Bioreaktor - dowolny układ zamknięty lub otwarty, w którym występuje jakikolwiek żywy organizm wykazujący podstawowe funkcje życiowe lub też pochodzący od żywego organizmu cząsteczka biokatalizatora zdolna do katalizowania określonej reakcji biochemicznej. Unieszkodliwianie piany- chemiczne (Środki przeciwpienne mogą być pochodzenia naturalnego (np. oleje roślinne) lub syntetyczne (np. na bazie silikonów), mechaniczne (mieszadło łopatowe pomiędzy 2 dyskami, dysk szybkoobrotowy, cyklotron, odpieniacz typu „Fundafon”). Reaktory bezmieszadłowe air-lift- barbotażowy- kształt cylindrycznej kolumny w której powietrze doprowadzane od dołu przez perforowane płyty/rury. Cyrkulacyjny z cyrk wewn- posiadają 2 części wzajemnie ze sobą połączone, do jednej doprowadzany gaz (strefa wznoszenia) a druga to strefa opadania (bezpowietrzna) Bioreaktory tego typu posiadają cyrkulację wewnętrzną lub zewnętrzną. Cyrkulacja cieczy jest wymuszona dzięki różnicy gęstości płynu w poszczególnych częściach aparatu. Cyrkulacyjny z cyrk zewn- powietrze przepływa po części zewnętrznej. Zalety- możliwość pomiaru i kontroli procesu zarówno w strefie napowietrzania, jak i w strefie opadowej, lepsze odprowadzenie ciepła reakcji niż w bioreaktorze zbiornikowym, ciśnienie hydrostatyczne zwiększa rozpuszczalność tlenu. Typy bioreaktorów jednorazowych- 10-15 ml - ambro15; 100-250 ml - ambro250, wykorzystywane do produkcji komercyjnej (na szeroką skalę) bo: skracają czas czynności obsługowych (czyszczenie, sterylizacja), zmniejszają ryzyko zakażeń krzyżowych, gdyż do każdego procesu używa się nowego pojemnika, łatwa instalacja i uruchomienie, sprawność i wydajność porównywalna z tradycyjnymi stalowymi bioreaktorami. Biosynteza - wieloetapowy proces tworzenia złożonych związków organicznych ze związków prostych, zachodzi w żywych organizmach pod wpływem enzymów i podlega bardzo ścisłej regulacji biokat-drobnoustr, produkcja enzymów, aminokw, antybiot Biotransformacja - jest procesem biologicznym, w którym czynnik biologiczny wykorzystywany jest do przeprowadzenia ściśle określonej przemiany chemicznej, dzięki swej specyficzności reakcyjnej, substratowej i stereochemicznej. Drobnoustr- otrzymanie kw octowego, sterydów pleśnie- enzymy. Etapy bioprocesu przemysłowego- I przygotowanie procesu (up stream processing)> materiał posiewowy (inokulum); Surowce> przygotowanie pożywek> sterylizacja. II bioreaktor- właściwy proces, cel: namnożenie biomasy, produkcja metabolitu, zużycie substratu. III wydzielenie i oczyszczenie bioproduktu (down stream processing) wydzielenie biomasy, procesy dezintegracji komórek, zatężenie, wyodrębnienie produktu, oczyszczanie go, formacja produktu. Równanie Michaelisa Menten- większość skłd pożywki transportowana do komórek za pośrednictwem enzymów, więc wykorzystuje się równanie M-M reakcji enzymatycznych: qs=(qsmax*S)/(Km+S) Km-stała Michaelisa, S- stęż substr, qs- wł szybk zużycia substratu, qsmax- max szybk zużycia substr. Równanie Monoda dla jakich warunków- w warunkach limitacji substratowej. Ponieważ szybkość wzrostu zależy od zużycia substratu a limitacja substratowa hamuje wzrost komórek, to także właściwa szybkość wzrostu zależy od stężenia substratu i do opisy tej zależności można użyć równania Monda μ=μmax(S/Ks+S) K_S – stała nasycenia substratem. Na co komórki zużywają substrat- na wzrost biomasy, tworzenie produktu, podtrzymanie funkcji życiowych. Zużycie substratu na podtrzymanie życia komórki nazywamy tzw. metabolizmem endogennym. Jak się zmieni szybkość wzrostu biomasy i zużywania substr w metabolizmie endogennym- komórki żyją jeszcze mimo wysokiej temperatury. Przy wzroście temperatury do granicy przeżycia (krytycznej) komórka walczy o przeżycie więc substr wykorzystywany zostaje na przemianę podstawową. Metabolity pierwotne- produkty powstające w procesach szlaku centralnego, reakcje związane z podst fukcjami życiowymi (faza log wzr- przy intensywnym wzroście). Wtórne- idiolity, powstają w metabolizmie peryferyjnym, w fazie zahamowanego wzrostu i stacjonarnej czyli idiofazie. Typowe fazy wzrostu w procesie okresowym μ↑_/­­¯\_→czas; I faza adaptacyjna, II przysp wzrostu, II wykładniczego wzrostu, IVzahamowanego wzrostu, V stacjonarna, VI obumierania. 4 sposoby kontroli procesu ciągłego- chemostat- parametr kontrolowany Metabolizm (μ), hodowla limitowana zgodnie z modelem Monoda. Turbidostat- przepływ medium kontrolowany na podstawie czujnika zmętnienia, zastosowanie ograniczone do skali laboratoryjnej. pH auxostat- przepływ medium kontrolowany na podstawie pomiaru pH. Nutristat- mierzone i korelowane stężenie substratu, dozowane stężenie tak aby było stałe. Wykres zależności stężenia biomasy od szybkości rozcieńczania w chemostacie przy Małej wartości m- stęż biom↑¯)→1D m=0,01; dużej wartości biom↑∩→1D m=0,2. Krytyczna szybkość rozcieńczania w chemostacie, od czego zależy- to szybkość rozcieńczania przy której produktywność biomasy, stęż produktu i stęż biomasy zanika, a stężenie substr na wylocie jest największe. Jest równa szybkości wymywania Dmax=μmax(Si/So+Ks) gdzie μmax max właść szybk wzrostu, So stężenie substratu, Ks stała nasycenia. Zależy od Ks gdzy Si>>Ks to Dmax=μmax, jeśli Ks rośnie to Dmax maleje. Optymalna szybkość rozcieńczania w chemostacie, jaki związek z czasem przebywania w reaktorze? Ułamek z biomasy zawartej w jednostce objętości hodowli, odprowadzana na zewnątrz w jednostce czasu. D- stała szybkość rozcieńcz, wskazuje jaka objętość hodowli w jednostkach czasu zostaje wymieniona na świeżą pożywkę. Średni czas przebywania w chemostacie [h]=1/D=(Si-S)*(1/-rs)- pole prostokąta. 1/Dmax prod=τopt- średni czas optymalny przebywania w chemost Możliwe najczęstsze zakłócenia idealnej pracy chemostatu- niejednorodność stężenia wskutek flotacji- przez gromadzenie się biomasy w pianie; niejednorodność wskutek sedymentacji- polega na gromadzeniu się biomasy na dnie. Mamy nierównomierne rozłożenie biomasy. Niejednorodność stężenia- część biomasy gromadzona w zakamarkach bioreaktora. 3 cechy bioreaktora CSTB oraz PFB- CSTB- każdy element strumienia wlotowego zostaje równomiernie rozprowadzony w całej objętości zbiornika w krótkim czasie; stęż każdego składnika mieszaniny w całej obj zbiornik identyczne i równe stężeniu w strumieniu wylotowym; średni czas przebywania w zbiorniku τm=V/F. PFB- profil prędkości i stęż płaski, wszelkie zmiany stęż są na wlocie zachowane wzdłuż aparatu (jeśli brak reakcji chem), czas przebywania τm=L/u. Omów zasadę prowadzenia procesów metodą półciągłą- podczas procesu do bioreaktora dodawane są dodatk ilości substr co pozwala na przedłużenie czasu produkcji. Substrat może być dodawany, aby jego stęż było czynnikiem limitującym szybkość reakcji a wtedy szybkość reakcji jest kontrolowana przez szybkość dozowania pożywki. Podczas procesu żaden materiał nie jest odbierany z bioreaktora, więc objętość medium rośnie, a stęż biomasy jeśli rośnie to niewykładniczo. Metoda bardzo elastyczna. Najważniejsze strategie w proc dolewowych- powolne F=const zasilanie pożywką o dużym stężeniu daje niewielkie zmiany objętości, liniowy wzrost biomasy; zasilanie ze zmienną szybk wykładniczą pozwala na utrzymanie stałego stężenia substratu w reaktorze i osiągnięcia nielimitowanego wykładniczego wzrostu komórek; zasilanie stałym strumieniem pożywki o niewielkim stężeniu prowadzi do wzrostu objętości, w rezultacie stężenie substratu w reaktorze maleje a stężenie biomasy, jest stałe. Równania bilansu biomasy substratu tlenu rozp w bioreaktorze dolewowym- Biomasa: dX/dT=-(F/V)X+μX, substr: dS/dt=(F/V)Si-(F/V)S-qsX, tlen: d(pO2)/dt=k_La(pO2*-pO2)-q_O2X. wady i zalety hodowli metodą dolewową- Możliwość kontroli szybkości reakcji (wzrostu) i (do pewnego stopnia) typu metabolizmu, poprzez wybór warunków limitacji substratem; Łatwiejsze utrzymywanie sterylności i stabilności szczepu oraz wyższe stężenie produktu niż w hodowlach ciągłych; Możliwość przedłużenia fazy wzrostu i tworzenia produktu; Możliwość rozdzielenia warunków dla fazy wzrostu biomasy i tworzenia produktu. Wady: występowanie dużych gradientów stężenia między punktem dozowania substratu a całą objętości bioreaktora; skoki stężenia mają zwykle niekorzystny wpływ na wzrost i współczynniki wydajności; przy dosilaniu przerywanym- bezpośrednio po dodaniu substratu stężenie jest wysokie, przed dodaniem – niskie, takie oscylacje są także niekorzystne dla mikroorg. Typ bioreaktora do procesu: kinetyka 0 rzędu- dowolny typ bioreaktora dolewowy, zbiornikowy okresowy, rurowy ciągły PFB, szybkość reakcji nie zależy od stężenia. Kientyka I- większość bioproc przy małym stęż substr, najlepsze zbiornikowy okresowy, rurowy ciągły PFB. Silna inhibicja- zbiornikowy ciągły CSTB, stałe niskie stęż substr. Silna inhibicja- zbiornikowy okresowy, rurowy ciągły PFB przez większość czasu niskie stęż produktu. Zaproponuj i uzasadnij w jaki sposób poprowadzisz proces aby uzyskać jak największą ilość metabolitu wtórnego- technika dolewowa- łączy zalety okresowej i ciągłej; możliwość kontroli szybkości reakcji i typu metabolitu, duża produktywność, możliwość uzyskania wysokich stężeń biomasy. Metody zmiany skali bioreaktorów- 1) metoda podstawowa-rozwiązanie kompletnego modelu matematycznego procesu 2)metoda podstawowa uproszczona-wykorzystanie uproszczonego modelu matematycznego 3) analiza wymiarowa i analiza rezimuproesu- opiera się na poszukiwaniu zw miedzy wielkościami fizycznymi i grupowaniu ich w kryteria bezwymiarowe 4)metody oparte na stałości poszczególnych zmiennych operacyjnych. Na czym polega trudność dokładnego odwzorowania skali procesu?- dobranie i utrzymanie wszystkich parametrów procesu na zamierzonym poziomie; przeniesienie tych samych warunków procesu- mieszanie, wymiana masy i ciepła; projektowanie i zmiana skali dla procesów tlenowych. Kryteria zmiany skali- wykorzystuje metody oparte na stałości poszczególnych zmiennych operacyjnych, zachowanie takiej samej wartości pewnej wielkości wybranej na podstawie doświadczeń lub analizy procesu. W proc tlenowych- Stałość P/V, OTR (K_La), pO2, stałość czasu mieszania, szybkości liniowej końca łopatki mieszadła.