Cele prowadzenia bioprocesów:

• Produkcja biomasy

• Fermentacja

• Produkcja metabolitów(biosynteza)

• Biodegradacja

• Bioługowanie

• Przemiana substratu (biotransformacja)

Metody hodowli drobnoustrojów

Proces okresowy
zalety	wady
Prosty biotechnologicznie: szczepienie, hodowla, zakończenie hodowli i izolacja produktu z całej zawartości fermentora	Brak maksymalnego wykorzystania aparatury i potencjału drobnoustrojów Okresy bezproduktywne Krótki okres tworzenia produktu Zmienność warunków środowiska Trudności w kontroli i automatyzacji procesu

Metabolizm drobnoustrojów - krzywa wzrostu

1.Faza inkubacyjna - lag faza

3.Faza logarytmicznego wzrostu log faza

5.Faza stacjonarna idiofaza

6.Faza zamierania

Metody hodowli drobnoustrojów

• Modyfikacje procesów okresowych

• Okresowy z zasilaniem: okresowe lub ciągłe dolewanie pożywki, rozcieńcza się metabolity hamujące wzrost a dostarcza substratu w miarę jego zużywania

• Okresowy z powtórnym zasilaniem: co pewien czas odbiera się część pożywki z biomasą i dostarcza świeżej (stała objętość)

Metody hodowli drobnoustrojów

Proces ciągły Ciągły dopływ pożywki i jednoczesne odbieranie zawartości fermentatora
zalety	wady
Maksymalne przedłużenie trwania fazy produkcyjnej Pominięcie zbędnych bezprodukcyjnych etapów (zaszczepienie, faza inkubacyjna) Stała szybkość wzrostu, stałe warunki środowiska Zwiększona wydajność procesu, oszczędność	Niebezpieczeństwo wymywania drobnoustrojów Ryzyko zakażenia (np. bakteriofagami)

Hodowle ciągłe drobnoustrojów

Chemostat - zbudowany z naczynia hodowlanego oraz ze zbiornika, który dostarcza świeżą pożywkę

Zasada chemostatu:

• Pożywka jest dostarczana ciągle i ze stałą szybkością.

• Stała objętość pożywki w bioreaktorze.

• Nadmiar zawartości jest odprowadzany.

Wzrost drobnoustrojów jest limitowany stężeniem substratu.

Turbidostat

Zasada turbidostatu:

• utrzymanie stałej gęstości drobnoustrojów (stałego zmętnienia)

• pożywka jest dostarczana w sposób regulowany, zmienny

Składniki odżywcze są stałe w nadmiarze. Właściwa szybkość wzrostu jest bardzo wysoka.

Trudniejszy technologicznie.

Auksostat

Zasada:

• określona wielkość jest utrzymana na stałym poziomie (np. pH, ilość rozpuszczonego tlenu)

Stosowany w procesach intensywnego namnażania drobnoustrojów (np. w oczyszczaniu ścieków)

Projektowanie: bioreaktor standardowy

• stanowi ok. 95% wszystkich bioreaktorów

• pojemność: 2l - 250m³

• tzw. objętość robocza stanowi ok. 2/3 pojemności całkowitej

• objętość minimalna zależy od położenia czujników oraz najniższego poziomu łopatek mieszadła

• przegrody na ściankach (zwykle 4) - konieczne przy mieszadle typu łapowego

• stosunek wysokość : szerokość zbiornika (H/D) wynosi zwykle ok. 3, wysoki H/D polepsza wymianę cieplną i gazową, niski H/D zmniejsza wymiary bioreaktora, lepszy kontakt powierzchni pożywki z powietrzem, lepsze i mniej energochłonne mieszanie pożywki

Schemat bioreaktora typ podstawowy

1. dopływ kwasu lub zasady do regulacji pH

2. nasycona para wodna do sterylizacji

3. wał z napędem

4. urządzenie do niszczenia piany

5. mieszadło

6. pożywka

7. dopływ powietrza lub gazu

8. płaszcz chłodzący lub grzewczy

Przykłady bioreaktorów komercyjnych

-bioreaktor laboratoryjny sterylizowany in situ

-bioreaktor półprzemysłowy

-bioreaktor przemysłowy

Pompy

1. perystaltyczne

• bardzo higieniczne, odporne na środki żrące, małe siły ściągające

• mało wydajne

• idealne w biotechnologii-do małych i średnich bioreaktorów

2. tłokowe

• dokładne wysokociśnieniowe, higieniczne

• wyłącznie do czystych pożywek o niskiej lepkości

3. membranowe

• napędzane sprężonym powietrzem, higieniczne odporne na żrące płyny, delikatne dla komórek różna wydajność

• wymagają powietrza i czystości, awaryjne

Procesy down-stream

Trudności w wydzielaniu produktów z płynów biologicznych

• duża lepkość cechy nieniutonowskie-reologia

• wolna sedymentacja trudna filtr owalność

• wrażliwość termiczna i chemiczna-tworzenie emulsji i zawiesin

Układ ciecz-ciało stałe	Układy równowagowe wielofazowe
Metody mechaniczne: filtracja, wirowanie, krystalizacja, sedymentacja	Ekstrakcja: adsorpcja, chromatografia, ekstrakcja ciecz-ciecz, precypitacja, wymiana jonowa
Metody membranowe: ultrafiltracja, odwrócona osmoza, dializa	Metody termiczne: destylacja, suszenie, odparowanie, liofilizacja, wymrażanie
Wykorzystanie ładunków elektrycznych: elektrofiltracja, elektroforeza

Mieszanie i napowietrzanie

• Makromieszanie (wynika z budowy bioreaktora)

• Mikromieszanie (decyduje o efektywności procesu)

• Specyfika procesu mieszania w bioprocesach:

• Charakter nieniutonowski cieczy( szczególnie grzyby i organizmy nitkowate)

• Duża wrażliwość biomasy na siły ścinające

• Tendencja do tworzenia się piany

• Układy wielofazowe( gaz w cieczy, ciecz-ciecz, ciecz-ciało stałe)

• Inne sposoby mieszania zawartości bioreaktora:

• Wibromieszanie; wstrząsanie pożywki przez wibrujący dysk umieszczony w pożywce( małe siły ścinające, np. do hodowli komórek zwierzęcych:

• Mieszanie hydrauliczne; użycie pompy, która wprowadza pożywkę w ruch (stosowane np. w oczyszczalniach ścieków)

• Mieszanie pneumatyczne

• Bełkotki na dnie bioreaktora(barbotaż=jednoczesne mieszanie i napowietrzanie)

• Bioreaktor typu air-lift

Piana

Piana- zjawisko wysoce niepożądane, jest to układ fazowy gaz-ciecz z małym udziałem cieczy
Substancje pianotwórcze obecne w podłożu:
mąki hydrolizaty ekstrakty(polipeptydy i białka niskocząsteczkowe)

Piana powoduje wznoszenie się stałych części podłoża i ich osadzanie na ściankach, niejednorodność układu, trudności w kontroli procesu, spadek pojemności użytkowej fermentora, uszkodzenie oprzyrządowania.

Łamanie piany-chemiczne.

• Środki przeciwpienne

• Naturalne(oleje roślinne, tłuszcze zwierzęce) wpływają ujemnie na warunki hodowli, tanie

• Syntetyczne( silikony, wyższe alkohole) nie wpływają bezpośrednio na metabolizm, droższe

• Wszystkie pogarszają wymianę tlenową

• Główne kryterium doboru to wpływ na produkt końcowy i nietoksyczność

---