Procesy bioinżynieryjne. w biotechnologii

Transkrypt

1 Procesy bioinżynieryjne w biotechnologii

2 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 - allabout/horticulture/vegetables/mashroom/gene.transfer.technology.for.mushrooms.shtml, * Oznacza cytat - przypomnienie z wykładów z biotechnologii farmaceutycznej

3 Podstawowym zadaniem w biotechnologii jest osiągnięcie w optymalnych warunkach i przy minimalnych nakładach założonego celu *

4 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)

5 * Procesy up-stream Procesy down-stream

6 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

7 * 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 CO analizator zawartości O 2

8 Kryteria podziału i typy bioreaktorów c.d. Kryteria podziału 1. Sposób prowadzenia procesu Typy bioreaktorów bioreaktory do procesów okresowych bioreaktory do procesów ciągłych bioreaktory z zawracaniem lub zatrzymaniem biofazy

9 a) bioreaktor pracujący okresowo, b) bioreaktor pracujący okresowo z okresowym zasilaniem c) bioreaktor pracujący okresowo z okresowo powtarzalnym zasilaniem d) układ do fermentacji półciągłej - wypływ po osiągnięciu odpowiedniego stężenia biomasy lub osiągnięcia odpowiedniego poziomu cieczy, e) układ do fermentacji metodą ciągłą - wypływ ciągły *

10 Proces okresowy lub z zasilaniem

11 Fermentacja ciągła

12 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

13 System bioreaktorów otwartych mikroorganizmy są wydzielane wraz z płynem pohodowlanym

14 Systemy zamknięte mikroorganizmy są zatrzymywane wewnątrz bioreaktora

15 Bioreaktory membranowe Bioreaktor membranowy firmy Bioengineering a doprowadzenie pożywki, b - czujnik ph, c - wypływ, d - czujnik po 2, 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.

16 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)

17 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

18 1 -doprowadzenie substratów, 2 -odbiór produktów, 3 -biokatalizator, 4 - doprowadzenie powietrza, 5 - odprowadzenie gazów wylotowych, 6 -przegrody, 7- membrana półprzepuszczalna 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

19 Kryteria podziału 3. Warunki hodowli drobnoustrojów lub komórek Typy bioreaktorów bioreaktory do hodowli na powierzchni podłoża bioreaktory z nośnikiem stałym bioreaktory do hodowli wgłębnej

20 Kryteria podziału Typy bioreaktorów 4. Warunki tlenowe bioreaktory do procesów beztlenowych bioreaktory do procesów tlenowych

21 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: CO 2, 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

22 Kryteria podziału Typy bioreaktorów 4. Sposób doprowadzenia energii na mieszanie mieszadłem mechanicznym przez fazę ciekłą pompą przez fazę ciekłą poprzez fazę gazową (sprężonym powietrzem) sposoby łączone

23 Mieszanie jednostkowy proces dynamiczny Cele: ujednolicenie układu intensyfikacja wymiany masy dyspergacja gazu intensyfikacja przebiegu reakcji utrzymanie rozwiniętej powierzchni w układach wielofazowych łamanie piany

24 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)

25 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

26 Systemy meszania * A,B- system mechaniczny C- system hydrauliczny D-G system pneumatyczny

27 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

28 Napowietrzanie wgłębne: system napowietrzania dyfuzyjnego system napowietrzania turbinowego system zanurzeniowo-strumieniowy system cyrkulacyjno- ciśnieniowy

29 Ogrzewanie i chłodzenie jednostkowe procesy termiczne Układ grzejno-chłodzący do ogrzewania (sterylizacji) do chłodzenia bioreaktora i pożywki Najczęściej: Ogrzewanie/chłodzenie przeponowe (płaszcz, wężownice) Grzałki elektryczne Ogrzewanie barbotażowe parą wodną (sterylizacja) Chłodzenie natryskowe, wymiennik ciepła Układ termostatowany

30 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

31 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,

32 Schemat systemów łamania piany c.d. c) metodą mechaniczną Fringsa; 1 - przewód doprowadzający pianę, 2 - przewód odprowadzający gaz, 3 - przewód odprowadzający odpowietrzoną pożywkę, 4 - wirnik obrotowy poziomy, 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

33 Procesy wyjaławiania w biotechnologii farmaceutycznej Dotyczy całości procesu. Odnosi się do: - pomieszczeń - urządzeń - operacji - pożywki - powietrza

34 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 C przez 2h. - metody mechaniczne wyjaławianie cieczy i powietrza przez mikrofiltrację membranową, filtrację przez ziemię okrzemkową, filtry miliporowe (różne materiały)

35 - metody fizyczne UV 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

36

37 Fermentor typu Chemap

38 Fermentor Lubińskiego

39 Fermentor Vogelbuscha