Upload
doanlien
View
220
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1. Metody statyczne
(okresowe, ang. batch fermentation)
polegające na tym, że w czasie rozwoju
mikroorganizmów nie doprowadza się świeżych
substancji odżywczych i nie odprowadza się końcowych
produktów metabolizmu.
http://www.intechopen.com/books/biomass-now-sustainable-growth-and-use
http://www.biotek.com/resources/articles/chemical-biochemical-means-detect-alcohol.html
Wśród metod statycznych wyróżnia się
metody powierzchniowe realizowane w cienkiej
warstwie,
This image is a work of the National Institutes of Health, part of the United States Department of Health and Human Services. As a work of the U.S. federal government, the
image is in the public domain. http://www.nyu.edu/projects/xdesign/biotechhobbyist/skin.html
metody wgłębne które mogą przebiegać w warunkach tlenowych lub beztlenowych (najczęściej w obecności gazów obojętnych CO2, N2).
http://www.ibwch.lodz.pl/pliki/IBWCh_(m0e3dijltdkdwpi0).jpg
http://www.pakissan.com/english/allabout/horticulture/vegetables/mashroom/gene.transfer.technology.for.mushrooms.shtm
l http://www.fermentor.co.in/fermentor-bioreactor.html
Fazy wzrostu drobnoustrojów w hodowlach okresowych:
1 - faza inkubacyjna (przystosowawcza, lagfaza),
2 – faza zapoczątkowanego
wzrostu, 3 - faza logarytmicznego wzrostu (trofofaza), 4 - faza zahamowanego wzrostu, 5 - faza stacjonarna (idiofaza), 6 - faza letalna
2. Metody okresowe z zasilaniem
(ang. fed batch fermentation),
tzn. z okresowym lub ciągłym dozowaniem sterylnej
pożywki do fermentora, dzięki czemu uzyskuje się
zmniejszenie hamującego wpływu produktów
metabolizmu na rozwój drobnoustrojów
i zwiększony przyrost biomasy.
3. Metody okresowe z powtórnym zasilaniem
(ang. repeated-fed batch fermentation),
charakteryzujące się tym, że co pewien czas odbiera się
część pożywki wraz z nagromadzoną biomasą
drobnoustrojów i uzupełnia świeżą porcją pożywki,
utrzymując w fermentorze stałą jej objętość .
4. Półciągłe metody fermentacji
(ang. semicontinuous fermentation)
polegają na długotrwałym wykorzystaniu potencjału
biosyntetycznego drobnoustrojów przez okresowe
odbieranie części środowiska znajdującego się w
fermentorze i wprowadzenie równoważnej ilościowo
porcji świeżej pożywki
5. Metoda fermentacji ciągłej
(ang. continuous fermentation)
polegająca na stałym odbieraniu podłoża z
fermentora i stałym uzupełnianiu
(w równoważnej ilości, stała objętość) świeżą pożywką
http://people.clarkson.edu/~wwilcox/Design/reactbio.pdf
Schemat ideowy realizacji procesów fermentacyjnych:
d) układ do fermentacji półciągłej - wypływ podłoża po osiągnięciu odpowiedniego stężenia biomasy lub osiągnięcia odp. 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
Zalety procesów ciągłych
• wyeliminowanie wpływu czasu hodowli na zmiany warunków hodowli i fizjologię komórek,
• możliwość prowadzenia hodowli dowolnie
długo w ustalonych, najbardziej korzystnych warunkach,
• możliwość regulacji stanu fizjologicznego
komórek przez dobór szybkości zasilania i składu podłoża zasilającego hodowlę,
• stosunkowo duża jednorodność fizyczna i chemiczna hodowli,
• możliwość automatyzacji procesu,
• większa szybkość i wydajność wielu procesów,
• możliwość maksymalnego wykorzystania aparatury przy jednoczesnym równomiernym jej obciążaniu przez cały czas trwania procesu.
Wady procesów ciągłych
• degeneracja szczepów lub pojawienie się niekorzystnych mutacji i opanowanie hodowli przez populacje komórek o pogorszonych właściwościach produkcyjnych,
• trudności w utrzymaniu warunków aseptycznych procesu w bioreaktorze przez dłuższy czas,
• niekorzystny dla hodowli ciągłej sposób
rozwoju niektórych drobnoustrojów, tworzących układy wielokomórkowe, skupiska w postaci kłaczków i kuleczek, a także tendencja do obrastania przewodów i innych elementów bioreaktora,
• niekorzystna relacja pomiędzy wzrostem drobnoustrojów a tworzeniem niektórych produktów metabolizmu syntetyzowanych przez komórki nie rosnące,
• niedostateczna znajomość dynamicznych
właściwości drobnoustrojów w hodowli ciągłej.
Parametry procesu mikrobiologicznego
Charakterystyka materiału mikrobiologicznego 1. Ilość biomasy stężenie suchej masy, gęstość komórek (ogółem lub żywych), wilgotna biomasa lub jej objętość. gęstość optyczna: pomiar nefelometryczny 2. Morfologia komórek 3. Wiek komórek, struktura wieku komórek w
populacji 4. Potencjał metaboliczny (maksymalna aktywność
metaboliczna)
5. Stan fizjologiczny komórek: szybkość wzrostu, szybkość przyswajania substratu, szybkość tworzenia produktu, szybkość oddychania 6. Parametry molekularne komórek: - DNA/ RNA. białko ogółem, - poziom określonych enzymów, - stosunek NAD + /NADH, - potencjał energetyczny 7. Mutacje i zakażenia
Charakterystyka podłoża
(chemiczna i fizykochemiczna)
źródło węgla i energii
źródło azotu
źródło fosforu
inne związki mineralne i organiczne
prekursory
produkty
pH
potencjał redox
pO2
temperatura
ciśnienie,
lepkość,
piana,
pobór mocy,
objętość cieczy,
szybkość mieszania,
szybkość napowietrzania,
szybkość dozowania roztworów,
Warunki operacyjne (fizyczne)
Jak to wygląda w praktyce?
http://biotechnologia.pl/produkty/aparatura/bioreaktory-laboratoryjne-i-w-skali-pilotazowej-kontrola-biotechnologicznych-i-innych-procesow-przemyslowych
http://www.frings.com/PROREACT-B-Large-Scale.181+M5973b220f5b.0.html
Bioreactor line (30, 100, 1000 liters) for production of substances
Industrial process automation
Problemy do rozwiązania
• W której fazie rozwoju hodowli biosyntezowany jest idiolit?
• Czy w związku z tym opłacalne jest dodawanie do podłoża hodowlanego stymulatorów wzrostu szczepu?
• Czy opłacalne jest stosowanie prekursora biosyntezy idiolitu?
• Czy warto zmodyfikować metodę hodowli np. hodowlę okresową zastąpić hodowlą z dożywianiem lub półciągłą?
• Czy zastosowano właściwe źródło węgla?
• Jaki jest optymalny czas hodowli?
• Jaka jest szybkość (wydajność) wzrostu szczepu na zastosowanym podłożu?
Optymalizacja procesu biotechnologicznego
Optymalizacja szczepu
• mutageneza (?)
• fuzja i odnawianie
protoplastów
• metody i strategie
inżynierii genetycznej
Optymalizacja warunków procesu
•składu podłoża hodowlanego
składniki odżywcze, promotory
wzrostu, prekursory biosyntezy,
substancje pomocnicze i inne
•warunków fizycznych procesu
czas, temperatura, napowietrzanie
i inne
Optymalizacja procesu biotechnologicznego -metody
• Metoda OFAT (one factor at time)
010203040506070
Co
ba
lam
ine
in
m
yc
eli
um
(u
g g
-1)
Co2+ in medium (ug ml-1)
Wpływ stężenia kobaltu (II) na biosyntezę witaminy B12
Wpływ stężenia betainy na biosyntezę witaminy B12
0
5
10
15
20
0 1 2 3 4 5
Co
ba
lam
ine in
m
yc
eli
um
(u
g g
-1)
choline in medium (mg ml-1)
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6
Co
ba
lam
ine in
m
yc
eli
um
(u
g g
-1)
betain in medium (mg ml-1)
Wpływ stężenia betainy na biosyntezę witaminy B12
Co się stanie, jeżeli do podłoża wprowadzimy 30mg Co(II), 4 mg
betainy oraz 2 mg choliny?
Czy uzyskamy lepszy efekt?
Brak odpowiedzi !!!
Metody Powierzchni Odpowiedzi (RSM - Response Surface
Methodology) – uwzględniają interakcje pomiędzy czynnikami Metoda macierzy ortogonalnej, Centralny plan kompozycyjny (CCRD)
Metoda sieci neuronowych, inne
Wykresy powierzchni odpowiedzi i odpowiadające im wykresy warstwicowe. Na każdym wykresie uwidoczniony jest łączny wpływ dwóch zmiennych niezależnych na wydajność grzybni H. erinaceum;
pozostałe dwie zmienne niezależne przyjmują wartości odpowiadające ich punktom centralnym
Dane zamieszczone w tab oraz kształt krzywych na wykresach konturowych sugerują, że zarówno na wzrost grzybni, jak i na produkcję EPS znaczący wpływ miały silne interakcje występujące pomiędzy wyciągiem słodowym i WNK. Wzrost grzybni był w znacznym stopniu uzależniony od wzajemnych interakcji pomiędzy WNK i CaCl2, natomiast dla biosyntezy IPS najbardziej znaczący był łączny efekt oddziaływania WNK i CaCl2, WNK i MgSO4·7H2O, a także CaCl2 i MgSO4·7H2O.