Elementy Biotechnologii
WYKŁAD NR 5
Uniwersytet Warszawski
Wydział Chemii
Warszawa, 03.04.2006
Elementy Biotechnologii
WYKŁAD NR 5
Uniwersytet Warszawski
Wydział Chemii
Warszawa, 03.04.2006
Bioreaktory
Fermentory do hodowli tlenowych i beztlenowych
Bioreaktory membranowe
Bioreaktory z materiałem immobilizowanym
Fotobioreaktory
Warunki sterylne
ELEMENTY BIOTECHNOLOGII
WYKŁAD NR 3
literatura wykorzystana do wykładu
K. Szewczyk: Technologia biochemiczna, Wydawnictwa
Politechniki Warszawskiej 1997
Aiba, Humprey, Millis: Inżynieria biochemiczna, WNT
Warszawa 1977.
S. Russel: Biotechnologia, PWN Warszawa 1990.
Basic Biotechnology, Ed: C. Ratledge & B. Kristiansen,
Cambridge University Press, 2001
Bioreaktory (fermentory)
urządzenia służące do:
hodowli drobnoustrojów, komórek roślinnych i zwierzęcych
prowadzenia przemian enzymatycznych (bioreaktory enzymatyczne)
funkcje bioreaktora:
•właściwe środowisko dla wzrostu i wytwarzania pożądanych
metabolitów
•ochrona kultury mikrobiologicznej przed zanieczyszczeniami
•ochrona otoczenia przed zanieczyszczeniem mikrobiologicznym
BIOREAKTORY
do hodowli wgłębnej
do hodowli
w podłożu stałym
z unieruchomionym
materiałem biologicznym
Bioreaktory do hodowli wgłębnej
przykłady:
fermentacja metanowa
(produkcja biogazu)
fermentacja etanolowa
(browarnictwo, gorzelnictwo)
•stworzenie warunków beztlenowych
•mieszanie nie jest konieczne
•zazwyczaj nie powstaje piana
do hodowli beztlenowych
do hodowli tlenowych
•konieczność doprowadzania gazu
materiał na bioreaktory:
nietoksyczny, wytrzymały na sterylizację, odporny na korozję
(zazwyczaj stal kwasoodporna)
trzy grupy:
z mieszaniem mechanicznym
z mieszaniem cieczą
z mieszaniem gazem
Bioreaktory do hodowli tlenowych
z mieszaniem mechanicznym
turbiny typu Rushtona
przegrody
(zastawki)
wirnik
powietrze
rozpryskiwacz
gazu
rodzaj mieszadła zależy od:
• wielkości i geometrii reaktora,
• lepkości mieszaniny
• zapotrzebowania na tlen
• rodzaju mikroorganizmów
dla reaktorów > 50 L prędkość zazwyczaj nie przekracza 120 rpm dla kultur komórek roślinnych i zwierzęcych
dla mikroorganizmów może być szybsza (z wyjątkiem grzybów strzępkowych)
Bioreaktory do hodowli tlenowych
z mieszaniem mechanicznym
mieszadło wieloturbinowe
z silnikiem umieszczonym na górze
płaszcz
pompa
czujniki pH, T, O
2
mieszadło
doprowadzenie gazu
dozownik
inokulum
odprowadzenie mieszaniny
poreakcyjnej
wziernik
para
do
sterylizacji
powietrze
ruchoma
pokrywa
doprowadzenie
pożywki
odprowadzenie
gazu
czujniki
wziernik
sterylne
uszczelnienie
wytrzymalość na: warunki sterylizacji, na nadciśnienie i podciśnienie,
BRAK PRZESTRZENI MARTWYCH, łatwe do czyszczenia
źródło: K. Szewczyk: Technologia
biochemiczna, Wydawnictwa
Politechniki Warszawskiej 1997
źródło: Basic Biotechnology, Ed: C. Ratledge & B. Kristiansen, Cambridge University Press, 2001
Bioreaktory do hodowli tlenowych
z mieszaniem gazem
energia zużywana na sprężanie gazu
kolumny typu air-lift
(wykorzystywana jest różnica gęstości cieczy w
poszczególnych częściach aparatu)
część wznosząca
(sumaryczna gęstość
płynu jest mniejsza)
pętla wewnętrzna
podzielony cylinder
pętla zewnętrzna
Bioreaktory do hodowli tlenowych
z mieszaniem gazem
kolumna
barbotażowa
z półkami
sitowymi
zalety mieszania gazowego:
prosta konstrukcja bioreaktorów, duża niezawodność, względnie niskie
koszty efektywnego napowietrzania
Bioreaktory do hodowli tlenowych
z mieszaniem cieczą
wymuszona cyrkulacja cieczy
brak mechanicznych układów do
rozpraszania gazu oraz mieszania
cieczy
powietrze
powietrze
Bioreaktory do hodowli tlenowych
z unieruchomionym materiałem biologicznym
złoże nieruchome
złoże cyrkulujące
złoże fluidalne
przypomnienie
metody unieruchamiania materiału biologicznego:
•sorpcyjne
•zamykanie w siatce polimeru
•zamykanie wewnątrz półprzepuszczalnych membran
•tworzenie aglomeratów
czynniki wpływające na efektywność
•techniki unieruchamiania
•własności nośnika
•rozmiar i kształt cząsteczek nośnika
•ciężar właściwy
•właściwości substratu
•procesy samoregulacyjne (wpływ metabolitów na bieg procesu)
schemat ideowy bioreaktora z obrotowym dyskiem
złoże na
dysku
Bioreaktory do hodowli tlenowych
z unieruchomionym materiałem biologicznym
zastosowanie bioreaktorów membranowych:
- hodowla w łagodnych warunkach
- gdy używany jest szczególnie wrażliwy materiał biologiczny (komórki roślinne,
zwierzece)
- gdy ze środowiska reakcji trzeba usuwać produkty metabolizmu hamujące proces
bioreaktory membranowe
membrany półprzepuszczalne
oddzielają płyn zawierający
biokatalizator od strumienia
substratu
membrany półprzepuszczalne z
osadzonym biokatalizatorem
dwa efekty:
1. unieruchomienie materiału,
2. separacja produktu
Bioreaktory do hodowli tlenowych
fluidalne
warstwa fluidalna
cząsteczek
biokatalizatora
pompa
substrat
pożywka
odpływ
cieczy
strefa
sedymentacyjna
powrót
wolny
przepływ
problemy:
dostosowanie ciężaru i
wielkości zawieszonych
cząstek
napowietrzanie
zmienna lepkość
Bioreaktory do hodowli tlenowych
do hodowli w podłożach stałych
stosowane zazwyczaj do hodowli okresowych
powietrze jako substrat i jako czynnik chłodzący
grubość warstw nie większa niż 6 cm
hodowla w grubej warstwie:
warstwa jest wstrząsana lub mieszana
powietrze przepływa przez całą warstwę
prędkość obrotów ok. 1/min
przykład zastosowania: kompostowanie
Bioreaktory do hodowli tlenowych
fotobioreaktory
produkcja astaksantyny, beta-karotenu
przez pewne cyjanobakterie i sinice
optymalizacja natężenia światła
grubość warstwy do 15 cm
sztuczne oświetlenie nie jest opłacalne
źródło węgla: CO
2
lub węglany
prędkośc przepływu dobrana tak, by osiągnąć
ruch burzliwy.
(dlaczego?)
materiał: szkło lub tworzywa sztuczne
średnica do 6 cm
ciągła
równoległa
helikalna
panele płaskie
•powolny wzrost: czas podwojenia
populacji dla Chlorella pyrenoidosa to
ok. 9 godzin
•konieczność synchronizacji cyklu z
czasem oświetlenia światłem dziennym
•problemy z powiększaniem skali
Bioreaktory do hodowli tlenowych
reaktor
Moc
efektywność
kW/m
3
kg O
2
/ MJ
z mieszadłami
10
0.08
mieszadło+ rura cyrkulacyjna
4-11
0.08-0.35
z zewnątrzną pompą
2.5-5
0.4-0.5
barbotażowe
2.5
0.12
air-lift
3.5
0.24
półkowe
3.5
0.5-0.6
złoża zraszane
9
0.46
kolumny szybowe
10
0.2-0.3
Prowadzenie procesu w warunkach sterylnych
Dlaczego stosowane są czyste kultury bakteryjne?
-obce szczepy mogą wypierać kulturę produkcyjną,
-powstawanie zanieczyszczeń w produktach metabolizmu
-rozkład pożądanego produktu przez obce szczepy (np. dalsze fermentacje)
-zainfekowanie może doprowadzić do śmierci mikroorganizmów - producentów
-obce szczepy konkurują o ten sam pokarm
różne działy biotechnologii mają różne wymagania
np. przemysł spożywczy (tylko pasteryzacja), farmaceutyczny (całkowita sterylność)
sposoby uniknięcia infekcji:
•używanie czystych kultur do zaszczepiania
•sterylizacja pożywek i wszystkich innych składników
•sterylizacja fermentora
•utrzymywanie aseptycznych warunków podczas hodowli
w odróżnieniu od stopni czystości substancji chemicznych, pojęcie jałowości jest niestopniowane
Prowadzenie procesu w warunkach sterylnych
sterylizacja
przez usunięcie
żywych
mikroorganizmów
przez zabicie
mikroorganizmów
filtracja
filtry 0.2
µm
termiczna
- dezaktywuje (denaturuje) białka)
- im wyższa zawartość wody, tym bardziej
wrażliwy jest mikroorganizm,
stosowana jest nasycona para wodna lub
suche gorące powietrze (proces dłuższy)
radiacyjna
- uszkadza DNA,
- UV działa tylko powierzchniowo, lepsze jest
promieniowanie RTG
chemiczna
- niszczy ściany komórek, utlenia, itp
czas dziesięciokrotnej redukcji:
czas niezbędny do zredukowania populacji o 90% w danej temperaturze
Prowadzenie procesu w warunkach sterylnych
sterylizacja
sterylizacja termiczna
autoklawy:
do sterylizacji pożywek oraz fermentorów laboratoryjnych
warunki laboratoryjnie - 115-130
o
C przez 15-30 minut
suszarki:
do sterylizacji szkła, warunki laboratoryjnie - 150-180
o
C
w przemyśle: żywa para
skutki niepożądane:
karmelizacja węglowodanów, denaturacja białek
dezaktywacja witamin i innych czynników wzrostu, reakcje białek z cukrami
polimeryzacja nienasyconych aldehdów, hydroliza
dlatego prowadzi się osobno sterylizacje poszczególnych grup substratów,
sterylizacja termiczna okresowa i ciągła
w przeponowych lub bezprzeponowych
wymiennikach ciepła
wyższe temperatury lecz krótszy czas trwania
mniejsze zużycie energii większa wydajność
Prowadzenie procesu w warunkach sterylnych
sterylizacja
sterylizacja radiacyjna
lampy ultrafioletowe
60
Co,
137
Cs
promieniowanie
γ
niektóre wirusy i mikroorganizmy oraz ich przetrwalniki
są odporne na sterylizację radiacyjną
sterylizacja chemiczna
gazy: tlenek etylenu, propylenu, pary formaldehydu, ozon (ma najwięcej zalet)
ciecze: wodne roztwory pochodnych fenolu, formaldehyd, chloraminy,
chloroheksyny,
β-propionolaktonu, H
2
O
2
stosowana do sterylizacji urządzeń i pomieszczeń
sterylizacja przez filtrację
filtracja objętościowa:
filtry włókninowe, często stosowane do wyjaławiania powietrza
filtracja membranowa:
pochodne celulozy, spieki ceramiczne, tworzywa sztuczne
konieczne jest wyjaławianie filtru przed jego zastosowaniem!
Prowadzenie procesu w warunkach sterylnych
sterylizacja
źródło: Basic Biotechnology, Ed: C. Ratledge & B. Kristiansen, Cambridge University Press, 2001