procesy bioinżynieryjnetsl.wum.edu.pl/sites/tsl.wum.edu.pl/files/techniczne...układ...
TRANSCRIPT
Procesy bioinżynieryjne
w biotechnologii
Wykorzystane w wykładzie schematy, rysunki i zdjęcia
pochodzą z:
- Podręcznik „Biotechnologia żywności” pod redakcją W.
Bednarskiego i A. Repsa
- Podręcznika „ Biotechnologia farmaceutyczna; Podstawy
mikrobiologiczne i biochemiczne” autorstwa A. Chmiela
- Ze stron internetowych - http://www.nyu.edu/projects/xdesign/biotechhobbyist/skin.html,http://www.pakissan.com/english/
allabout/horticulture/vegetables/mashroom/gene.transfer.technology.for.mushrooms.shtml, http://www.ibwch.lodz.pl/pliki/IBWCh_(m0e3dijltdkdwpi0).jpg,
http://people.clarkson.edu/~wwilcox/Design/reactbio.pdf
- http://biotechnologia.pl/produkty/aparatura/bioreaktory-laboratoryjne-i-w-skali-pilotazowej-kontrola-
biotechnologicznych-i-innych-procesow-przemyslowych
* Oznacza cytat - przypomnienie z wykładów z
biotechnologii farmaceutycznej
Podstawowym zadaniem w biotechnologii
jest osiągnięcie w optymalnych warunkach
i przy minimalnych nakładach założonego
celu
*
Operacje jednostkowe o charakterze
fizycznym w przemysłowych ciągach
technologicznych
• Dynamiczne (mechaniczne) np. mieszanie
• Cieplne np. ogrzewanie
• Dyfuzyjne np. napowietrzanie
W zależności od liczby zabiegów:
• Operacje technologiczne proste (jednozabiegowe)
• Operacje technologiczne złożone (wielozabiegowe)
*
Procesy
up-stream
Procesy
down-stream
Bioreaktory
Kryteria podziału i typy bioreaktorów
Duża liczba rozwiązań konstrukcyjnych bioreaktorów -
efekt optymalizacji warunków przebiegu procesu.
Zastosowane rozwiązanie zależy od (m. in)
-typu procesu
-rodzaju biokatalizatora
-rodzaju podłoża
-właściwości produktu końcowego
-zapotrzebowania na tlen
Schemat ideowy podstawowego typu (????) bioreaktora:
1- regulacja pH
2- dopływ pożywki
3 - wał z napędem
4 - dodatek środka odpieniającego
5 - odpowietrzanie, 6 -odbojnik
7 - mieszadło
8 - probieranie próbek
9 - dopływ wody chłodzącej
10 - dopływ sprężonego powietrza
lub gazu
11- dyspergator powietrza (gazu)
12 -zawór do opróżniania fermentora
13 - płaszcz chłodzący
14 - odpływ wody chłodzącej
15 - analizator stężenia CO2
16 - analizator zawartości O2
*
Kryteria podziału
1. Sposób prowadzenia procesu
Kryteria podziału i typy bioreaktorów c.d.
Typy bioreaktorów •bioreaktory do procesów okresowych
•bioreaktory do procesów ciągłych
•bioreaktory z zawracaniem lub zatrzymaniem biofazy
d) układ do fermentacji półciągłej - wypływ po osiągnięciu odpowiedniego stężenia biomasy lub osiągnięcia odpowiedniego poziomu cieczy,
e) układ do fermentacji metodą ciągłą - wypływ ciągły
a) bioreaktor
pracujący
okresowo,
b) bioreaktor
pracujący
okresowo z
okresowym
zasilaniem
c) bioreaktor
pracujący
okresowo z
okresowo
powtarzalnym
zasilaniem
*
Proces okresowy lub z zasilaniem
http://www.ibwch.lodz.pl/pliki/IBWCh
Fermentacja ciągła
Rozwiązania bioprocesów ciągłych różniące się sposobem postępowania z
nagromadzoną biomasą
• System bioreaktorów otwartych – mikroorganizmy są wydzielane wraz z płynem pohodowlanym
• Systemy zamknięte – mikroorganizmy są zatrzymywane wewnątrz bioreaktora
System bioreaktorów otwartych – mikroorganizmy są wydzielane wraz
z płynem pohodowlanym
Systemy zamknięte – mikroorganizmy są zatrzymywane wewnątrz
bioreaktora
Bioreaktory membranowe
Bioreaktor membranowy firmy Bioengineering a – doprowadzenie pożywki, b - czujnik pH, c - wypływ, d - czujnik pO2, e - króciec do poboru aseptycznego
prób, f- separator piany, g - wylot powietrza, h - wlot powietrza, i - membrana (dializująca lub inna
specyficzna), Bw- reaktor wewnętrzny, Bz - reaktor zewnętrzny, m - folia.
Bioreaktor membranowy obrotowy (do badań wpływu mikrograwitacji na wzrost komórek i tkanek - wg opisu NASA); a - współosiowy dopływ pożywki (skład kontrolowany on line), b - odpływ pożywki (skład kontrolowany on line) c - przestrzeń namnażania komórek na zawieszonych mikrosferach
(hodowla kontrolowana on line), d - wał obrotowy perforowany, e - membrana (filtr), f- koło zębate napędu bioreaktora (z możliwością zmiany szybkości
obrotów)
Kryteria podziału
2. Rodzaj
biokatalizatora
Typy bioreaktorów • 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
• bioreaktory do procesów z użyciem biokatalizatorów unieruchomionych
Bioreaktory do procesów z biokatalizatorami unieruchomionymi A- złoże upakowane
B - złoże zraszane C - złoże fluidalne D - bioreaktor z mieszadłem mech. E - bioreaktor z wkładami unieruchomionego biokatalizatora, F - bioreaktor z krzyżowym przepływem fazy ciekłej i gazowej, G - bioreaktor rurowy z wkładami (włóknami) zmateriału półprzepuszczalnego
1 -doprowadzenie substratów, 2 -odbiór produktów, 3 -biokatalizator, 4 - doprowadzenie powietrza, 5 - odprowadzenie gazów wylotowych, 6 -przegrody, 7- membrana półprzepuszczalna
Kryteria podziału
3.
Warunki hodowli
drobnoustrojów
lub komórek
Typy bioreaktorów
• bioreaktory do hodowli na
powierzchni podłoża
• bioreaktory z nośnikiem stałym
• bioreaktory do hodowli wgłębnej
Kryteria podziału
4.
Warunki tlenowe
Typy bioreaktorów • bioreaktory do procesów beztlenowych
• bioreaktory do procesów tlenowych
Kryteria podziału
5.
Warunki i sposoby
mieszania
Typy bioreaktorów
1. Bioreaktory bez wymuszonego mieszania
(występuje mieszanie na poziomie
molekularnym wywołane dyfuzją,
konwekcją, unoszeniem pęcherzyków
wydzielającego się gazu: CO2, metanu)
2. Bioreaktory z wymuszonym mieszaniem
2.1. bioreaktory z mieszadłem mechanicznym
2.2. bioreaktory bezmieszadłowe
- kolby wstrząsowe
- mieszanie strumieniem pęcherzyków
powietrza
- mieszanie strumieniem przepompowywanej
(recyrkulującej) cieczy
3. Układy łączone
Kryteria podziału
4.
Sposób
doprowadzenia
energii na
mieszanie
Typy bioreaktorów
• mieszadłem mechanicznym przez
fazę ciekłą
• pompą przez fazę ciekłą
• poprzez fazę gazową (sprężonym
powietrzem)
• sposoby łączone
Mieszanie – jednostkowy
proces dynamiczny
Cele: •ujednolicenie układu
•intensyfikacja wymiany masy
•dyspergacja gazu
•intensyfikacja przebiegu reakcji
•utrzymanie rozwiniętej powierzchni w układach wielofazowych
•łamanie piany
Schemat podstawowych rozwiązań cyrkulacji pożywki w fermentorach
a) obieg cieczy wymuszony przez gaz (pneumatyczny)
b) obieg pożywki wymuszony przez mieszadło (mechaniczny)
c) obieg pożywki wymuszony przez pompę (hydrauliczny)
A - mieszadło tarczowoturbinowe z płaskimi łopatkami B - mieszadło śmigłowe C - mieszadło samozasysające powietrze D - inżektor: 1- sprężone powietrze 2 — zasysana ciecz E - eżektor: 1 - wtłaczana ciecz 2 -zasysane powietrze
Systemy meszania
*
A,B- system
mechaniczny
C- system
hydrauliczny
D-G – system
pneumatyczny
Napowietrzanie – jednostkowy
proces dyfuzyjny Rozwiązania mają na celu osiągnięcie maksymalnego stężenia tlenu w podłożu.
Napowietrzanie powierzchniowe:
•dyfuzyjne nie wspomagane
•dyfuzyjne wspomagane
•przy użyciu aeratorów turbinowych
•przy użyciu szczotek napowietrzających
•na złożach z wypełnieniem
Napowietrzanie wgłębne:
•system napowietrzania dyfuzyjnego
•system napowietrzania turbinowego
•system zanurzeniowo-strumieniowy
•system cyrkulacyjno- ciśnieniowy
Ogrzewanie i chłodzenie –
jednostkowe procesy termiczne
Układ grzejno-chłodzący
do ogrzewania do chłodzenia
(sterylizacji) bioreaktora i pożywki
Najczęściej:
• Ogrzewanie/chłodzenie przeponowe (płaszcz, wężownice)
• Grzałki elektryczne
• Ogrzewanie barbotażowe parą wodną (sterylizacja)
• Chłodzenie natryskowe, wymiennik ciepła
Układ termostatowany
Systemy gaszenia (łamania)
piany
Pienienie
znaczenie pozytywne i negatywne
zwiększenie granicy faz,
intensyfikacja wymiany
masy
obniżenie pojemności użytkowej
bioreaktora utrudnia wymianę
ciepła, powoduje straty masy
Schemat systemów łamania piany
a) metodą mechaniczno-chemiczną przy użyciu szybkoobrotowego dysku (lub mieszadła łapowego umieszczonego miedzy dwoma dyskami) z dodatkiem środka niszczącego pianę,
b) przy użyciu ultradźwięków;
7 - sterownik elektroniczny, 2 - płytka generatora ultradźwięków z wibratorem piezoelektrycznym lub piezomagnetycznym,
Schemat systemów łamania piany c.d.
d) metodą mechaniczną przy użyciu obrotowego urządzenia - wirnika „fundafoam" firmy CHEMAP; 1 - zasysanie płynu, 2 - wylot powietrza, 3 - wyrzut cieczy,
e) metodą mechaniczną przy użyciu cyklonu; 1 - wlot piany, 2 - wylot powietrza, 3 - odpływ cieczy, 4 - pompa, 5 - cyklon
c) metodą mechaniczną Fringsa; 1 - przewód doprowadzający pianę, 2 - przewód odprowadzający gaz, 3 - przewód odprowadzający odpowietrzoną pożywkę, 4 - wirnik obrotowy poziomy,
Procesy wyjaławiania w biotechnologii farmaceutycznej
Dotyczy całości procesu.
Odnosi się do:
- pomieszczeń
- urządzeń
- operacji
- pożywki
- powietrza
Stosowane metody i środki:
-metody termiczne
wyjaławianie „na mokro”, gotowanie, pasteryzacja,
tyndalizacja, sterylizacja, stosowanie pary wodnej
pod ciśnieniem.
wyjaławianie „na sucho”, gorącym powietrzem, w
suszarkach, np. 150-180C przez 2h.
- metody mechaniczne
wyjaławianie cieczy i powietrza przez
mikrofiltrację membranową, filtrację przez ziemię
okrzemkową, filtry miliporowe (różne materiały)
- metody fizyczne
UV 240-280 nm, 2-3h, promienie jonizujące o
małej długości fali, ultradźwięki o częsości 0,2-20
MHz
- metody chemiczne (patrz tabela)
- metody kombinowane
Np. chemiczno-termiczne
Fermentor typu
Chemap
Fermentor Lubińskiego
Fermentor Vogelbuscha