esempi di sviluppo e analisi bioprocessi introduzione

Esempi di sviluppo e analisi bioprocessi

Introduzione

Introduzione Idea innovativa Miglioramento sperimentale Breakpoint Realizzabilità pratica Process simulation Economic analysis Profitability? Yes market;

No loop

Piano del corso

Sistema sperimentale modello acido lattico

Acquisizione dati in laboratorio quaderno di laboratorio

Simulazione del processo SuperPro Design

Punto di pareggio (Break even) Richiesta finanziamento

Chimica delle fermentazioni

data orario aula

4 ottobre 15:30-17:30 U1-04

7 ottobre 15:30-17:30 U1-04

11 ottobre 15:30-17:30 U1-04

14 ottobre 15:30-17:30 Lab 2026

18 ottobre 15:30-17:30 U1-04

21 ottobre 15:30-17:30 Lab 2026

25 ottobre 15:30-17:30 U1-04

28 ottobre 15:30-17:30 Lab 2026

Flusso della fermentazione

separazione del prodotto, purificazione. componenti non usati e intermedi e by-

products: utilizzati in altro modo o smaltiti.

Processo

Microorganismo

AlcoliAcidi organiciPolipeptidiPolisaccaridi complessiLipidi

Sostanze Eterogeneeligninaresidui cellulosici…..

I microorganismi sono responsabili di ogni fermentazione

complessi sistemi enzimatici aumento produzione: si

ottiene agendo su ambiente nutritivo opportuno sistema di

fermentazione

Interazioni ambiente microorganismo

controllo ambientale deve essere determinato

sperimentalmente shake flasks (nutrienti,

temperatura) bioreattori (pH,

ossigenazione) controllo genetico

UtilitiesSUBSTRATOSUBSTRATO

Preparazionemedium

Sterilizzazione

Fermentazione

Separazionebiomassa/liquido

Isolamentoprodotto

PurificazioneFormulazione

PRODOTTOPRODOTTO

AnalisiPretrattamento

AcquaMixing technology

Inoculo

Proliferazioneproduction strain

CO2, gas, calore

Biomassa

Brodo residuo

Residuifermentazione

SmaltimentoResidui

Residuifermentazione

pH, saliN, P

Energia

Aria

Misura &Controllo

Filtrazione

Separazione


Richiesta di utilities

Mixing (fermentation)

Aeration

Cooling

Product separation

Sterilization

Stirring, pumping

Compression, air separation

Water cooling

Centrifugation, filtration, chromatography, distillation, drying, extraction, crystallization

Steam


Scelta del microorganismo

Caratteristiche nutritive (substrati a basso costo)

Optimum temperatura (reduce cooling)

Caratteristiche morfologiche (interazioni con apparati e processo)

Stabilità genetica Produttività Facilità di recovery del prodotto


Conservazione ceppo

Eliminare variazioni geniche, proteggere dalla contaminazione e mantenere vitalità

“Animazione sospesa” Temperatura ridotta

Agar slants (5°, -20°C; 6 mes) Azoto liquido (-196°, glicerolo, years)

Disidratazione Disidratazione (silica gel, anni) Liofilizzazione (freeze-drying, latte, siero

o glutammato, anni) Quality control


Flusso inoculoMASTERMASTER

Working bank

Inoculo

Inoculo

Inoculo

Fermentazione

PRODOTTOPRODOTTO

Ceppo originale

Collezione di lavoro

Batteri 0.1-3 %

Funghi 5-10 %

Spore 1-5x108

Liofilizzato 4-10 dd

Congelato 6 h-7 dd

Refrigerato 5 dd


Caratteristiche inoculo

in attiva crescita buona concentrazione

cellulare privo di contaminazioni costante capacità di formare il

prodotto


Upstream processing

Preparazione e immagazinamento substrati e soluzioni: definire volume e composizione, sequenza aggiunte, condizioni Mixing tank (alte conc., separazione

C e N)) Modalità conservazione (capital

investiment), validated Sterilizzazione (batch, continuo)

Filtrazione (gas, termolabili) Calore (steam)


Upstream -2

Preparazione inoculo Ogni vial= 1 seed train, fattore 10

(capital investiment) Il medium privilegia velocità di

crescita e minimizza produzione CIP

Acqua di processo – H3PO4 20% - acqua – NaOH (5M)-acqua

Ottimizzare tempistiche e temperature scheduling e durata processo


Downstream

Yield vs purity Dipende da upstream e

fermentazione Alte concentrazioni prodotto,

basse conc contaminanti C’è sempre perdita,

minimizzare gli step


Downstream -2

Schema downstream

(Lisare) Separare Concentrare Purificare Formulare Tecniche tradizionali

e specializzate

Lisi cellule Meccanica (bead mills) High pressure Producono misture complesse,

aumentano la viscosità, lasciano debris


Possibili ulteriori passaggi

Protein refolding Post translational processing

Separazione solido-liquido

Cellule Debris Proteine precipitate Inclusion bodies


Filtrazione

Piastre forate, sabbie, lana di vetro…


Rotary drum

Chiarificazione (10-40%)


Centrifugazione in continuo


Concentrazione

Evaporazione /distillazione Ripartizione liquido-liquido Filtrazione con membrane

(Cross flow) Precipitazione proteine

ammonio solfato, acetone, etanolo, PEG, pH

Adsorbimento (carbone attivo, resine)


Ripartizione liquido-liquido


Purificazione

Estrazione con fase organica Distillazione Adsorbimento Cromatografia

Gel exclusion Affinity Ion-exchange HIC Reverse phase


Formulazione

Massima vita del prodotto commerciale

Metaboliti bulk: concentrati (rimozione acqua), cristallizzazione

Proteine (soluzioni, sospensioni, polveri) aggiunta stabilizzanti (ammonio

solfato, sodio cloruro, saccarosio, lattosio, sorbitolo, glicerolo, PEG, BSA)

Enzimi bulk: liquidi concentrati Prodotti termolabili: liofilizzazione

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