25.02.09

Biotechnologia- technologia bioprocesów

(bio-) dotyczy istot żywych, głównie drobnoustrojów

Cecha charakterystyczna:

- bardzo duża szybkość wzrostu

- bardzo szybki rozwój i programy rządowe (USA, Japonia, Europa)

- przemysł biotechnologiczny należy do wiodących

- duże nakłady finansowe- szybki rozwój

Przykład:

Penicylina Wydajność procesu 1941: 2mg/l podłoża

1951: 60mg/l podłoża

Obecnie > 50g/l podłoża (25000x)

Biotechnologia- poznanie reakcji zachodzących w komórkach drobnoustrojów, komórkach roślin i zwierząt
i wykorzystanie ich w celach praktycznych (przemysłowych)

Biotechnologia- procesy, w których dochodzi do enzymatycznego przekształcenia surowców w określone produkty końcowe.

Biotechnologia- różne kierunki praktycznego, technologicznego wykorzystania drobnoustrojów, wyizolowanych enzymów lub hodowli komórek (zwierzęcych i roślinnych) w celu przeprowadzenia procesów biosyntezy, biotransformacji lub biodegradacji.

EFB- Europejska Federacja Biotechnologii 1982 (wśród założycieli- prof. Galas)

Biotechnologia- jest to integracja nauk przyrodniczych i technicznych w celu osiągnięcia zastosowania organizmów, komórek, ich części i molekularnych analogów do otrzymywania produktów i wykorzystywania usług.

Rozwój biotechnologii:

Era przedpasterowska (do 1864r.)

- napoje alkoholowe (piwo, wino)

- produkty mleczne (sery, jogurt)

- inna fermentowana żywność (drożdże, ocet)

Era pasterowska (1863-1940)

- etanol, butanol, aceton, glicerol, kwasy organiczne (kw. Cytrynowy)

Era antybiotyków (1940-1960)

- penicylina, technologia fermentacji wgłębnej

Era postantybiotykowa (1960-1973)

- aminokwasy, białka jednokomórkowców, enzymy, immobilizacja enzymów

Era nowych biotechnologii (1973 )

- monoklinalne przeciwciała

- monoklinalne testy diagnostyczne

- inżynieria genetyczna

- produkcja insuliny

Klasyfikacja UE:

- zielona biotechnologia (głównie rolnictwo)

~GMO, wykorzystanie produktów biotechnologii białej, żywność modyfikowana genetycznie

- czerwona biotechnologia (głównie biotechnologia w ochronie zdrowia)

~ hormony, przeciwciała, monoklinalne testy diagnostyczne

- biała biotechnologia (przemysłowa i w ochronie środowiska)

~ procesy przyjazne środowisku dla otrzymywanie wielu produktów

Główne grupy produktów otrzymywane w wyniku hodowli drobnoustrojów:

1. Biomasa (drożdże piekarskie, szczepionki)

2. Produkty przemian katabolicznych (etanol. Kwas mlekowy)

3. Produkty syntez komórkowych (aminokwasy)

4. produkty specyficzne (antybiotyki)

5. produkty biotransformacji (steroidy)

6. enzymy i inne wielkocząsteczkowe produkty komórkowe

Drobnoustroje w biotechnologii:

- bakterie właściwe (enzymy, antybiotyki, aminokwasy)

- promieniowce (antybiotyki, enzymy)

- grzyby (enzymy, witaminy, antybiotyki)

Etapy prac badawczych i wdrożeniowych w biotechnologii:

1. „Screening” (przesiewanie) drobnoustrojów

/izolacja, ocena przydatności, warunki przechowywania itp./

2. Określenie wstępnych warunków hodowli

/skład podłoża, pH, temp., czas i sposób hodowli/

/wstępne prace izolowania produktu/

3. Ulepszanie szczepu

/przez mutacje lub genetycznie/

4. Optymalizacja warunków procesu

/technologia laboratoryjna/

/ostatni etap laboratoryjny/

5. Powiększenie skali- m.in. przez próby w tzw. skali pilotowej (pilotażowej?)

(skala w której występuje większość problemów przemysłowych)

6. Uruchomienie produkcji przemysłowej

/główne problemy: natlenienie środowiska, utrzymanie czystości mikrobiologicznej, zmienność szczepu/

7. Wdrożenie

Główne etapy procesu:

1. Etap przygotowawczy (przygotowanie aparatury i podłoża)

2. Namnożenie materiału posiewowego- INOKULUM

3. Proces hodowli produkcyjnej i biosyntezy etap centralny

4. Wydzielenie produktu

5. Produkcja, konfekcjonowanie (pakowanie), do formy handlowej

04.03.09

Przechowywanie szczepów przemysłowych

- w stanie zamrożenia (-198^oC)

- w stanie zliofilizowanym

- w stanie wysuszenia (suszenie w temp. do 40^oC)

Drobnoustroje namnażamy do momentu wzrostu wykładniczego (logarytmicznego)

- drobnoustroje są w stadium, w którym najlepiej się namnażają

Przygotowanie pożywki do bioreaktora

- sterylizacja pożywki i aparatu

Sterylizacja

przy braku sterylności procesu

- spadek produktywności („konkurencja” w zużywaniu podłoża)

- opanowanie hodowli przez mikroorganizm zakażający (szczególnie w procesach ciągłych)

- możliwość powstania „zakażenia” w produkcie końcowym

- występowanie dodatkowych utrudnień przy ekstrakcji właściwego produktu

- zakażenie fagami powoduje lizę komórek

Dla uniknięcia zakażeń należy:

- stosować czyste inokulum

- sterylizować fermentor i urządzenia wykorzystywane w procesie biosyntezy

- sterylizować podłoże hodowlane

- sterylizować powietrze i wszystkie materiały dodawane do fermentora

- zachować jałowość wszelkich operacji podczas fermentacji

Metody sterylizacji podłoża (pożywki)

- mechanicznie (filtracja)

- środki chemiczne (formalina, tlenek etylenu, β-propiolakton)

- radiacyjne (promieniowanie X, β, γ- drogie)

- ultradźwięki

- termiczna(para) !

Oprócz sterylizacji pożywek i stosowania temp. jako czynnika sterylizującego można podjąć następujące działania:

- stosować termofilne drobnoustroje

- stosować pożywki „kwaśne”- jeżeli jest taka możliwość

- stosować osłony przed zakażeniami (antybiotyki)

Sterylizacja termiczna- obniżenie jakości podłoża

- przez oddziaływania między składnikami podłoża (reakcja typu Maillarda- gr. Karbonylowe, głównie cukrów z gr. Aminowymi aminokwasów i białek, oksydacja fenoli, polimeryzacja niektórych składników)

- przez degradację labilnych związków w podłożu (witaminy, aminokwasy, denaturacja białek, destrukcja czynników wzrostu)

Ograniczenie tych efektów przez:

- stosowanie odpowiedniej temperatury i wybór metody!

Sterylizacja parą wodną

*OKRESOWA- po podgrzanie pożywki, utrzymanie tej temp. i ochłodzenie do temp. procesu w bioreaktorze

-niższa cena urządzeń

-mniejsze ryzyko zakażeń

-łatwe sterowanie ręczne

-odpowiedniejsza dla podłoży zawierających substancje stałe

*CIĄGŁA- w przepływie

-lepsza jakość podłoża

-mniejsze zużycie fermentora

-łatwość zmiany skali

-łatwiejsza kontrola automatyczna

-redukcja czasu sterylizacji

-wzrost wydajności linii produkcyjnej

Parametry sterylizacji ciągłej
Parametr	Iniekcja pary	Sterylizator płytowy
Czas sterylizacji właściwej	1-5min	do 10min
Temperatura	140^oC	~ 140^oC
Czas podgrzewania/studzenia	pomijalny	~ 1%

Sterylizacja ciągła- zalety techniczno-ekonomiczne (podsumowanie)

- mniejsze zapotrzebowanie na parę i wodę (-60-70%)

- równomierne zapotrzebowanie na parę i wodę (+ odzysk ciepła!)

- skrócenie czasu przygotowania bioreaktora

- łagodniejsza obróbka podłoża

- stałość jakości podłoża

- możliwość oddzielnego sterylizowania składników

- łatwiejsze rozwiązanie konstrukcji fermentora (bez „kompromisu” dla sterylizacji i fermentacji)

- najlepsza metoda dla procesów hodowli ciągłych

Sterylizacja powietrza

(bakterie, drożdże, wirusy, pleśnie, od kilki nm do μm)

Zabiegi wstępne: odwodnienie, odolejenie

Metody:

- ciepło (temp. 218^oC ~ 24 sek. - zabicie przetrwalników)

np. metoda Storka: sprężania-rozprężania adiabatycznego

20^oC 150^oC 70^oC 220^oC

- promieniowanie ultrafioletowe i inne fale elektromagnetyczne

~ drogie, brak pewności

- rozpylanie środków chemicznych, bakteriobójczych

~ trudne do usunięcia

- filtracja

Filtry bawełniane, włókna szklane, węgiel aktywny, wióry stalowe, alkohol poliwinylowy, stopy, spieki (zatrzymywanie mechaniczne- pory w sicie są mniejsze od cząsteczek ciała stałego, elektrostatycznie)

Hodowla produkcyjna

Pożywka musi zostać napowietrzana (nasycenie 100%), podgrzana, wprowadzamy inokulum, wzrost…

Metody hodowli

- HODOWLE POWIERZCHNIOWE

~ na stałej pożywce

~ na ciekłej pożywce

Prowadzone w układzie statycznym, nie ma mieszania

- HODOWLE WGŁĘBNE

~ okresowe

~ ciągłe

~ półciągłe (kombinowane)

Wzrost zawsze w ciekłej pożywce (w całej masie), mieszanie pozwala na wykorzystywanie optymalnego wzrostu drobnoustrojów

- HODOWLE W STAŁYM WILGOTNYM ZŁOŻU (SSF)

Rys. do zeskanowania

11.03.09

Zalety hodowli wgłębnych

• łatwiejsze utrzymanie (jałowości) czystości mikrobiologicznej

• lepszy kontakt drobnoustrojów z pożywką

• lepsze natlenienie

• łatwiejsze wydzielanie produktu

• jednorodność warunków w całej objętości podłoża

• większa możliwość automatyzacji

• większa wydajność

ale: - duży koszt aparatury

- energochłonność

Hodowla ciągła- ciągłe dostarczanie (sterylne) pożywki i usuwanie produktu (z cieczą)

Rys.

Wyznaczenie właściwej szybkości wzrostu drobnoustrojów

(ciąg wzorów) nie wiem czy to ma być czy nie :/

Zalety hodowli ciągłych

- hodowla w ustalonych warunkach (wybór dowolnej fazy)

- stałość fizjologiczna drobnoustrojów

- populacja i produkty są bardziej jednorodne

- możliwość (większa) wprowadzenia automatyki i komputeryzacji

- zwiększona efektywność procesu (hodowla w najlepszym stanie fizjologicznym)

- zmniejszenie nakładu pracy i czasu na umycie i sterylizację aparatury

- równomierne obciążenie całej linii produkcyjnej

-stosowanie- bardzo efektywne- sterylizacji ciągłej

Trudności (wady) hodowli ciągłych (w skali przemysłowej)

- zapewnienie jednorodnych warunków w zbiorniku (m.in. jednorodność pożywki)

- utrzymanie sterylności przez długi okres (!!)

- utrzymanie stabilności:

~ szczepu- mutacje (rewersja)

~ operacji mechanicznych- urządzenie doprowadzające pożywkę (w laboratorium), sam bioreaktor
(w dużej skali)

Modyfikacje procesów hodowli:

1. Hodowla wgłębna okresowa

2. Hodowla dolewowa

3. jednostopniowy proces hodowli ciągłych w układzie homogennym

4. modyfikacja hodowli ciągłej z zawracaniem biomasy

5. 2-stopniowy proces ciągły w układzie homogennym
   (inne warunki w obu bioreaktorach np. 1-wzrost, 2- produkcja)

6. 2-stopniowy proces ciągły heterogeniczny z przepływie tłokowym

7. 2-stopniowy proces ciągły heterogeniczny z przepływie tłokowym z częściowym zawracaniem biomasy

8. Układ 2-stopniowy

9. Układ z odprowadzeniem produktów metodą dializy

10. Proces okresowy w kolumnie ze złożem biokatalizatora i recyrkulacją cieczy

11. Proces ciągły w kolumnie ze złożem biokatalizatora

12. Proces ciągły z kolumnie ze złożem biokatalizatora i zawracaniem biomasy

raczej w laboratorium

Metoda

okresowa

cienkie warstwy (kilka cm) na tacy

---