Procesy bioinżynieryjne

w biotechnologii

Wykorzystane w wykładzie schematy, rysunki i zdjęcia

pochodzą z:

- Podręcznik „Biotechnologia żywności” pod redakcją W.

Bednarskiego i A. Repsa

- Podręcznika „ Biotechnologia farmaceutyczna; Podstawy

mikrobiologiczne i biochemiczne” autorstwa A. Chmiela

- Ze stron internetowych - http://www.nyu.edu/projects/xdesign/biotechhobbyist/skin.html,http://www.pakissan.com/english/

allabout/horticulture/vegetables/mashroom/gene.transfer.technology.for.mushrooms.shtml, http://www.ibwch.lodz.pl/pliki/IBWCh_(m0e3dijltdkdwpi0).jpg,

http://people.clarkson.edu/~wwilcox/Design/reactbio.pdf

- http://biotechnologia.pl/produkty/aparatura/bioreaktory-laboratoryjne-i-w-skali-pilotazowej-kontrola-

biotechnologicznych-i-innych-procesow-przemyslowych

* Oznacza cytat - przypomnienie z wykładów z

biotechnologii farmaceutycznej

Podstawowym zadaniem w biotechnologii

jest osiągnięcie w optymalnych warunkach

i przy minimalnych nakładach założonego

celu

*

Operacje jednostkowe o charakterze

fizycznym w przemysłowych ciągach

technologicznych

• Dynamiczne (mechaniczne) np. mieszanie

• Cieplne np. ogrzewanie

• Dyfuzyjne np. napowietrzanie

W zależności od liczby zabiegów:

• Operacje technologiczne proste (jednozabiegowe)

• Operacje technologiczne złożone (wielozabiegowe)

*

Procesy

up-stream

Procesy

down-stream

Bioreaktory

Kryteria podziału i typy bioreaktorów

Duża liczba rozwiązań konstrukcyjnych bioreaktorów -

efekt optymalizacji warunków przebiegu procesu.

Zastosowane rozwiązanie zależy od (m. in)

-typu procesu

-rodzaju biokatalizatora

-rodzaju podłoża

-właściwości produktu końcowego

-zapotrzebowania na tlen

Schemat ideowy podstawowego typu (????) bioreaktora:

1- regulacja pH

2- dopływ pożywki

3 - wał z napędem

4 - dodatek środka odpieniającego

5 - odpowietrzanie, 6 -odbojnik

7 - mieszadło

8 - probieranie próbek

9 - dopływ wody chłodzącej

10 - dopływ sprężonego powietrza

lub gazu

11- dyspergator powietrza (gazu)

12 -zawór do opróżniania fermentora

13 - płaszcz chłodzący

14 - odpływ wody chłodzącej

15 - analizator stężenia CO2

16 - analizator zawartości O2

*

Kryteria podziału

1. Sposób prowadzenia procesu

Kryteria podziału i typy bioreaktorów c.d.

Typy bioreaktorów •bioreaktory do procesów okresowych

•bioreaktory do procesów ciągłych

•bioreaktory z zawracaniem lub zatrzymaniem biofazy

d) układ do fermentacji półciągłej - wypływ po osiągnięciu odpowiedniego stężenia biomasy lub osiągnięcia odpowiedniego poziomu cieczy,

e) układ do fermentacji metodą ciągłą - wypływ ciągły

a) bioreaktor

pracujący

okresowo,

b) bioreaktor

pracujący

okresowo z

okresowym

zasilaniem

c) bioreaktor

pracujący

okresowo z

okresowo

powtarzalnym

zasilaniem

*

Proces okresowy lub z zasilaniem

http://www.ibwch.lodz.pl/pliki/IBWCh

Fermentacja ciągła

Rozwiązania bioprocesów ciągłych różniące się sposobem postępowania z

nagromadzoną biomasą

• System bioreaktorów otwartych – mikroorganizmy są wydzielane wraz z płynem pohodowlanym

• Systemy zamknięte – mikroorganizmy są zatrzymywane wewnątrz bioreaktora

System bioreaktorów otwartych – mikroorganizmy są wydzielane wraz

z płynem pohodowlanym

Systemy zamknięte – mikroorganizmy są zatrzymywane wewnątrz

bioreaktora

Bioreaktory membranowe

Bioreaktor membranowy firmy Bioengineering a – doprowadzenie pożywki, b - czujnik pH, c - wypływ, d - czujnik pO2, e - króciec do poboru aseptycznego

prób, f- separator piany, g - wylot powietrza, h - wlot powietrza, i - membrana (dializująca lub inna

specyficzna), Bw- reaktor wewnętrzny, Bz - reaktor zewnętrzny, m - folia.

Bioreaktor membranowy obrotowy (do badań wpływu mikrograwitacji na wzrost komórek i tkanek - wg opisu NASA); a - współosiowy dopływ pożywki (skład kontrolowany on line), b - odpływ pożywki (skład kontrolowany on line) c - przestrzeń namnażania komórek na zawieszonych mikrosferach

(hodowla kontrolowana on line), d - wał obrotowy perforowany, e - membrana (filtr), f- koło zębate napędu bioreaktora (z możliwością zmiany szybkości

obrotów)

Kryteria podziału

2. Rodzaj

biokatalizatora

Typy bioreaktorów • bioreaktory do klasycznych

procesów mikrobiologicznych

• bioreaktory do hodowli komórek organizmów wyższych w zawiesinie

• bioreaktory do hodowli komórek organizmów wyższych na nośniku

• bioreaktory do procesów enzymatycznych w roztworze

• bioreaktory do procesów z użyciem biokatalizatorów unieruchomionych

Bioreaktory do procesów z biokatalizatorami unieruchomionymi A- złoże upakowane

B - złoże zraszane C - złoże fluidalne D - bioreaktor z mieszadłem mech. E - bioreaktor z wkładami unieruchomionego biokatalizatora, F - bioreaktor z krzyżowym przepływem fazy ciekłej i gazowej, G - bioreaktor rurowy z wkładami (włóknami) zmateriału półprzepuszczalnego

1 -doprowadzenie substratów, 2 -odbiór produktów, 3 -biokatalizator, 4 - doprowadzenie powietrza, 5 - odprowadzenie gazów wylotowych, 6 -przegrody, 7- membrana półprzepuszczalna

Kryteria podziału

3.

Warunki hodowli

drobnoustrojów

lub komórek

Typy bioreaktorów

• bioreaktory do hodowli na

powierzchni podłoża

• bioreaktory z nośnikiem stałym

• bioreaktory do hodowli wgłębnej

Kryteria podziału

4.

Warunki tlenowe

Typy bioreaktorów • bioreaktory do procesów beztlenowych

• bioreaktory do procesów tlenowych

Kryteria podziału

5.

Warunki i sposoby

mieszania

Typy bioreaktorów

1. Bioreaktory bez wymuszonego mieszania

(występuje mieszanie na poziomie

molekularnym wywołane dyfuzją,

konwekcją, unoszeniem pęcherzyków

wydzielającego się gazu: CO2, metanu)

2. Bioreaktory z wymuszonym mieszaniem

2.1. bioreaktory z mieszadłem mechanicznym

2.2. bioreaktory bezmieszadłowe

- kolby wstrząsowe

- mieszanie strumieniem pęcherzyków

powietrza

- mieszanie strumieniem przepompowywanej

(recyrkulującej) cieczy

3. Układy łączone

Kryteria podziału

4.

Sposób

doprowadzenia

energii na

mieszanie

Typy bioreaktorów

• mieszadłem mechanicznym przez

fazę ciekłą

• pompą przez fazę ciekłą

• poprzez fazę gazową (sprężonym

powietrzem)

• sposoby łączone

Mieszanie – jednostkowy

proces dynamiczny

Cele: •ujednolicenie układu

•intensyfikacja wymiany masy

•dyspergacja gazu

•intensyfikacja przebiegu reakcji

•utrzymanie rozwiniętej powierzchni w układach wielofazowych

•łamanie piany

Schemat podstawowych rozwiązań cyrkulacji pożywki w fermentorach

a) obieg cieczy wymuszony przez gaz (pneumatyczny)

b) obieg pożywki wymuszony przez mieszadło (mechaniczny)

c) obieg pożywki wymuszony przez pompę (hydrauliczny)

A - mieszadło tarczowoturbinowe z płaskimi łopatkami B - mieszadło śmigłowe C - mieszadło samozasysające powietrze D - inżektor: 1- sprężone powietrze 2 — zasysana ciecz E - eżektor: 1 - wtłaczana ciecz 2 -zasysane powietrze

Systemy meszania

*

A,B- system

mechaniczny

C- system

hydrauliczny

D-G – system

pneumatyczny

Napowietrzanie – jednostkowy

proces dyfuzyjny Rozwiązania mają na celu osiągnięcie maksymalnego stężenia tlenu w podłożu.

Napowietrzanie powierzchniowe:

•dyfuzyjne nie wspomagane

•dyfuzyjne wspomagane

•przy użyciu aeratorów turbinowych

•przy użyciu szczotek napowietrzających

•na złożach z wypełnieniem

Napowietrzanie wgłębne:

•system napowietrzania dyfuzyjnego

•system napowietrzania turbinowego

•system zanurzeniowo-strumieniowy

•system cyrkulacyjno- ciśnieniowy

Ogrzewanie i chłodzenie –

jednostkowe procesy termiczne

Układ grzejno-chłodzący

do ogrzewania do chłodzenia

(sterylizacji) bioreaktora i pożywki

Najczęściej:

• Ogrzewanie/chłodzenie przeponowe (płaszcz, wężownice)

• Grzałki elektryczne

• Ogrzewanie barbotażowe parą wodną (sterylizacja)

• Chłodzenie natryskowe, wymiennik ciepła

Układ termostatowany

Systemy gaszenia (łamania)

piany

Pienienie

znaczenie pozytywne i negatywne

zwiększenie granicy faz,

intensyfikacja wymiany

masy

obniżenie pojemności użytkowej

bioreaktora utrudnia wymianę

ciepła, powoduje straty masy

Schemat systemów łamania piany

a) metodą mechaniczno-chemiczną przy użyciu szybkoobrotowego dysku (lub mieszadła łapowego umieszczonego miedzy dwoma dyskami) z dodatkiem środka niszczącego pianę,

b) przy użyciu ultradźwięków;

7 - sterownik elektroniczny, 2 - płytka generatora ultradźwięków z wibratorem piezoelektrycznym lub piezomagnetycznym,

Schemat systemów łamania piany c.d.

d) metodą mechaniczną przy użyciu obrotowego urządzenia - wirnika „fundafoam" firmy CHEMAP; 1 - zasysanie płynu, 2 - wylot powietrza, 3 - wyrzut cieczy,

e) metodą mechaniczną przy użyciu cyklonu; 1 - wlot piany, 2 - wylot powietrza, 3 - odpływ cieczy, 4 - pompa, 5 - cyklon

c) metodą mechaniczną Fringsa; 1 - przewód doprowadzający pianę, 2 - przewód odprowadzający gaz, 3 - przewód odprowadzający odpowietrzoną pożywkę, 4 - wirnik obrotowy poziomy,

Procesy wyjaławiania w biotechnologii farmaceutycznej

Dotyczy całości procesu.

Odnosi się do:

- pomieszczeń

- urządzeń

- operacji

- pożywki

- powietrza

Stosowane metody i środki:

-metody termiczne

wyjaławianie „na mokro”, gotowanie, pasteryzacja,

tyndalizacja, sterylizacja, stosowanie pary wodnej

pod ciśnieniem.

wyjaławianie „na sucho”, gorącym powietrzem, w

suszarkach, np. 150-180C przez 2h.

- metody mechaniczne

wyjaławianie cieczy i powietrza przez

mikrofiltrację membranową, filtrację przez ziemię

okrzemkową, filtry miliporowe (różne materiały)

- metody fizyczne

UV 240-280 nm, 2-3h, promienie jonizujące o

małej długości fali, ultradźwięki o częsości 0,2-20

MHz

- metody chemiczne (patrz tabela)

- metody kombinowane

Np. chemiczno-termiczne

Fermentor typu

Chemap

Fermentor Lubińskiego

Fermentor Vogelbuscha