Bioprosessitekniikka CHEM-C2310

Esitys aiheesta: "Bioprosessitekniikka CHEM-C2310"— Esityksen transkriptio:

1 Bioprosessitekniikka CHEM-C2310
Kurssin suoritettuaan opiskelija osaa: kuvailla biotekniikkaa teollisuuden alana ja sen tuotteita ja menetelmiä sekä sovelluksia eri alueilla ja käsitellä teollisen biotekniikan mahdollisuuksia ja haasteita esittää bioprosesseissa esiintyviä siirtoilmiöitä (aine- ja energia-) kvalitatiivisesti ja kvantitatiivisesti sekä esittää arvioita biologisten komponenttien (solut, proteiinit, substraatit, tuotteet, entsyymit) käyttäytymisestä prosessiolosuhteissa tunnistaa aseptiikan vaatimukset laite- ja prosessiratkaisuissa sekä käytännön toteutuksessa konseptitasolla yhdistää bioprosessitekniikan yksikköoperaatioita prosessiratkaisuiksi ja tunnistaa näissä esiintyviä ilmiöitä ja vaikuttavia tekijöitä muodostaa yksinkertaisia aine- ja energiataseisiin sekä differentiaaliyhtälöihin perustuvia prosessimalleja solu- ja entsyymiprosesseille nimetä bioprosessien avainmuuttujat ja kuvailla niihin liittyviä mittaustekniikoita ja laskennallisia ratkaisuja sekä prosessien säädön periaatteita. Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

2 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Sisältö Entsyymit: entsyymit teollisina tuotteina, tasapainoreaktiot, käytännön kinetiikka, reaktioiden termodynamiikka, entsyymien toiminta molekyylitasolla, toiminta reaktoreissa (homo- ja heterogeeninen katalyysi), immobilisoidut entsyymit ja aineensiirron vaikutukset periaatetasolla, koentsyymien tarve ja regeneraatio, inaktivoituminen ja sen kinetiikka, entsyymin annostelu Solut: toiminta reaktoreissa, kasvun ja tuoton kinetiikka ja kvantitointi, dynaamiset ilmiöt, prosessien toteutustavat ja niihin liittyvät yksinkertaiset matemaattiset käsittelyt, aineenvaihdunnan perusteet systeemisessä tarkastelussa. (Bio)reaktorit: tyypilliset ratkaisut, siirtoilmiöt, scale-up/scale-down suunnittelu- ja tutkimusmenetelminä, aseptiikka reaktorien suunnittelussa, mittaus- ja säätötekniset ratkaisut. Prosessit: tyypillisten yksikköoperaatioiden perusteet, aine- ja energiataseiden hyödyntäminen, biologisten tekijöiden huomioonottaminen prosessisuunnittelussa. Ilmiöiden, operaatioiden ja prosessien matemaattisen mallintamisen perusteet erityisesti biokomponentit huomioiden. Värikoodit: vihreä pohdittavaksi/selvitettäväksi punainen selitetään luennolla Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

3 Opetusmateriaalit & kurssin suoritus
E-kirja: Pauline M. Doran: Bioprocess engineering principles, 2. painos, 2012, soveltuvin osin; luettavissa linkistä: Luento-, labratyö- ja laskarimateriaalit täydennettynä omilla muistiinpanoilla Luentomateriaalissa ja kirjassa kotitehtäviä, joista saa lisäpisteitä – palautus pääasiassa ennen seuraavaa luentokertaa Arvostelu: tentti: max 30 p (tehtävät = 30 p) kotitehtävät: max 5 p labratyö: max 5 p yhteensä max 40 p; min 16 p Bioprosessitekniikka CHEM-C Johdanto

4 BIOPROSESSI- TEKNIIKKA Kevät-2015 Ohjelma

5 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Biotekniikka ”Biotechnology is the integration of natural sciences and engineering sciences in order to achieve the application of organisms, cells, parts thereof and molecular analogues for products and services” “Biotekniikka yhdistää luonnontieteet ja insinööritieteet siten, että organismeja, soluja, solun osia tai molekyylianalogeja voidaan soveltaa tuotteiden ja palvelujen tekemiseen” 1) Biokatalyytit = ? 2) Elävien organismien jaottelu 3) Bio- vs. kemialliset katalyytit (esim. Ni) Bioprosessitekniikka Bioprosessi perustuu biokatalyyttien toiminnan hyödyntämiseen. Bioprosessitekniikka tutkii , kehittää ja soveltaa bioprosesseja. Biotekniikan värit Kurssilla näitä: ( Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena )

6 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Bioprosessitekniikan osa-alueet CALCULATION TOOLS CATALYST PERFORMANCE Bioreaction Engineering Principles Steady-state balances Cell/enzyme kinetics Unstructured Structured Stoichiometry Reaction rates Bioreactor performance Energetics Kvantitatiivinen tarkastelu prosessin tuottavuutta rajoittava tekijä = ? Ideal reactor Mass transfer Mixing Scale-up Modified from: Villadsen, Nielsen, Liden: Bioreaction Engineering Principles, 3rd Ed. 2011 BIOREACTOR PERFORMANCE Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

7 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Soluprosessien (cell factory) tuotteita Tuote Tuottaja Tuotanto Sovellus Etanoli S. cerevisiae 80 Mt/a kemikaali,juoma,polttoaine Antibiootit Homeet,bakteerit, 25 G€/a antimikrobilääkkeet (Streptomyces spp.) t/a Vitamiinit bakteerit, fungit 150 M€/a lääkkeet, rehut, elint. (B12,B2,C) Aminohapot bakteerit 1,5 Mt/a elint., rehut (MSG,Lys,Thr) (Corynebacterium spp.) 2 G€/a Orgaaniset hapot homeet, bakteerit 3 Mt/a elint., kemikaalit, muovit (citric/acetic/ 2 M€/a gluconic/lactic) Paksunnos- bakteerit 0,1 Mt/a elint., kosmetiikka, aineet öljynporaus Entsyymit homeet, bakteerit 3,3 G€/a pesuaineet, rehut, hiivat tärkkelys pros., lääkkeet, elint. Terapeuttiset hiivat, bakteerit, > 100 G€/a lääkkeet proteiinit eläinsolut Solumassat S. cerevisiae,startterit 0,5 Mt/a elintarvikkeet Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

8 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Fermentointituotteita L-lysiini Nisiini B12-vitamiini Yksinkertaiset, ei kiraaliset yhdisteet (historia, turvallisuus, talous) ”Pienet” kiraaliset molekyylit Monimutkaiset orgaaniset yhdisteet Tietyn rakenteen ja tarkan koostumuksen omaavat polymeerit (peptidit, proteiinit, polysakkaridit) Entsyymi Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

9 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Entsymaattisten prosessien tuotteita Glukoosisiirappi a-amylaasi, glukoamylaasi, 12 Mt/a (dw) elintarvikkeet pullulanaasi 4 G€/a Maltoosisiirappi a-amylaasi, b-amylaasi elintarvikkeet HFCS kuten glukoosisiirappi + 8 Mt/a (dw in USA) elintarvikkeet glukoosi-isomeraasi 3 G€/a (USA) Aspartaami Thermolysin (proteaasi) 20 kt/a elintarvikkeet M€/a (intensiivimakeuttaja) Akryyliamidi Nitriilihydrataasi t/a* kemikaalit (polyakryyliamidi) 500 M€/a Psikoosi D-tagatoosi-3-epimeraasi elintarvikkeet (low-calorie makeuttaja) Tuote Entsyymi Tuotanto Sovellus *: bioteknisesti dw = dry weight Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

10 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Biotekniikka EU:ssa Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

11 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Fermentointiin perustuva prosessi Upstream Production Downstream Fermentoreita Terapeuttisten proteiinien tuotannossa jopa % tuotantokustannuksista kts. myös kirjan kuvat 3.14 ja 3.15 ja 3.16 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

12 Fermentointiin perustuva prosessi
Kasvusto petrimaljalla Siirrostuslinja (huom: tässä labrafermentoreja) Tuotantofermentorit (n. 1 – 500 m3) Vakuumirumpusuodatin Ultrasuodatusyksikkö Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

13 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Entsymaattinen prosessi (HFCS) Amylolyyttiset entsyymit Glukoosisiirappi Glukoosi-isomeraasi John S. White: Sucrose, HFCS, and Fructose: History, Manufacture, Composition, Applications, and Production Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

14 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Entsymaattiset prosessit Amylolyyttiset entsyymit halpoja => käytetään kertapanoksina ilman kierrätystä ja talteenottoa; osa myös tuhoutuu (inaktivoituu) prosessissa Glukoosi-isomeraasi kalliimpi => immobilisoidaan kiinteään kantajamateriaaliin ja käytetään kolonneissa (kuvassa) useiden kuukausien ajan Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

15 Aineenvaihdunta (metabolia):
katabolia = energian, pelkistysvoiman ja prekursorien tuotto C, H, N, O,…. Amylolytic enzymes Proteolytic enzymes Lipolytic enzymes CHaObNc : Transport Precursors Yhdisteiden hapettuminen vapauttaa elektroneja (= energiaa); elektronit voidaan siirtää joko hapelle tai meta- bolian välituotteille CO2 H2O Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

16 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Aineenvaihdunta (metabolia): anabolia = synteesitoiminta Yleisesti vaatii: prekursorin (välimetaboliitti tai ravinne) pelkistysvoimaa (yleensä NADPH) energiaa (ATP tai yleisemmin NTP) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

17 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Hiivat Zymomonas mobilis – bakteeri Tuotteelle voi olla useampia aineenvaihduntareittejä: etanoli Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

18 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

19 Solu tuotantolaitoksena – Cell factory
Bioteknisiä prosesseja, joissa biokatalyyttinä toimivat solut kutsutaan fermentoinniksi/fermentaatioksi/fermentointi-prosesseiksi Mitä sana fermentaatio alun perin tarkoittaa? vrt. Pasteur Tuotteena voi olla solumassa itse ja/tai solujen tuottama yhdiste Mitä esimerkkejä: a) solumassa, b) yhdiste, c) molemmat? Toteutuksen/tuotteen mukaan: olutfermentaatio, aseptinen/epäaseptinen fermentaatio, bakteeri/hiiva/home/levä/mammaalisolu/kasvisolufermentaatio, panos/fed-batch/jatkuva fermentointi etanoli/maitohappo… fermentointi submerssi/solid-state fermentointi Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

20 Solu tuotantolaitoksena – Cell factory
Historia: 1. aikakausi: spontaani hyödyntäminen (olut, viini, leipä, hapatetut tuotteet) 2. teollinen fermentointi; aseptiikka tuntematon käsite (hapot, liuottimet) 3. submerssiteknologia; 1940-luku (antibiootit) 4. geenitekniikan aikakausi; 1980  (solujen muokkaus, terapeuttiset prot.) penisilliinin tuoton kehittyminen Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

21 Primaari- vs. sekundaarimetaboliitit
Metaboliitti = aineenvaihduntatuote Primaarimetaboliitit muodostuvat solujen kasvuvaiheessa Mitkä ovat solujen ”kasvun” eri vaiheet? Esimerkkejä: maitohappo (LAB:lla), sitruunahappo, MSG Sekundaarimetaboliittien muodostuminen ei liity solujen kasvuun Esimerkkejä: antibiootit, useat entsyymit, monet heterologisesti tuotetut proteiinit Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

22 Prim. vs. sek. metaboliitit
Insinöörin tapa esittää näiden erot (ao. riippuvuuksia luennolla): P: tuotepitoisuus (g/L, U/L…) t: aika µ: spesifinen kasvunopeus (h-1) Tuotteen muodostumisnopeutta (rP) voidaan arvioida prosessin aikana peräkkäisistä pitoisuusmittauksista ja jälkikäteen P=f(t) ja X=f(t) käyriltä eri ajankohtina Heterologisessa proteiinituotossa on usein edullista toteuttaa tuotteen muodostuminen kasvusta riippumattomana (ns. indusoitu tuotto vastakohtana konstitutiivinen tuotto) => tuotteen muodostus ei haittaa solujen kasvua eli solumassan tuottovaihetta Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

23 Fermentoinnin toteutus (mode of fermentation)
Panosfermentointi: jokaista panosta varten tuotetaan oma siirroste (engl. inoculum; monikko inocula) siirrostelinjassa (inoculum train) varsinainen tuotantoreaktori (fermentori) valmistellaan panosta varten, siirrostetaan, solut kasvavat ja tuottavat tuotteen, fermentointi lopetetaan, tuote otetaan talteen (talteenottoprosessi eli jälkikäsittelyprosessi; DSP: downstream processing) fermentointipanoksen aikana fermentoriin ei lisätä (merkittäviä määriä) ravinteita eikä fermentorista oteta pois prosessilientä (= kasvuliuosta = fermentation broth) tuotettua solumassaa hyödynnetään vain kussakin panoksessa Missä kasvuvaiheessa kannattaa siirrostaa pienemmästä isompaan fermentoriin? Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

24 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Yksisoluisten organismien kasvun kinetiikka µ = spesifinen kasvunopeus kun solut kasvavat eksponentiaalisesti µ = vakio eli µ ≠ f(t) X(t): solumassan pitoisuus tai määrä hetkellä t N(t): solujen lukumäärä hetkellä t Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

25 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Kotitehtävä 1 Laadi excel-taulukkolaskenta, jonka avulla saat eksponentiaalisen kasvun käyriä. Tarkastele eri lähtöarvojen ja parametrin µ arvon vaikutuksia. (esim. X(0): 0,1 – 0,5 – 1 – 2 – 5 g/L µ: 0,05 – 0,1 – 0,3 – 0,8 – 1,5 h-1) Lähetä excel-tiedosto muutamalla kuvalla sähköpostilla: Pohdi, miten pitkään missäkin tapauksessa on realistista olettaa eksponentiaalinen kasvu. Dead-line palautukselle: ennen seuraavaa luentoa. Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

26 Fermentoinnin toteutus (mode of fermentation)
Jatkuva fermentointi: fermentori valmistellaan ja siirrostetaan prosessi ajetaan ylös panosfermentointina tämän jälkeen prosessiin aletaan syöttää ravinneliuosta ja vastaavasti otetaan fermentorista pois ”valmista” kasvuliuosta prosessia jatketaan periaatteessa loputtomasti; käytännössä viikkoja – kuukausia – vuosia prosessi pyritään pitämään tasapainotilassa (steady-state) tavallisin toteutus: kemostaatti, jossa Fin = Fout eli V = vakio (muita: turbidostaatti, pH-staatti, A-staatti, D-staatti) Fin Fout V Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

27 Fermentoinnin toteutus (mode of fermentation)
Fed-batch fermentointi aloitetaan panoksena kun kasvu muuttaa olosuhteet halutuiksi, aloitetaan jonkin komponentin syöttö korkeassa pitoisuudessa fermentoriin yleensä syöttö lopetetaan vasta fermentorin täytyttyä ja fermentointi lopetetaan ja aloitetaan jälkikäsittelyprosessi ja sitten taas uusi panos samaan tyyliin Kuvassa Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

28 Toteutustavat - sovelluksia
Panosfermentointi yksinkertainen toteutus; sopii sekä prim. että sek. metaboliiteille pienin riski kontaminaatioille ja tuotantokannan muutoksille (esim. muutokset geenitasolla eli kannan degeneraatio, palautuminen tai plasmidilukumäärän pieneneminen vähäisiä) tuotettua solumassaa hyödynnetään huonosti tuotantoon liittyy paljon luppoaikaa (downtime): panoksen valmistelu, sterilointi, lag-vaihe, fermentorin tyhjennys panoksen jälkeen ja pesu panosfermentoinnissa ei missään vaiheessa solut tai prosessi ole steady-state tilassa useat panosprosessit on muutettu fed-batch toteutukseen panosfermentointi sopii edelleen hyvin, kun prosessi sietää huonosti fed-batchissä syötettävien komponenttien paikallisia pitoisuuseroja (epähomogeenisuus) Miksi tämä korostuu fed-batchissä? Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

29 Toteutustavat - sovelluksia
Jatkuva fermentointi sopii prim. metaboliiteille, parhaiten itse solumassan tuotolle ongelma prim. metaboliiteillakin: kun tuotteen muodostus vähentää solumassan saantoa substraatista, jatkuva fermentointi usein johtaa alhaiseen solupitoisuuteen, mikä taas alentaa volumetrista tuottavuutta volumetrinen tuottavuus (R) = spesifinen tuottonopeus (r) x solupitoisuus (X) pitkäkestoisena herkkä kontaminaatioille ja kannan muutoksille vähiten luppoaikaa; mahdollistaa suurimman volumetrisen tuottonopeuden (g L-1 h-1) jatkuva fermentointi, jossa on jatkuva ravinteiden syöttö ja samalla tilavuusvirtauksella kasvuliuoksen poisto fermentorista (kemostaatti) johtaa muuttujien steady-state tilaan (muuttujan arvo ei ole ajan funktio) sovelluksia: esim. SCP:n tuotto (SCP: single cell protein), jätevesien puhdistus muita harvemmin käytettyjä: turbidostaatti (sameus vakio), pH-staatti (pH vakio), A-stat (accelerostat) (laimennusnopeutta lisätään vakionopeudella), D-stat (D=vakio, mutta jonkin komponentin pitoisuutta muutetaan vakionopeudella) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

30 Toteutustavat - sovelluksia
Fed-batch fermentointi sopii kaikentyyppisille tuotteille, erityisesti sek. metaboliiteille hyödyntää solumassaa hieman paremmin kuin panosfermentointi syötön avulla voidaan järjestää joidenkin muuttujien suhteen steady-state (= quasi-steady-state); usein tavoitteena välttää ns. overflow-metabolia tai solujen helposti käyttämän hiililähteen (carbon- eli C-source) aiheuttama kataboliittirepressio (ccr: carbon catabolite repression) sovelluksia runsaasti: entsyymien tuotto, antibioottien tuotto, indusoitu proteiinien heterologinen tuotto, aminohappojen tuotto, leivinhiivan tuotto… luennolla leivinhiivan tuoton yksityiskohtia (hiivasaanto glukoosista, hiivan nostatuskyky ja säilyvyys ja tuotteen väri) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

31 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Muita toteutustapoja Jatkuva fermentointi solujen (osittaisella) palautuksella: solujen erotus (=konsentrointi) poistovirrasta esim. kalvo-suodatuksella tai keskipakoerotuksella (cell recycle) [lohkokaaviona kirjassa s. 115] Jatkuva fermentointi, jossa solut pidätetään fermentorissa (cell retention): esim. siivilän avulla (isot partikkelit), solujen flokkuloinnin avulla tai immobilisoimalla solut kiinteän kantajamateriaaliin Useampivaiheinen jatkuva (eri fermentoreissa erilaiset olosuhteet, esim. tilavuudet voivat poiketa toisistaan) Toistettu panos: panoksen loputtua jätetään pieni osa kasvulioksesta siirrosteeksi seuraavaan panokseen Kaavioita luennolla Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

32 Kasvun ja toteutusten matemaattisia kuvauksia (malleja)
Yleisimmin käytetty kasvumalli: Monod’n malli perustuen kasvua rajoittavan substraatin ajatukseen (pitoisuus kasvuliuoksessa = S) Spesifinen kasvunopeus: Monod’n yhtälö: Panoskasvatus: X: ”solupitoisuus” [esim. g L-1] YXS: solusaanto S:stä [esim. g g-1] mS: ylläpitokerroin [esim. g g-1h-1] YPX: kasvuun liittyvä tuotesaanto mP: ylläpitoon liittyvä tuottonopeus KS: kyllästysvakio [mg L-1 tai mM] X, S, P… ovat prosessin tilasuureita Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

33 Matemaattisia malleja
Yksinkertaisimmat mallit perustuvat ainetaseisiin (kokonaisainetase, komponentin ainetase, alkuainetase); voidaan käyttää myös energiataseita Solujen kasvuun liittyvä erityismenetelmä on elektronitase eli pelkistystase, jossa tarkastellaan ”summareaktioita” solujen sisällä (= aineenvaihdunnassa) Aineenvaihduntaa voidaan myös mallittaa aineen ja alkuaineiden häviämättömyyden lakiin perustuen (kts. kirja s. 89) (nämäkin siis tasemalleja), kun metaboliareitit tunnetaan, (kts. metaboliareitit esim. ja Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

34 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Kotitehtävä 2 Ratkaise tai käy läpi kirjan esimerkki 4.5 (s. 102) lohkokaavioista ja ainetaseista. Vastaa kysymyksiin: Mihin perustuu ilmavirtauksen arvon muuttaminen yksikköön kg/h? Mihin perustuu typpikaasutaseen käyttö ainetaseissa? Mikä on etikkahapon teoreettinen maksimisaanto etanolista yksiköissä mol/mol ja g/g? Miksi solumassa ei ole mukana ainetaseissa? Mikä on ideaalikaasujen seoksessa yksittäisten komponenttien tilavuus-% ja mooli-% välinen suhde? Lähetä vastaus sähköpostilla ennen seuraavaa luentoa. Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

35 Bioprosessien mallinnus
Mekanistiset ja empiiriset mallit Staattiset ja dynaamiset mallit Bioprosessi on monimutkainen kokonaisuus. Yksinkertaistusten määrää voidaan kuvata solupopu- laatioiden ja rakenteen huomioimisen kannalta tyypillisellä nelikentällä (kuva) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

36 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Jatkuva fermentointi Kemostaatissa laimennus- nopeus (D) määrää spesifisen kasvunopeuden Kemostaatti on lähinnä tut- kimusmenetelmä, jossa pro- sessi ja solut ovat tasapaino- tilassa (S-S) => voidaan tut- kia prosessin ja solujen käyt- täytymistä eri tasapainotiloissa Miksi panoskasvatus ei ole tasapainotilassa? Jokaisen prosessiin tehdyn muutoksen jälkeen on odotettava uuden tasapainotilan syntymistä; yleensä tämä aika = 5 x viipymäaika = 5 x (1/D) (kemostaatti) Solumassatase: S-S: steady-state = tasapainotila: muuttujien arvot ≠ f(t) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

37 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Jatkuva fermentointi Tilasuureet X ja S kemostaatissa Monod’n yhtälön avulla: Solumassan tuottonopeus RX = D x X Miten ratkaistaan solumassan tuoton kannalta optimaalinen D? Ratkaise. Oikea vastaus: Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

38 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Jatkuva fermentointi Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

39 Jatkuva fermentointi solujen palautuksella
Kemostaatissa D < µmax , muuten solut huuhtoutuvat ulos fermentorista Toimittaessa lähellä D = µmax on systeemi haavoittuva, koska häiriöt voivat johtaa uloshuuhtoutumiseen Tuotteen volumetrista tuottonopeutta voidaan parantaa palauttamalla osa ulosvirtauksen soluista takaisin fermentoriin solujen konsentroinnin jälkeen* Tyypillinen esimerkki: aktiivilieteprosessi jäteveden puhdistuksessa *: Mikä voi D:n arvo teoreettisesti olla, jos kaikki solut palautetaan elinkykyisinä? Mitä ongelmia voit kuvitella liittyvän solujen palautukseen? Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

40 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Fed-batch Usein syöttö on solujen hiililähdettä (esim. glukoosi) hyvin korkeassa pitoisuudessa ja pyrkimyksenä on pitää ko. komponentin pitoisuus fermentorissa lähellä 0 g/l Kaksi tyypillistä tapausta: 1) syöttönopeus on vakio 2) µ on vakio; 1) µ = ? 2) F = ? 1) V0 = alkutilavuus fermentorissa F = syöttönopeus Xtotal = solumassan kokonaismäärä fermentorissa µ pienenee kasvatuksen edetessä 2) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

41 Prosessin kvantitointi
Saantokertoimet: YXS : solumassan saanto substraatista YPS : tuotteen saanto substraatista YPX : tuotteen saanto soluista YXO : solumassan saanto hapesta YXH : solumassan saanto per tuotettu lämpö Tuottonopeudet: Ri : volumetrinen tuotto/kulutusnopeus; i: X, S, P, O, H perusajatus: kasvuun verrannollinen osa + ylläpito ri : spesifinen tuotto/kulutusnopeus = Ri / X kD : kuolemisnopeusvakio [h-1] Käytännön merkitykset: saantokertoimet => raaka-ainekustannukset (S), hapensiirtokustannukset(O), lämmönsiirtokustannukset (H) volumetriset tuottonopeudet => investointikustannukset, hapensiirtokustannukset(O), lämmönsiirtokustannukset (H) spesifiset tuotto/kulutusnopeudet => prosessin optimointi Panos ja fed-batch fermentoinneissa joko keskimääräiset tai hetkelliset arvot X: solumassa; S: substraatti; O: happi; H: lämpö; OUR: volumetrinen hapenkuutusnopeus; HER: volumetrinen lämmöntuottonopeus Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

42 Kasvun ja tuoton stokiometria
Useat mikrobit pystyvät kasvamaan hyvin yksinkertaisilla ravinteilla tai ainakin kasvua ja tuotteen muodostusta voidaan approksimoida (tapana on, että solumassan kertoimeksi merkitään 1): Tästä saadaan alkuainetase Veden muodostumista on lä- hes aina mahdoton mitata H- ja O-tase hyödyttömiä 2 yhtälöä, 5 tuntematonta (kertoimet a,b,g,d,k) tarvitaan mittausdataa, jotta kerrointen arvot selviävät; esim. soluhengityssuhde = RQ = CER/OUR = k/g (poistokaasumittauksista) sekä saantokerrointen arvot (kokemus tai mittaus); esim. YXS=1/a, YXO=1/g Lisäksi voidaan hyödyntää pelkistystasetta eli elektronitasetta Huom: kirjassa erilaiset merkinnät (s. 116) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

43 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Pelkistystase Jokaiselle komponentille ja yhdisteelle voidaan laskea pelkistysaste (degree of reductance, g): kertoo kuinka monta elektronia komponentti tai yhdiste voi luovuttaa hapelle palaessaan täydellisesti (esim. CCO2) (hiiliyhdisteet esitetään per Catomi) alkuaineille: C: 4 per atomi C H: 1 O: -2 N: -3 [kun NH3 on N-lähde] +5 [kun NO3-1 on N-lähde] esim. glukoosi C6H12O6: g= ( )/6=4 per C atomi Tyypillinen mikrobisolun pelkistysaste: 4.291±0,172 (usein: CH1.8O0.5N0.2: MW 24.6 ) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

44 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena
Kotitehtävä 3 Määritä seuraavien yhdisteiden pelkistysasteet: Etanoli Maitohappo Glyseroli Ksylitoli Tyrosiini Lähetä vastaus sähköpostilla ennen seuraavn luennon alkua Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

45 Pelkistystase:esimerkki
Hiiva kasvaa aerobisesti glukooosilla (kasvua rajoittava C-lähde) kemostaatissa ja tuottaa 0,37 g solumassaa per g kulutettua glukoosia. 0,88 g happea kuluu per g muodostunutta solumassaa. Typen lähteenä toimii ammoniakki. Solumassan koostumus on CH1.79N0.17O0.56. Muodostuuko sivutuotteita? Kts. kasvun ja tuoton stokiometria sivulla 41. Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

46 Ravinteiden tarve Tyypilllinen mikrobisolujen koostumus: CH1,8O0,5N0,2
Kaikki solujen alkuaineet ovat peräisin ravinteista; eri lajien vaatimukset ravinteiden kemiallisesta laadusta vaihtelevat suuresti Teollinen rikas kasvualusta Melassi kg Ammoniakki 10,5 kg Kaliumdivetyfosfaatti 8,75 kg Magnesiumsulfaatti 0,75 kg Biotiini mg Kalsiumpantotenaatti mg Inositoli g Synteettinen alusta yhteensä 21 eri yhdistettä: Glukoosi Ammoniumsulfaatti 12 eri hivenainetta 6 vitamiinia Mainitse esimerkkejä mikrobeista, joilla: yksinkertaiset b) monipuoliset ravinne- tarpeet. Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

47 Ravinteiden tarve <= solujen alkuainekoostumus
Hiili 50 % dw Happi 20 Typpi 14 Vety 8 Kalium 1 Fosfori 3 Magnesium 0.5 Kalsium Rikki Muuta 2 Hivenaineita: Zn, Fe, Cu, Na, Mn, Mo Fungeissa bakteereita vähemmän N Mistä tämä johtuu? Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

48 Ravinnekomponentteja
Hiilen/energian lähteitä Melassi Mallasuute Tärkkelys Sulfiittijäteliemi Lignoselluloosa Hera Metanoli, etanoli Biomassa Typen/vitamiinien, hivenaineiden lähteitä Ammoniumsuolat, ammoniakki Urea Hiivauute Autolyysi, 50 – 55 oC Plasmolyysi, NaCl Peptonit (proteiinihydrolysaatit) Liha-, kaseiini- Soijajauho 50% proteiinia, 30% hiilihydraattia Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena

49 Kotitehtävä 4 Kirjan tehtävä 4.12 (s. 131-132)
Ota huomioon lämpötilan vaikutus kaasukomponentteihin; käytä ideaalikaasulakia: pV = nRT Laadi kokonaismassatase ja glyserolitase, jolloin saat nesteen ulosvirtauksen ja CO2 muodostumisnopeuden ja edelleen poistokaasun virtauksen ja koostumuksen. Dead-line palautukselle: ennen seuraavaa luentoa. Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 49