1 Przemysłowe procesy fermentacyjne

2 Rodzaje bioprocesów Biosynteza Biotransformacja BiohydrolizaFermentacja Bioługowanie Biodegradacja

3 Blokowy schemat technologiczny procesu biosyntezy mikrobiologicznej

4 Sposoby prowadzenia procesów biotechnologicznychA – proces okresowy; B – proces okresowy z zasilaniem; C – proces ciągły w układzie homogenicznym; D – proces ciągły homogeniczny z częściową recyrkulacją ; E – proces ciągły dwustopniowy; F – proces ciągły heterogeniczny w reaktorze z przepływem tłokowym; G – proces ciągły heterogeniczny z częściową recyrkulacją; H – proces ciągły dwustopniowy w układzie mieszanym; I – proces z odprowadzeniem produktu metodą dializy; J – proces okresowy w kolumnie ze złożem biokatalizatora, z recyrkulacją cieczy; K – proces ciągły w kolumnie ze złożem biokatalizatora; L – proces jak w K, z częściową recyrkulacją

5 PROCESY CIĄGŁE Zalety:    Zalety: 1.      Wyeliminowanie wpływu czasu hodowli na zmiany warunków w pożywce i fizjologię drobnoustrojów 2.      Możliwość prowadzenia hodowli dowolnie długo w ustalonych, optymalnych warunkach 3.      Możliwość regulacji stanu fizjologicznego komórek przez dobór zasilania i składu podłoża zasilającego hodowlę 4.      Jednorodność fizyczna i chemiczna hodowli 5.      Możliwość automatyzacji procesu 6.      Większa szybkość i wydajność wielu procesów 7.      Możliwość maksymalnego wykorzystania aparatury i jej równomiernego obciążenia Wady: 1.      Możliwość degeneracji szczepów lub pojawienia się niekorzystnych mutacji i opanowania hodowli przez populacje komórek o pogorszonych właściwościach produkcyjnych 2.      Trudności w utrzymaniu warunków aseptycznych procesu w bioreaktorze przez dłuższy czas 3.      Niekorzystny sposób rozwoju niektórych drobnoustrojów, tworzących układy wielokomórkowe, skupiska w postaci kłaczków i kuleczek, obrastanie przewodów 4.      Niekorzystna relacja pomiędzy wzrostem drobnoustrojów, a tworzeniem niektórych produktów metabolizmu syntezowanych przez komórki nie rosnące

6 Podstawowe typy bioreaktorów do tlenowych procesów wgłębnychA – bioreaktor z mieszadłem tarczowo-turbinowym i bełkotką; B – bioreaktor z mieszadłem aeratorem; C – bioreaktor strumienicowy z pompą zewnętrzną i eżektorowym zasysaniem powietrza; D – bioreaktor kolumnowy z bełkotką; E – bioreaktor kolumnowy z inżektorowym doprowadzeniem powietrza i rurą cyrkulacyjną; F – bioreaktor z mieszadłem śmigłowym, dyszą doprowadzającą powietrze i rurą cyrkulacyjną; G – bioreaktor z hydrostatyczną cyrkulacją zewnętrzną

7 BIOREAKTORY Bioreaktory przemysłowe Bioreaktor laboratoryjny

8 Bioreaktor (1) korpus; (2) płaszcz; (3) izolacja; (4) zamocowanie;(5) króciec do podawania inokulum; (6) króćce czujników pH, temperatury i poziomu tlenu; (7) mieszadło; (8) bełkotka; (9) uszczelka mechaniczna; (10) sprzęgło; (11) napęd; (12) króciec odbioru produktu; (13) króćce doprowadzenia czynnika chłodzącego do płaszcza; (14) króciec do poboru próbki z podłączeniem do przewodu dostarczającego parę; (15) wziernik boczny; (16) króćce przewodów podawania czynników regulujących pH oraz środków antypieniących; (17) króciec wlotu powietrza; (18) pokrywa; (19) króciec dopływu pożywki; (20) dysza wylotowa gazów; (21) inne podłączenia; (22) mechaniczny rozbijacz piany; (23) wziernik w pokrywie i podłączenie do przewodu odprowadzającego parę; (24) dysza z zaworem bezpieczeństwa.

9 Rodzaje mieszadeł stosowanych w biofermentorach

10 Rozwiązania techniczne bioreaktora typu air-lift

11 Schematy wybranych bioreaktorów do procesów z biokatalizatorami immobilizowanymi A – kolumna ze złożem upakowanym; B – kolumna ze złożem zraszanym; C – kolumna ze złożem fluidalnym; D – bioreaktor z mieszadłem mechanicznym; E – bioreaktor z wkładami unieruchomionego biokatalizatora; F – bioreaktor z krzyżowym przepływem fazy ciekłej i gazowej; G – bioreaktor rurowy z wkładami (włóknami) z materiału półprzepuszczalnego

12 Urządzenia do mechanicznego rozbijania pianyA – dysk szybkoobrotowy (1 – wylot powietrza, 2 – doprowadzenie chemicznego środka przeciwpianowego); B – mieszadło łapowe pomiędzy dwoma dyskami; C – fundafom CHEMAP (1 – zasysanie piany, 2 – wylot powietrza, 3 – wyrzut cieczy); D –cyklon (1 – pompa, 2 - wylot powietrza)

13 Źródła azotu stosowane w pożywkach fermentacyjnychKrew bydlęca Beef blood Hydrolizat kazeiny Casein hydrolysate Mączka z nasion bawełny Cottonseed meal Mączka z kiełków kukurydzianych Corn germ meal Wodny namok kukurydziany Corn steep liquor Mączka rybna Fish meal Mączka z siemienia lnianego Limseed meal Mączka mięsno-kostna Meat and bone meal Mączka z orzeszków ziemnych Peanut meal Mączka z nasion rzepaku Rape seed meal Mączka sojowa Soybean meal Stałe składniki serwatki Whey solids Ekstrakt drożdżowy Yeast extract

14 Źródła węgla stosowane w pożywkach fermentacyjnychMelasy z buraków lub trzciny cukrowej Beet or cane molasses Glukoza Glucose Kwas cytrynowy Citric acid Syrop kukurydziany Corn liquor Dekstryny Dextrins Etanol Ethanol Glicerol Glycerol Syrop maltozowy Maltose liquor Skrobia Starch Laktoza Lactose Lipidowe składniki pożywek fermentacyjnych Olej z nasion bawełny Cottonseed oil Olej ze smalcu Lard oil Olej palmowy Palm oil Olej z ziarna palmowego Palm kernel oil Olej z orzeszków ziemnych Peanut oil Olej rzepakowy Rape oil Olej sojowy Soy oil Łój Tallow

15 Metody wyjaławiania podłożaA – okresowa; B- ciągła przeponowa, wymienniki płytowe; C – ciągła bezprzeponowa 1- inżektor parowy, 2 – rura sterylizacyjna, 3 – komora „próżniowa”

16 Schemat postępowania podczas przygotowaniamateriału posiewowego do procesu biosyntezy

17 Schemat etapów procesu fermentacyjnego

18 1. oddzielenie elementów nierozpuszczalnych od cieczy OBRÓBKA POPRODUKCYJNA – DOWNSTREAM PROCESSING 1.    oddzielenie elementów nierozpuszczalnych od cieczy 2.    zatężenie roztworu 3.    oczyszczanie 4.    formułowanie

19 Wirówki wykorzystywane w przemysłowych procesach biotechnologicznychOBRÓBKA POPRODUKCYJNA – DOWNSTREAM PROCESSING Wirówki wykorzystywane w przemysłowych procesach biotechnologicznych a) kalander rurowy; b, c) wirówka talerzowa; d) wirówka ślimakowa

20 Przemysłowe metody dezintegracji komórekA. Metody mechaniczne Poddawanie działaniu wysokiego ciśnienia Ucieranie (młyny kulowe) Mikrofluidyzacja B. Metody niemechaniczne Suszenie/zawieszanie w roztworze Szok osmotyczny Szok termiczny Traktowanie rozpuszczalnikami organicznymi lub surfaktantami Zastosowanie enzymów litycznych

21 Przemysłowe metody zagęszczania roztworówOdparowywanie, w tym: odparowywanie ze spływającą warstwą, odparowywanie płytowe Ekstrakcja ciecz/ciecz - prosta - dysocjatywna - reakcyjna Wytrącanie - frakcjonowanie siarczanem amonu - wytrącanie powinowactwa - immunoprecypitacja Adsorpcja - na węglu aktywnym - na żywicach jonowymiennych - na adsorbentach hydrofobowych metoda złoża fluidalnego w kolumnie – proces ciągły

22 Ekstrakcja płynem w stanie nadkrytycznymDiagram fazowy pojedynczej substancji Pc – ciśnienie krytyczne; Tc – temperatura krytyczna

23

24 OBRÓBKA POPRODUKCYJNA – DOWNSTREAM PROCESSINGOdparowywanie membranowe - pervaporation

25 Przemysłowe techniki chromatograficzneStosowane głównie dla oczyszczania białek i DNA Techniki: Chromatografia rozmiarów wykluczających (Sephadex, Sepharose) Chromatografia jonowymienna (DEAE-, Q-, CM-, S) Chromatografia hydrofobowa (Phenyl-Sepharose) Chromatografia adsorpcyjna (hydroksyapatyt) Chromatografia powinowactwa

26 Metody formułowania produktukrystalizacja suszenie liofilizacja Liofilizatory Suszarka z wymuszonym obiegiem powietrza