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