SUROWCE I MATERIAŁY W BIOTECHNOLOGII

RODZAJE BIOPROCESÓW PRZEMYSŁOWYCH
PROCES
BIOSYNTEZA
BIOTRANSFORMACJA
BIOHYDROLIZA
FERMENTACJA
BIOŁUGOWANIE
BIODEGRADACJA

SPOSOBY PROWADZENIA BIOPROCESÓW:

• OKRESOWE – podłoże szczepione jest drobnoustrojami, które namnażają się i tworzą określony produkt. PO zakończeniu fermentacji produkt jest izolowany z całości hodowli, z komórek lub przesączu pohodowlanego, a cała aparatura jest przygotowywana do nowego cyklu produkcyjnego.

• Prostota technologiczna,

• Brak możliwości maksymalnego wykorzystania aparatury i urządzeń technologicznych, potencjału metabolicznego komórek i aktywności enzymów,

• Trudności w kontrolowaniu i regulacji procesu.

• CIĄGŁE – po wstępnym okresie namnażania drobnoustrojów rozpoczyna się stałe zasilanie hodowli strumieniem świeżego podłoża, połączone z jej ciągłym odbiorem, przy zachowaniu stałej objętości. Ustala się równowaga między szybkością zużywania substratu S na synteze biomasy X a szybkością jego dostarczania:

$$\frac{1}{Y}\frac{\text{dX}}{\text{dt}} = \frac{\text{dS}}{\text{dt}},\ Y - wspolczynnik\ wydajnosci\ biomasy\ ze\ zuzytego\ substratu$$

CHEMOSTAD – model hodowli ciągłej drobnoustrojów. Zasada jest stan równowagi dynamicznej między szybkością wzrostu i szybkością wymywania komórek:

μX = DX,  μ = D,  

$$\mu - szybkosc\ wlasciwa\ wzrostu = \frac{1}{X}\frac{\text{dX}}{\text{dt}},\ $$

$$D - szybkosc\ rozcienczenie\ hodowli = \frac{F}{V},\ F - natezenie\ przeplywu\ podloza,\ V - objetosc\ hodowli$$

W warunkach stanu ustalonego wzrost ma charakter ograniczony – limitowany stężeniem pożywki:

$$\mu = \mu_{\max}\frac{S}{K_{s} + S},\ $$

$$\mu_{\max} - \ maks.,\ wlasciwa\ szybkosc\ wzrostu,\ K_{s} - \ stala\ polnasycenia,\ stezenie\ substratu,\ przy\ ktorym\ \mu = \frac{1}{2}\mu_{\max}$$

• Wyeliminowanie wpływu czasu hodowli na zmiany warunków hodowli i fizjologie komórek,

• Możliwość prowadzenia hodowli dowolnie długo w ustalonych, najbardziej korzystnych warunkach,

• Możliwość regulacji stanu fizjologicznego komórek przez dobór szybkości zasilania i składu podłoża zasilającego hodowlę,

• Stosunkowo duża jednorodność fizyczna i chemiczna hodowli,

• Możliwość automatyzacji procesu,

• Większa szybkość i wydajność wielu procesów,

• Możliwość maks. wykorzystania aparatury przy jednoczesnym równomiernym jej obciążeniu przez czas trwania procesu,

• Degeneracja szczepów lub pojawienie się niekorzystnych mutacji i opanowanie hodowli przez populacje komórek o pogorszonych właściwościach produkcyjnych,

• Trudności w utrzymaniu warunków aseptycznych procesu w bioreaktorze przez dłuższy czas,

• Niekorzystny dla hodowli ciągłej sposób rozwoju niektórych drobnoustrojów, tworzących układy wielokomórkowe, skupiska w postaci kłaczków i kuleczek, tendencja do obrastania przewodów i innych elementów bioreaktora,

• Niekorzystna relacja pomiędzy wzrostem drobnoustrojów a tworzeniem niektórych produktów metabolizmu syntezowanych przez komórki nierosnące,

• Niedostateczna znajomość dynamicznych właściwości drobnoustrojów w hodowli ciągłej.

Praktyczne zastosowanie procesów ciągłych jest ograniczone do hodowli drożdży, glonów i bakterii w celu otrzymania bia łka paszowego oraz do fermentacji alkoholowej, mleczanowej, octowej i oczyszczania ścieków metoda osadu czynnego.

• OKRESOWE Z ZASILANIEM – zmodyfikowane procesy okresowe. Pod koniec logarytmicznej fazy wzrostu hodowli, dodaje się świeżej pożywki lub tylko niektórych jej składników (FBC – feed batch culture). Można tez okresowo odbierać częśc hodowli, odtwarzając podobne stany przejściowe (RFBC – repeated feed batch culture). Hodowla okresowa z zasilaniem znajduje zastosowanie w namnażaniu drożdży, otrzymywaniu białka jednokomórkowców, alkoholi, kwasów organicznych, antybiotyków, witamin, giberelin, alkaloidów, aminokwasów.

BIOREAKTORY – urządzenia skonstruowane w sposób umożliwiający kontrole procesu produkcyjnego I jego optymalny przebieg w warunkach maksymalnego ograniczenia lub całkowitego wyeliminowania możliwości zakażeń.

KRYTERIA PODZIAŁÓW I TYPY BIOREAKTORÓW:

sposób prowadzenia procesu: bioreaktory do procesów okresowych, bioreaktory do procesów ciągłych, bioreaktory z zawracaniem lub zatrzymaniem biogazy, rodzaj biokatalizatora: bioreaktory do klasycznych procesów mikrobiologicznych, bioreaktory do hodowli komórek organizmów wyższych w zawiesinie, bioreaktory do hodowli komórek organizmów wyższych na nośniku, bioreaktory do procesów enzymatycznych w roztworze, do procesów z użyciem biokatalizatorów unieruchomionych, warunki hodowli drobnoustrojów, komórek: bioreaktory do hodowli na powierzchni podłoża, bioreaktory z nośnikiem stałym, bioreaktory do hodowli wgłębnej,

warunki tlenowe: bioreaktory do procesów tlenowych, bioreaktory do procesów beztlenowych, warunki i sposoby mieszania: bioreaktory bez wymuszonego mieszania, z wymuszonym mieszaniem, z mieszadłem mechanicznym, bezmieszadłowe, kolby wstrząsowe, mieszanie strumieniem pęcherzyków powietrza, mieszanie strumieniem przepompozywanej cieczy, układy łączone, sposób doprowadzenia energii na mieszania: mieszadłem mechanicznym przez fazę ciekłą, pompa przez fazę ciekłą, poprzez fazę gazową, sposoby łączone.

PROCESY WYDZIELANIA I OCZYSZCZANIA – obejmują:

• wydzielanie bioproduktów (biomasy, pozostałości po zdezintegrowanej biomasie oraz innych nierozpuszczalnym substancji),

• koncentrację bioproduktów (usuwanie wody,

• wstępne oczyszczanie (strącanie itp.),

• właściwe oczyszczanie (wydzielanie produktów w ramach wykorzystania określonych metod),

• utrwalanie produktów.

METODY WYDZIELANIE I KONCENTRACJI BIOPRODUKTÓW:

Wydzielanie i koncentracja w układzie ciecz-ciało stałe: Metody mechaniczne: Filtracja, Ultrawirowanie, Krystalizacja, Sedymentacja, Metody membranowe: Membrany ciekłe, MIKROFILTRACJA – metoda separacji zawiesin przy użyciu membran porowatych, Ultrafiltracja, Odwrócona osmoza PERWAPORACJA – realizacja przepływu nadawy (ilość surowca jednorazowo wprowadzana do aparatu chemicznego lub maszyny w celu jego przetworzenia) z jednej strony nieporowatej, liofilowej, cienkiej membrany i odparowywanie penetratu z drukiej strony membrany, gdzie najczęściej przepływa gaz. elektrodializa Metody oparte na wykorzystaniu prądu elektrycznego: Elektrofiltracja, Wydzielanie elektromagnetyczne, Elektroforeza, Wydzielanie elektrostatyczne,

Wydzielanie i koncentracja w układach równowagowych wielofazowych: Metody ekstrakcji: W układach ciecz-ciecz, W układzie ciało stałe-ciecz (ługowanie), Płynami nadkrytycznymi, Układy dwufazowe, Metody termiczne: Destylacja, Suszenie, Odparowanie, Liofilizacja, Inne: Adsorpcja, Absorpcja, Chromatografia, PRECYPITACJA – strącanie osadu, Wymiana jonowa, Frakcjonowanie piany.