BIOPARAMETRI MISURATI E LORO CONTROLLO T pH Ossigeno disciolto Anidride carbonica Flusso d’aria Pressione Agitazione Schiuma Concentrazione cellulare.

BIOPARAMETRI MISURATI

E LORO CONTROLLO

•T

•pH

•Ossigeno disciolto

•Anidride carbonica

•Flusso d’aria

•Pressione

•Agitazione

•Schiuma

•Concentrazione cellulare

dal progetto al processo: criticita’

• rate limiting step(s)

• scale up

• vincoli impiantistici

• economie di scala

metodi di scale up

• costanza del rapporto: flusso d’aria/volume

• calcolo della velocita’ periferica che garantisce lo stesso trasferimento di ossigeno

• costanza della velocita’ periferica

• correlazione potenza applicata/volume

recovery (down stream processing)

costo variabile da prodotto a prodotto

Etanolo: 15%

Penicillina G (bulk): 20-30%

Enzimi: >70%

scelta del metodo di recovery

• prodotto: eso o endocellulare?

• concentrazione nel brodo di fermentazione?

• proprieta’ chimico-fisiche

• uso finale

• definizione di standard di purezza accettabili

• rischio biologico-chimico del brodo/prodotto

• impurezze nel brodo di fermentazione

• prezzo di mercato

primo obiettivo:

• rimozione delle particelle solide

• rimozione delle cellule

uso di centrifughe o filtri

secondo obiettivo: purificazione

• frazionamento del brodo

• estrazione di frazioni “ricche”

ultrafiltrazione, cromatografia,estrazione liquido/liquido,

estrazione bifasica

terzo obiettivo: precipitazione

• frazionamento delle fasi “ricche”

• uso di tecniche cromatografiche piu’ “avanzate”

• precipitazione frazionata

• cristallizzazione

“pre-trattamenti”

• selezione di microrganismi (metaboliti indesiderati, pigmenti)

• modifiche delle condizioni fermentative (riduzione dei metaboliti indesiderati)

• tempo di harvesting• controllo del pH dopo harvesting• controllo della T dopo harvesting• agenti flocculanti• uso di enzimi per l’attacco alle pareti

cellulari

fermentazione-recoverysviluppo “integrato”

variazioni nelle condizioni di fermentazione possono influire sulla “qualita’” del brodo

(produzione di pigmenti, uso di agenti anti-schiuma,…)

recovery:strade alternative

• costo del processo

• quantita’ richiesta o commerciabile

• resa potenziale

• qualita’ richiesta

• competenze tecniche disponibili

recovery:strade alternative

•conformita’ alle richieste regolatorie

•necessita’ di waste water treatment

•processing continuo oppure a batch

•automazione

•requisiti per sicurezza/salute

filtrazione

• proprieta’ del filtrato (viscosita’, densita’)

• natura delle particelle solide (forma/dimensioni)

• rapporto solido/liquido

• scelta della frazione da recuperare (solida, liquida, tutte e 2?)

filtrazione

• scala

• batch/ continua

• rapporto solido/liquido

• condizioni asettiche

• sovrapressione o vuoto?

pressione nella filtrazione

• per vincere la resistenza del filtro

• per vincere la resistenza del materiale accumulato sul filtro

uso di filter aids

• aumento della porosita’ del materiale da flitrare

• quantita’ da valutare sperimentalmente

• formazione di pre-coat

• mix con brodo di fermentazione

• non utile se prodotto endocellulare

filtrazioni industriali

• filtri pressa

• filtri rotativi (vuoto)

• filtrazione tangenziale

centrifugazione

• se filtrazione lenta e difficoltosa

• impossibilita’ di uso di filter aids

• separazione continua (alto standard di igiene)

centrifugazione: ideale se…

• cellule con grande diametro

• elevata differenza di densita’ tra cellule e liquido

• liquidi a bassa viscosita’

ma…

aggregazione cellulare

stessa densita’ delle cellule singole ma aumento del diametro > velocita’ di sedimentazione

come aggregare

• superficie cellulare anionica

• shell di molecole d’acqua

• irregolarita’ della forma

come aggregare

• neutralizzazione delle cariche (pH)

• riduzione del’idrofilicita’

• uso di “ponti polimerici”

Sali di calcio, ferro, sali di ammonio quaternari, polielettroliti,…

metodi di distruzione cellulare

• fisico-meccanici: uso di pressure-drop, agitazione con abrasivi, ultrasuoni,congelamento-scongelamento

• chimici: detergenti, shock osmotico, trattamenti alcalini, trattamenti enzimatici

estrazione liquido/liquido

• coefficiente di ripartizione

• mono o pluristadio

• equi e controcorrente

• mono e bifasica

distillazione

• recupero del solvente (costo industriale/ambientale)

• processo in continuo