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