemysłowe Bioreaktor laboratoryjny

Bioreaktor(1) korpus; (2) płaszcz; (3) izolacja; (4) zamocowanie; (5) króciec do podawania inokulum; (6) króćce czujników pH, temperatury i poziomu tlenu; (7) mieszadło;(8) bełkotka; (9) uszczelka mechaniczna; (10) sprzęgło;

(11) napęd; (12) króciec odbioru produktu; (13) króćce doprowadzenia czynnika chłodzącego do płaszcza; (14) króciec do poboru próbki z podłączeniem do przewodu dostarczającego parę; (15) wziernik boczny; (16) króćce przewodów podawania czynników regulujących pH oraz środków antypieniących; (17) króciec wlotu powietrza; (18) pokrywa; (19) króciec dopływu pożywki; (20) dysza wylotowa gazów; (21) inne podłączenia; (22) mechaniczny rozbijacz piany; (23) wziernik w pokrywie i podłączenie do przewodu odprowadzającego parę; (24) dysza z zaworem bezpieczeństwa.

Rodzaje mieszadeł mechanicznych stosowanych w biofermentorach:a/ turbina Rushtona; b/ turbina z łopatkami wklęsłymi;c/ turbina hydropłatowa; d/ turbina typu śruby okrętowej

PROBLEMY ZWIĄZANE Z PIENIENIEM

1. Wzrost heterogeniczności środowiska spowodowany wynoszeniem stałych części podłoża i komórek wraz z pianą i osadzaniem ich na ścianach lub innych elementach bioreaktora

2. Utrudnienie lub wręcz uniemożliwienie kontroli stężenia składników podłoża oraz objętości hodowli, co jest szczególnie niekorzystne w przypadku procesu ciągłego

3. Zagrożenie wypienienia hodowli z bioreaktora oraz możliwość jego zainfekowania obcą mikroflorą przez zawilgocony pianą układ wentylacyjny

4. Obniżenie pojemności użytkowej bioreaktora o 30-50%5. Konieczność stosowania oprzyrządowania przeciwdziałającego pienieniu,

co podraża proces6. Możliwość przechodzenia śladowych ilości substancji przeciwpianowych

do produktów7. Możliwość pogarszania się warunków natlenienia na skutek wprowadzania

środków przeciwpianowych8. Możliwość niekorzystnego wpływu środków przeciwpianowych

na morfologię i fizjologię drobnoustrojów

Urządzenia do mechanicznego rozbijania piany

A – dysk szybkoobrotowy (1 – wylot powietrza, 2 – doprowadzenie chemicznego środka przeciwpianowego); B – mieszadło łapowe pomiędzy dwoma dyskami; C – fundafom CHEMAP(1 – zasysanie piany, 2 – wylot powietrza, 3 – wyrzut cieczy); D –cyklon (1 – pompa, 2 - wylot powietrza)

Rozwiązania techniczne bioreaktora typu air-lift

Kontrola procesów biotechnologicznych

Wielkości fizyczne mierzone w bioreaktorach

Temperatura czujniki opornościowe, termistory, termoparyNatężenie przepływu powietrza kryzy pomiarowe, rotametryNatężenie przepływu cieczy j.w., przepływomierze łopatkowePoziom cieczy czujniki pojemnościowe, oporowePoziom piany czujniki pojemnościoweCiśnienie przetworniki membranoweSzybkość obrotów mieszadła czujniki elektryczne lub optyczneLepkość płynu reometry śrubowe, rotacyjne

Wielkości chemiczne mierzone w bioreaktorach

Stężenie rozpuszczonego tlenu elektrody polarograficzne lub galwanicznepH elektrody pH-metrycznePotencjał redoks elektrody platynoweStężenie tlenu w gazach analizatory paramagnetyczneStężenie CO2 w gazach analizatory IRGęstość biomasy czujniki nefelometryczne, fluorymetryczneStężenie cukrów elektrody enzymatyczneSkład roztworu elektrody jonoselektywne, enzymatyczne

Schemat dodatkowych urządzeń kontrolnych bioreaktora

biomasa – czujnik optycznyfluorescencja - czujnik fluorescencyjnypiana – detektor pianyFFF – rozdzielanie w polu przepływuFIA – iniekcyjny analizatorprzepływuGC- chromatograf gazowyHPLC – wysokosprawny chromatograf cieczowyMS – spektrometr masredoks – czujnik potencjału redoksW – masa∆T – różnica temperaturymiędzy zawiesiną hodowlanąi płaszczem wodnym

Standardowe zmienne bioprocesowe

F – objętościowe natężenie przepływuzasilania; p – ciśnienie; pH – wartość pHcieczy; pO2 – prężność cząstkowa tlenurozpuszczonego; P – moc pobierana napędu mieszadła; rpm – częstotliwośćobrotów mieszadła; T – temperatura cieczy; vvm- szybkość napowietrzania;VL – objętość cieczy; W – masa reaktora

Schemat układu pomiarowego i sterującego bioreaktora

Schematy wybranych bioreaktorów do procesów z biokatalizatoramiimmobilizowanymi

A – kolumna ze złożem upakowanym; B – kolumna ze złożem zraszanym; C – kolumna ze złożem fluidalnym;D – bioreaktor z mieszadłem mechanicznym; E – bioreaktor z wkładami unieruchomionego biokatalizatora;F – bioreaktor z krzyżowym przepływem fazy ciekłej i gazowej; G – bioreaktor rurowy z wkładami (włóknami)z materiału półprzepuszczalnego

Sposoby sterylizacji

- jałowienie termiczne parą wodną – podłoża, biofermentory, rury, zawory

-- sterylizacja chemiczna lub fizyczna (tlenek etylenu, lizol, chloraminy, UV)pomieszczenia

- sterylizacja przez filtrację (filtry membranowe) – powietrze, tlen

Metody wyjaławiania podłoża

A – okresowa; B- ciągła przeponowa, wymienniki płytowe; C – ciągła bezprzeponowa1- inżektor parowy, 2 – rura sterylizacyjna, 3 – komora „próżniowa”

Sterylizacja podłoża z użyciem wymienników spiralnych

Instalacja do sterylizacji gazów odlotowych

Schemat postępowania podczas przygotowania materiału posiewowego do procesu biosyntezy

Przemysłowymi producentami antybiotyków są szczepy wysokowydajne

Cechy szczepu wysokowydajnego

maksymalna wydajność pożądanego produktu

minimalizacja wytwarzania niepożądanych produktów ubocznych

stabilność genetyczna

odporność na zakażenia wirusowe

Przykład wyniku optymalizacji szczepu:Penicillium chrysogenum wytwarzający Penicylinę G

oryginalny szczep producencki 0.1 mg/ml- szczep zoptymalizowany 30 mg/ml

Schemat namnażania inokulum do procesu biosyntezy

Namnażanie zaszczepki

Dane dotyczą wytwarzania sagamycyny przez Micromonospora sagamiensis

Trójstopniowa instalacja przemysłowa do namnażania zaszczepki

Parametry przykładowego procesu fermentacyjnego

Porównanie składów pożywek dla fazy wzrostu i fazy produkcyjnej

Biofermentor produkcyjny

Glukoza 0,5 – 0,8 %Skrobia 3 – 5%WNK 5 – 8%Mąka sojowa 1 – 5%Siarczan amonu 0,5 – 1%

+ uzup. periodyczneFosforan 0,1 – 1,0%Olej roślinny 1% + uzup. stałeSyrop kukurydziany zasilanie stałe

Zaszczepka w kolbie

Glukoza 3 – 5 %WNK 3 – 5%Węglan wapnia 0,5 – 1 %Fosforan 0,1 – 0,5%Siarczan amonu 0,1 – 1,0%Mocznik 0,1 – 0,5%Olej roślinny 0,1 – 0,5%

Różnice warunków hodowli w kolbie i w fermentorze

Hodowla w kolbie Hodowla w biofermentorze

10 – 50 ml w kolbie 100 - 500 ml objętości 10 – 100 000 litrów

tylko hodowla okresowa hodowle okresowe, okresowe z zasilaniem, chemostat, ciągłe

możliwość kontroli T, brak kontroli O2 kontrola temperatury, pH, poziomu O2

wysokie początkowe stężenia możliwość stopniowanego dodawaniasubstratów, prekursorów, induktorów

ciśnienie normalne możliwe nadciśnienie do 2 atn

utrudnione pobieranie próbek łatwość pobierania próbek

zmniejszanie objętości hodowli możliwość zwiększania objętości

wzrost drobnoustrojów na ściankach wzrost jednorodny

brak problemów z pienieniem konieczność stosowania antypieniaczy

Sterylne stanowisko pracy z zastosowaniemlaminarnego przepływu powietrza1 – komora; 2 – filtr wstępny; 3 – filtr HEPA4 – wentylator; 5 – regulacja tyrystorowa; 6 - wskaźniki

Budowa aseptycznej jednostki pracyI – obszar niesterylny; II – obszar czysty;III – obszar sterylnyak – autoklaw w ścianie z podwójnymidrzwiami jako śluza materiałowaszare prostokąty – śluzy powietrzne

OBRÓBKA POPRODUKCYJNA – DOWNSTREAM PROCESSINGFermentacja

brzeczka pofermentacyjna

Dezintegracja

Separacja ciecz/składniki nierozpuszczalne

Zatężenie

Oczyszczanie

Formulacja

odpady

roztwór

produkt surowy

produkt oczyszczony

produkt w formie ostatecznej

zagospodarowanieodpadów

OBRÓBKA POPRODUKCYJNA – DOWNSTREAM PROCESSING

0,25 – 5 obr/min

powierzchniafiltracji2 – 10 m2

Obrotowy filtr bębnowy próżniowy – rotary drum vacuum filter

Prasa filtracyjna

Powierzchnia filtracyjna od 100 do 15 000 cm2 na płytę

OBRÓBKA POPRODUKCYJNA – DOWNSTREAM PROCESSING

Wirówki wykorzystywane w przemysłowych procesachseparacji zawiesin pofermentacyjnych

a) kalander rurowy

b) c) wirówka talerzowa;30 – 200 talerzy pod kątem około 40°

d) wirówka ślimakowado bardzo gęstych zawiesin

Przemysłowe metody dezintegracji komórek

A. Metody mechaniczne

1. Poddawanie działaniu wysokiego ciśnienia2. Ucieranie (młyny kulowe)3. Mikrofluidyzacja

B. Metody niemechaniczne

1. Suszenie/zawieszanie w roztworze2. Szok osmotyczny3. Szok termiczny4. Traktowanie rozpuszczalnikami organicznymi lub surfaktantami5. Zastosowanie enzymów litycznych

Przemysłowe metody zagęszczania roztworów

1. Odparowywanie, w tym: odparowywanie ze spływającą warstwą,odparowywanie płytowe

2. Ekstrakcja ciecz/ciecz- prosta- dysocjatywna- reakcyjna

3. Wytrącanie- frakcjonowanie siarczanem amonu- wytrącanie powinowactwa- immunoprecypitacja

3. Adsorpcja- na węglu aktywnym- na żywicach jonowymiennych- na adsorbentach hydrofobowychmetoda złoża fluidalnego w kolumnie – proces ciągły

Ekstrakcja płynem w stanie nadkrytycznym

Diagram fazowy pojedynczej substancjiPc – ciśnienie krytyczne; Tc – temperatura krytyczna

Zestaw do ultrafiltracji spiralnej

Zasada działania hollow fibre filtration

Przemysłowe techniki chromatograficzne

Stosowane głównie dla oczyszczania białek i DNA

Techniki:

- Chromatografia rozmiarów wykluczających (Sephadex, Sepharose)- Chromatografia jonowymienna (DEAE-, Q-, CM-, S)- Chromatografia hydrofobowa (Phenyl-Sepharose)- Chromatografia adsorpcyjna (hydroksyapatyt)- Chromatografia powinowactwa

Metody formulacji produktuLiofilizatory - krystalizacja

- suszenie- liofilizacja

Suszarka z wymuszonym obiegiem powietrza

Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne · 2014-12-02 · Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne...

Documents

Transcript of Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne · 2014-12-02 · Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne...

„Migracje zagraniczne a procesy rynku pracy – przypadek ... · Migracje zagraniczne a procesy rynku pracy przypadek MIGRACJE ZAGRANICZNE A PROCESY RYNKU PRACY – PRZYPADEK LUBELSZCZYZNY

Procesy Przeróbki Plastycznej - Jan Sińczak

Wyk³ady z Fizyki 04 - viXra · Wykład 8 dr Zbigniew Osiak Rysunki wykonała Małgorzata Osiak. Plan wykładu ... •Reakcja chemiczna 127 •Procesy termodynamicznie sprzężone

PROCESY TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

Świętokrzyskie Biuro Rozwoju Regionalnego w Kielcach Biuro ... · PO KL przyczyniające się do wsparcia dla ... 9 pracowników naukowych jednostek naukowych ... biotechnologiczne

Wykład 4 - Glymbol - Inżynieria Środowiska · Denudacja - to procesy niszczące powodujące wyrównywanie i stopniowe obniżanie powierzchni Ziemi. Obejmuje: wietrzenie, erozję,

Procesy litodynamiczne w strefie przyboju

ROŚLINNE ZWIĄZKI BARWNE ICH WŁAŚCIWOŚCI … · W pracy opisano występowanie, biosyntezę, budowę chemiczną, właściwości farmakologiczne, zastosowanie oraz biotechnologiczne

Procesy informacyjne zarządzania

Wykład 7 – procesy membranowe‚ad... · 2017-11-20 · Wykład 7 – procesy membranowe WYDZIAŁ CHEMICZNY Donata Konopacka-Łyskawa Schemat procesu membranowego Nadawa (surówka)

Materiał do użytku wewnętrznego dla studentów PWSZ w Głogowiehermaszewski.glogow.pl/wp-content/uploads/2011/09/Wykład-13... · Przywództwo i procesy oddziaływania na pracowników

Procesy krasowe

Procesy biznesowe

Procesy transformacji w ChRL

Procesy digitalizacji dziedzictwa

Procesy i zarządzanie procesami

Biotechnologiczne metody wytwarzania chemikaliów „Czyste” technologie

procesy stoch-2005

Wykład 11 Procesy geodezyjno-prawne związane z geodezyjną ...

Procesy suburbanizacji obszarów podmiejskich Krakowa