ELEMENTY BIOTECHNOLOGII

WYKŁAD NR 7

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

Transfer masy i ciepła w przemyśle

chemicznym i biochemicznym

Techniki separacji. Flokulacja, sedymentacja

Precypitacja

Rozbijanie ścian komórek

Techniki zagęszczania

Ekstrakcja

Filtracja

Ultrafiltracja

Odwrócona osmoza

Wirowanie

Transfer ciepła

FERMENTACJA JEST PROCESEM EGZOTERMICZNYM

dla prędkości wydzielania ciepła > 20 MJ m

-3

(tj. pochłanianie tlenu z prędkością ok. 5 kg m

3

h

-1

) proces chłodzenia jest trudny

w dużych bioreaktorach czynnikiem limitującym wzrost
mikroorganizmów może być:
1.

2.

typowa aktywność drobnoustrojów

w bioreaktorze powoduje

wydzielanie się:

10-50 MJ/m

3

empirycznie:
szybkość wydzielania ciepła [ MJ L

-1

h

-1

]=12% szybkości pochłaniania tlenu [mmolO

2

L

-1

h

-1

]

Transfer ciepła

szybkość wymiany ciepła

Q = -t F/s

-ogólny współczynnik .....

F - ....
s - grubość ścianki
t- średnia różnica temperatur

znak ujemny wynika z .....



1 jest opornością przewodzenia ciepła



1 = 

i



przykłady oporności przewodzenia
ciepła:
1.
2.
3.

t

1

t

2

t

1

t

2

t

3

t

1

t

2

ścianka płaska
dwuwarstwowa

ścianka płaska
jednowarstwowa

ścianka cylindryczna

r

1

r

2

r

1

< r

2

Transfer ciepła

szybkość wymiany ciepła

Q = -t F

-wspó

ł

czynnik wnikania ciepła

1
2
3
4
5

własności
fizykochemicznych
płynu

kształtu ścianki

stanu ruchu

współczynnik wnikania ciepła



jest zależny od:

różnica ....

stanu termicznego

Transfer ciepła

t

2

t

3

t

1

t

4

płyn 1

płyn 2

ścianka

szybkość przenikania ciepła

Q = KFt

-współczynnik przewodzenia ciepła

s- grubość ścianki


1

-współczynnik wnikania w warstwie 1



2

-współczynnik wnikania w warstwie 2

sumaryczny współczynnik

przenikania ciepła

1/K =

1/

1

s 

1

2

t- całkowita napędowa różnica temperatur

t = t

1

-t

4

s

Transfer ciepła

KIERUNEK PRZEPŁYWU STRUMIENI WYMIENIAJĄCYCH CIEPŁO
•

współprąd t



= t

średnia

•

przeciwprąd

symetria zależy od

stosunku pojemności cieplnej obu

mediów
M

i

C

i

-

iloczyn natężenia przepływu i ciepła

właściwego czynnika i-tego

dł. ścianki

zastępcza różnica temperatur dla obu typów wymiany :



(T

1

-t

1

) - (T

2

- t

2

)

(T

1

- t

1

)

(T

2

- t

2

)

t

zast

=

ln

T

1

i t

1

- temperatury początkowe czynników 1 i 2

T

2

i t

2

- temperatury końcowe czynników 1 i 2

długość ścianki

T

1

T

2

t

1

t

2

dł. ścianki

T

1

t

2

T

2

t

1

Transfer masy

gaz

1. Transfer ....
2. Transfer ....
3. Transport przez ...
4.

5.

1

2

2

3

3

4

5

pożywka

mikroorganizm /
komórka

Transfer masy

1. Transfer na granicy faz jest zazwyczaj najwolniejszy
gaz- ciecz (O

2

), ciecz-ciecz (węglowodory-woda), reaktory

membranowe itd.

2. Transfer wewnątrz jednej fazy (np. gdy komórki są
unieruchomione)

3. Transport przez błony komórkowe:

CZYNNIKI LIMITUJĄCE TRANSPORT

reguła 1 - najwolniejszy etap jest czynnikiem limitującym
reguła 2 - ogólny opór transportu jest sumą oporów poszczególnych etapów

•transport bierny (dyfuzyjny)

- od stężenia ...

•transport wspomagany

- przy użyciu czynników transportujących
- od stężenia ...

•transport aktywny

- od stężenia ....

dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla cząsteczek polarnych !

Transfer masy

C

A1

C

A2

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

transport bierny

(dyfuzyjny)

C

A1

C

A2

A

A

A

A

A A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

transport aktywny

działanie białek transportujących

C

CA

C

CA

ADP

ATP

C

A1

C

A2

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

transport wspomagany

(dyfuzja wspomagana działaniem

białek transportujących)

C

CA

C

CA

G = RT ln (C

A2

/C

A1

)

C

A2

> C

A1

G > O

C

A2

< C

A1

G < O

konieczna jest dodatkowa energia

proces samorzutny

G = RT ln (C

A2

/C

A1

) + ZF

Z-ładunek, F-stała Faradaya
-różnica potencjałów po obu stronach membrany

Transfer masy

G = + 33.6 kJ/mol

pH w plazmie krwi = 7.4
pH w żołądku ssaków = ok. 1

G = RT ln (C

A2

/C

A1

) + ZF

Z-ładunek, F-stała Faradaya
-różnica potencjałów po obu stronach membrany

gradient H

+

= 10

-1

/10

-7

hydroliza ATP to
+ 30.5 kJ/mol ATP

sz

y

b

ko

ść

t

ra

n

sp

o

rt

u

stężenie

tra

nsp

ort

bie

rny

transport wsp

omagany

w transporcie wspomaganym
stosowane są reguły kinetyki
Michaelisa-Menten

nasyceni
e

wzrost
liniowy

Transfer masy

powietrze

niskie
stęż. O

2

wysokie
stęż. O

2

CZYNNIKI LIMITUJĄCE TRANSPORT TLENU W DUŻYCH BIOREAKTORACH

•trudności konstrukcyjne (gdy > 300 m

3

)

dla reaktorów >10m

3

procesy transportu są relatywnie powolne

•zużycie mocy nie powinno być większe niż 5 kW /
m

3

•prędkość przepływu tlenu nie powinna być > 0.1
m / s

•wzrasta również ciśnienie CO

2

•ciśnienie O

2

spada w miarę przesuwania się w

górę reaktora

(maleje siła napędowa procesu)

Techniki wydzielania produktów

gromadzenie i

przechowywanie

surowców

przygotowanie

surowców

feedstock storage

raw materials preparation
and pretreatment

wyjaławianie

sterilization

bioreaktor

kontrola

procesu

sprężanie

compression

powietrze

energia

ciepło

wydzielenie

produktów

product recovery

energia

odpady

waste

produkt

Techniki wydzielania produktów

Downstream processing -

w masie poreakcyjnej mogą być np.
całe komórki, aminokwasy, rozpuszczalniki, antybiotyki, enzymy, białka,
substancje farmaceutyczne, produkty uboczne i odpadowe, nieprzereagowane pożywki

TECHNIKI SPECJALNIE UŻYTECZNE W BIOTECHNOLOGII:

•oddzielanie ciał stałych i cieczy (solid liquid separation or

clarification)

•zatężanie

(concentration)

•oczyszczanie

(purification)

•tworzenie preparatu

( formulation)

Upstream processing –

stężenie produktu w masie poreakcyjnej:
etanol , kwas cytrynowy - powyżej 10% masowych
większość bioprocesów - około 0.5 % masowych
witamina B

12

- 20 g/m

3

(tj. ok. 0.002 %)

Techniki wydzielania produktów

Upstream process

produkcja

Downstream
process

produkt wewnątrz

komórkek

produkt na zewnątrz

komórkek

rozbijanie

komórkek

oddzielanie ciał stałych i cieczy

zatężanie

oczyszczanie

tworzenie preparatu

produkt końcowy

chemiczne, fizyczne
mechaniczne, enzymatyczne

odwirowanie, sedymentacja,
ekstrakcja, filtracja

odparowanie, ultrafiltracja,
adsorpcja, wytrącanie

chromatografia

krystalizacja, liofilizacja
rozpylanie,
filtracja wyjałowiająca

Rozbijanie ścian komórek

dezintegracja komórek

w fazie ciekłej

- ultradźwięki
- ciśnienie
- mieszanie

w fazie stałej

-rozcieranie

odwadnianie

- powietrzem
- próżniowe
- rozpuszczalnikami

liza

- fizyczna
- chemiczna
- enzymatyczna
- biologiczna

•dezintegracja jest stosowana gdy metabolit nie jest wydzielany na zewnątrz
mikroorganizmu

•komórki drobnoustrojów są bardziej odporne na zniszczenie niż komórki zwierzęce

Rozbijanie ścian komórek

dezintegracja komórek na skalę przemysłową

metoda ciśnieniowa

ekspansja zawiesiny komórek przy wypływie przez dyszę, p=ok. 60 MPa do 100 MPa
1. ochłodzenie mieszaniny do ok. 4

o

C

2. sprężanie (towarzyszy temu wzrost temp. o 2,2-2,4

o

C / 10 MPa)

wydajność aparatów: do 6 m

3

/godz

homogenizat jest trudny do obróbki (zawiesina drobnych cząsteczek o właściwościach żelujących)

mielenie w młynach kulowych

poziome bębny wypełnione kulkami szklanymi o średnicy 0.3-0.4 mm

dezintegracja komórek na skalę laboratoryjną

•dezintegratory wysokoobrotowe,

•dezintegratory ultradźwiękowe

•metody enzymatyczne: enzymy proteolityczne

•kilkakrotne zamrażanie i rozmrażanie mieszaniny komórek

•operacje termiczne i suszenie (szok termiczny)

•szok osmotyczny

•metody chemiczne (stosowanie kwasów, ługów, detergentów, rozpuszczalników,

antybiotyków)

Oddzielanie ciał stałych i cieczy

operacje jednostkowe: filtracja, odwirowanie, flokulacja i sedymentacja

filtracja plackowa

filtracja objętościowa

filtracja dynamiczna

zatrzymywanie cząstek stałych na placku filtracyjnym
prasa filtracyjna, próżniowe filtry obrotowe, filtry taśmowe

ociekanie

przemywanie

suszenie

usuwanie
osadu

próżniowy filtr obrotowy
(przykład filtracji plackowej)

próżnia
wewnątrz

zastosowanie: do wydzielania grzybni i drożdży, krystalicznych metabolitów, precypitatów

osady i zawiesiny biologiczne mają dużą ściśliwość i małą przepuszczalność,
pozorna lepkość wzrasta w miarę filtracji

zatrzymywanie cząstek stałych
na przegrodzie filtracyjnej -
w metodzie tej chodzi o czystość
filtratu (przesączu) a nie o
wydzielenie osadu

szybkoobrotowe mieszadło lub obracający się
filtr nie dopuszcza do powstawania placka

następuje zatężanie a nie osadzanie się zawiesin

Oddzielanie ciał stałych i cieczy

flokulacja,

kłaczkowanie

- wytrącanie osadu w wyniku
neutralizacji ładunków na powierzchni
komórek,

- powodowana dodatkiem
odpowiednich elektrolitów (sole
nieorganiczne, hydrokoloidy,
polielektrolity organiczne, kwasy lub
zasady)
- flokulacja odwracalna i nieodwracalna
- zależy od pH, temperatury, siły
jonowej,

- prowadzona w odstojnikach
- w przypadku bakterii i komórek- konieczna jest wstępna obróbka

w celu powstania aglomeratów

sedymentacja

Oddzielanie ciał stałych i cieczy

odwirowanie

wady wirowania:

•wysokie koszty,

•niezbyt dużą dokładność
odwirowania (supernatant
zawiera 10

3

-10

5

komórek na ml)

wirówki sedymentacyjne (do zagęszczania biomasy)
i filtracyjne ( do wydzielania osadu)

dyski (od 30 do 200)

osad

odpływ

ciecz

pofiltracyjna

Zagęszczanie roztworów

zagęszczanie termiczne (odparowanie)

PROBLEM: bioprodukty są zazwyczaj wrażliwe na wzrost temperatury

rozwiązanie:
1.
2.

stosowane zwłaszcza wtedy, gdy trzeba odzyskać rozpuszczalnik po ekstrakcji

wady tej metody: wysoki koszt, możliwość powstawania piany,

przypomnienie: zasada najlepszego wykorzystania energii (wykład 1)

Zagęszczanie roztworów

ekstrakcja

ekstrakcja ciecz-ciecz

współczynnik podziału: K= C

faza1

/C

faza2

1. ekstrakcja

fizyczna:

2. ekstrakcja dysocjacyjna:

3. ekstrakcja reakcyjna:

Przykład: penicylina

1. ekstrakcja octanem butylu z płynu pofermentacyjnego o pH 2,5-3
2. re-ekstrakcja do fazy wodnej w pH 5-7.5

4. ekstrakcja nadkrytyczna:

rozpuszczalniami są substancje w warunkach poniżej temperatury lub ciśnienia
krytycznego

(wyższa dyfuzyjność, niższa lepkość, nie są toksyczne),

t

kryt

CO

2

=31.3

o

C , p

kryt

CO

2

=72.9 bar

łatwość wydzielenia produktu (zamiana cieczy na gaz)

współprąd i przeciwprąd materiałowy

Zagęszczanie roztworów

ekstrakcja c.d.

PROBLEM: niektóre substancje biologiczne ulegają denaturacji w
rozpuszczalnikach organicznych
rozwiązanie: czasem możliwe jest zastosowanie wielofazowych układów
wodnych

5. ekstrakcja białek
wielofazowymi układami
wodnymi:

układy woda (80-95%) + polimer +
sole w odpowiednim stężeniu
dodatek glikolu polietylenowego do
fazy 1 i dodatek dekstranu do fazy
2.
powolna separacja faz (od kilku
minut do 2 godzin)

homogenat

+

glikol + sól

równowagowanie
rozdział faz

warstwa górna
H2O +glikol

odsalanie

warstwa dolna
H2O +sól

warstwa górna
H2O +glikol

warstwa dolna
H2O +sól
(produkt)

retentat
(produkt)

permeat
zawierający sól

recykling

oczyszczanie
i recykling

Zagęszczanie roztworów

PERMEACJA

permeacja (przenikanie) substancji przez ciekłe membrany

etapy

1. adsorpcja cząsteczek na zewnętrznej stronie membrany,
2. rozpuszczanie powierzchniowe zaadsorbowanych cząsteczek i ich dyfuzja
poprzez materiał membrany.
3. desorpcja lub odparowanie cząsteczek z drugiej strony membrany do
medium odbierającego (gaz nośny, roztwór pochłaniający, stały sorbent).

ciekła membrana - membrana emulsyjna lub unieruchomiona

mikroporowate membrany stałe
nasycone cieczą spełniającą rolę
membrany ciekłej

faza rozproszona w postaci
mikroemulsji

Zagęszczanie roztworów

filtracja membranowa

ultrafiltracja (0.001-0.02 m)

siła napędowa - różnica ciśnień hydrostatycznych po obu stronach membrany
różnice ciśnień 0.2-1 MPa
zależnie od membran - zatrzymywane są składniki o M

cz

od 5000 g/mol (czasem od 10

6

g/mol)

membrany o strukturze
niesymetrycznej
- pochodne celulozy,
- polimery syntetyczne,
- spieki ceramiczne

nominalna zdolność
rozdzielcza

masa cząsteczkowa substancji dla
której skuteczność filtracji wynosi
90%

typy aparatów

- nucza filtracyjna
- moduł kapilarny
- moduł spiralny ze zwiniętą
membraną płaską

Zagęszczanie roztworów

filtracja membranowa
typy filtracji

Odwrócona osmoza
<0.001 m

-przez membranę
przenika prawie
wyłącznie
rozpuszczalnik.

Stosowana do
- otrzymywania czystej
wody
-zatężania substancji

mikrofiltracja i
nanofiltracja
0.02-10 m

Zagęszczanie roztworów