Udział w badaniach w celu walki z miaŝdŝycąXplore Health
Protocol for youngsters to carry out a bacterial transformation in a lab. The protocol follows a line of biomedical research which focuses on the study of a potential therapeutic target that could be recognised by a drug against atherosclerosis. The experiment protocol is an opportunity for science centres, museums and schools to replicate a real experiment done in a real lab doing research on drug discovery.
Udział w badaniach w celu walki z miaŝdŝycąXplore Health
Protocol for youngsters to carry out a bacterial transformation in a lab. The protocol follows a line of biomedical research which focuses on the study of a potential therapeutic target that could be recognised by a drug against atherosclerosis. The experiment protocol is an opportunity for science centres, museums and schools to replicate a real experiment done in a real lab doing research on drug discovery.
1. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Rodzaje przemysłowych procesów fermentacyjnych
- procesy, w których produktem jest biomasa
- procesy, w których produktem jest białko, najczęściej
enzym
- procesy, w których produktem jest metabolit (biosynteza)
- procesy, których celem jest przekształcenie
związku dodanego do mieszaniny fermentacyjnej
(biotransformacja)
- procesy mikrobiologicznej degradacji makromolekuł
(biodegradacja)
5. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Cechy charakterystyczne procesu biotechnologicznego
trzy wyraźne fazy:
przygotowanie produkcji (upstream processing)
właściwa fermentacja
obróbka poprodukcyjna (downstream processing)
• przygotowanie produkcji odbywa się w warunkach laboratoryjnych
• konieczność kilkukrotnego powiększania skali
• konieczność utrzymania i przechowywania szczepów produkcyjnych
• konieczność zapewnienia warunków aseptycznych
• konieczność rygorystycznej kontroli parametrów fermentacji
7. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Sposoby prowadzenia procesów biotechnologicznych
A – 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
8. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Sposoby prowadzenia procesów biotechnologicznych
z wykorzystaniem drobnoustrojów
Hodowle w podłożach ciekłych: wgłębne lub powierzchniowe;
z unieruchomionym materiałem biologicznym
Hodowle w podłożach stałych (jedynie dla grzybów strzępkowych)
Procesy okresowe – prostota technologiczna, łatwość utrzymania warunków
jałowych, odnawialność zaszczepki, ale konieczność powtarzania
w każdym cyklu operacji przed- i poprocesowych, niska produkcyjność
-m.in. produkcja enzymów i białek terapeutycznych.
Hodowle wielokrotne – browarnictwo, produkcja octu
Procesy ciągłe – m.in. wytwarzanie białka paszowego, fermentacja alkoholowa,
fermentacja octanowa, oczyszczanie ścieków metodą osadu czynnego
Procesy okresowe z zasilaniem – namnażanie drożdży w celu produkcji SCP,
produkcja antybiotyków, witamin, aminokwasów. Szczególne zastosowanie –
nietypowe źródła węgla.
9. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Hodowla okresowa (ang. batch culture) – system zamknięty
Q – natężenie dopływu
pożywki
X – gęstość komórek
S – stężenie składników
odżywczych
Bilans biomasy
µ- szybkość wzrostu
dX
= µX − αX α - szybkość obumierania
dt
µ jest funkcją stężenia substratu limitującego wzrost
Zakładając α ≈ 0, r-nie upraszcza się do postaci:
dX
= µX
dt
10. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Hodowla okresowa z zasilaniem (ang. fed batch culture)
Q – natężenie dopływu
pożywki
X – gęstość komórek
S – stężenie składników
odżywczych
Bilans biomasy
Biomasa akumulowana = biomasa dopływająca + przyrost biomasy – komórki martwe
d (VX ) QX 0 µ- szybkość wzrostu
= + µVX − αX α - szybkość obumierania
dt V
Zakładając α ≈ 0 i brak zasilania biomasą, r-nie upraszcza się do postaci:
d (VX )
= µVX
dt
11. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Hodowla ciągła (ang. continuous culture)
Q – natężenie dopływu
pożywki
X – gęstość komórek
S – stężenie składników
odżywczych
Biomasa akumulowana = biomasa dopływająca + przyrost biomasy –
biomasa usuwana – komórki martwe
dX QX 0 QX µ- szybkość wzrostu
= + µX − − αX α - szybkość obumierania
dt V V
Wprowadzając: D = Q/V – szybkość rozcieńczania, zakładając α ≈ 0
i brak zasilania biomasą, r-nie upraszcza się do postaci:
dX QX
= µX −
dt V
12. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Hodowla ciągła z recyrkulacją biomasy (Chemostat) Q – natężenie dopływu
pożywki
X – gęstość komórek
S – stężenie składników
odżywczych
γ - współczynnik
recyklingu
C – współczynnik
zatężenia biomasy
zawracanej
Bilans biomasy
Biomasa akumulowana = biomasa dopływająca + przyrost biomasy –
biomasa usuwana – komórki martwe
dX QX 0 QCγX (1 + γ )QX µ- szybkość wzrostu
= + + µX − − αX α - szybkość obumierania
dt V V V
Wprowadzając: D = Q/V – szybkość rozcieńczania, zakładając α ≈ 0
i brak zasilania biomasą oraz uzyskanie stanu równowagi, czyli dX
otrzymujemy: =0
dt
µ = D(1 + γ - γC)
13. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
BIOTECHNOLOGICZNE PROCESY CIĄGŁE
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
14. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Porównanie profili wzrostu drobnoustrojów i produkcji antybiotyku w warunkach
hodowli okresowej i hodowli okresowej z zasilaniem
15. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Podstawowe typy bioreaktorów do tlenowych procesów wgłębnych
A – 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
19. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
PROBLEMY ZWIĄZANE Z PIENIENIEM
1. Wzrost heterogeniczności środowiska spowodowany wynoszeniem
stałych części podłoża i komórek wraz z pianą i osadzaniem ich na
ścianach lub innych elementach bioreaktora
2. Utrudnienie lub wręcz uniemożliwienie kontroli stężenia składników
podłoża oraz objętości hodowli, co jest szczególnie niekorzystne
w przypadku procesu ciągłego
3. Zagrożenie wypienienia hodowli z bioreaktora oraz możliwość jego
zainfekowania obcą mikroflorą przez zawilgocony pianą układ wentylacyjny
4. Obniżenie pojemności użytkowej bioreaktora o 30-50%
5. Konieczność stosowania oprzyrządowania przeciwdziałającego pienieniu,
co podraża proces
6. Możliwość przechodzenia śladowych ilości substancji przeciwpianowych
do produktów
7. Możliwość pogarszania się warunków natlenienia na skutek wprowadzania
środków przeciwpianowych
8. Możliwość niekorzystnego wpływu środków przeciwpianowych
na morfologię i fizjologię drobnoustrojów
20. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Urządzenia do mechanicznego rozbijania piany
A – 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)
21. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Rozwiązania techniczne bioreaktora typu air-lift
22. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Kontrola procesów biotechnologicznych
Wielkości fizyczne mierzone w bioreaktorach
Temperatura czujniki opornościowe, termistory, termopary
Natężenie przepływu powietrza kryzy pomiarowe, rotametry
Natężenie przepływu cieczy j.w., przepływomierze łopatkowe
Poziom cieczy czujniki pojemnościowe, oporowe
Poziom piany czujniki pojemnościowe
Ciśnienie przetworniki membranowe
Szybkość obrotów mieszadła czujniki elektryczne lub optyczne
Lepkość płynu reometry śrubowe, rotacyjne
Wielkości chemiczne mierzone w bioreaktorach
Stężenie rozpuszczonego tlenu elektrody polarograficzne lub galwaniczne
pH elektrody pH-metryczne
Potencjał redoks elektrody platynowe
Stężenie tlenu w gazach analizatory paramagnetyczne
Stężenie CO2 w gazach analizatory IR
Gęstość biomasy czujniki nefelometryczne, fluorymetryczne
Stężenie cukrów elektrody enzymatyczne
Skład roztworu elektrody jonoselektywne, enzymatyczne
23. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Schemat dodatkowych urządzeń kontrolnych bioreaktora
biomasa – czujnik optyczny
fluorescencja - czujnik
fluorescencyjny
piana – detektor piany
FFF – rozdzielanie w polu
przepływu
FIA – iniekcyjny analizator
przepływu
GC- chromatograf gazowy
HPLC – wysokosprawny
chromatograf cieczowy
MS – spektrometr mas
redoks – czujnik potencjału
redoks
W – masa
∆T – różnica temperatury
między zawiesiną hodowlaną
i płaszczem wodnym
24. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Schemat układu pomiarowego i sterującego bioreaktora
Standardowe zmienne bioprocesowe
F – objętościowe natężenie przepływu
zasilania; p – ciśnienie; pH – wartość pH
cieczy; pO2 – prężność cząstkowa tlenu
rozpuszczonego; P – moc pobierana
napędu mieszadła; rpm – częstotliwość
obrotów mieszadła; T – temperatura
cieczy; vvm- szybkość napowietrzania;
VL – objętość cieczy; W – masa reaktora
25. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
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
39. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Różnice warunków hodowli w kolbie i w fermentorze
Hodowla w kolbie Hodowla w biofermentorze
10 – 50 ml w kolbie 100 - 500 ml objętości 10 – 100 000 litrów
tylko hodowla okresowa hodowle okresowe, okresowe z
zasilaniem, chemostat, ciągłe
możliwość kontroli T, brak kontroli O2 kontrola temperatury, pH, poziomu O2
wysokie początkowe stężenia możliwość stopniowanego dodawania
substratów, prekursorów, induktorów
ciśnienie normalne możliwe nadciśnienie do 2 atn
utrudnione pobieranie próbek łatwość pobierania próbek
zmniejszanie objętości hodowli możliwość zwiększania objętości
wzrost drobnoustrojów na ściankach wzrost jednorodny
brak problemów z pienieniem konieczność stosowania antypieniaczy
41. Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne
Przedmiot: Podstawy Biotechnologii Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna
TECHNOLOGIA CHEMICZNA
Budowa aseptycznej jednostki pracy
I – obszar niesterylny; II – obszar czysty;
Sterylne stanowisko pracy z zastosowaniem III – obszar sterylny
laminarnego przepływu powietrza ak – autoklaw w ścianie z podwójnymi
1 – komora; 2 – filtr wstępny; 3 – filtr HEPA drzwiami jako śluza materiałowa
4 – wentylator; 5 – regulacja tyrystorowa; szare prostokąty – śluzy powietrzne
6 - wskaźniki