Przemysłowe procesy fermentacyjne

Przemysłowe procesy

fermentacyjne

Rodzaje bioprocesów

Biosynteza

Biotransformacja

Biohydroliza

Fermentacja

Bioługowanie

Biodegradacja

Blokowy schemat technologiczny procesu biosyntezy mikrobiologicznej

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 – procesciągły heterogeniczny w reaktorze z przepływem tłokowym; G – proces ciągły heterogeniczny z częściowąrecyrkulacją; 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

PROCESY CIĄGŁE  Zalety: 1.      Wyeliminowanie wpływu czasu hodowli na zmiany warunków w pożywce i fizjologię drobnoustrojów2.      Możliwość prowadzenia hodowli dowolnie długo w ustalonych, optymalnych warunkach3.      Możliwość regulacji stanu fizjologicznego komórek przez dobór zasilania i składu podłoża zasilającego hodowlę4.      Jednorodność fizyczna i chemiczna hodowli5.      Możliwość automatyzacji procesu6.      Większa szybkość i wydajność wielu procesów7.      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 produkcyjnych2.      Trudności w utrzymaniu warunków aseptycznych procesu w bioreaktorze przez dłuższy czas3.      Niekorzystny sposób rozwoju niektórych drobnoustrojów, tworzących układy wielokomórkowe, skupiska w postaci kłaczków i kuleczek, obrastanie przewodów4.      Niekorzystna relacja pomiędzy wzrostem drobnoustrojów, a tworzeniem niektórych produktów metabolizmu syntezowanych przez komórki nie rosnące

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 – bioreaktorkolumnowy z bełkotką; E – bioreaktor kolumnowy z inżektorowym doprowadzeniem powietrza i rurącyrkulacyjną; F – bioreaktor z mieszadłem śmigłowym, dyszą doprowadzającą powietrze i rurą cyrkulacyjną;G – bioreaktor z hydrostatyczną cyrkulacją zewnętrzną

BIOREAKTORY

Bioreaktory przemysłowe Bioreaktor laboratoryjny

(1) korpus; (2) płaszcz; (3) izolacja; (4) zamocowanie; (5) króciec do podawania inokulum; (6) króćce czujników pH, temperatury i poziomu tlenu; (7) mieszadło; (8) bełkotka; (9) uszczelka mechaniczna; (10) sprzęgło; (11) napęd; (12) króciec odbioru produktu; (13) króćce doprowadzenia czynnika chłodzącego do płaszcza; (14) króciec do poboru próbki z podłączeniem do przewodu dostarczającego parę; (15) wziernik boczny; (16) króćce przewodów podawania czynników regulujących pH oraz środków antypieniących; (17) króciec wlotu powietrza; (18) pokrywa; (19) króciec dopływu pożywki; (20) dysza wylotowa gazów; (21) inne podłączenia; (22) mechaniczny rozbijacz piany; (23) wziernik w pokrywie i podłączenie do przewodu odprowadzającego parę; (24) dysza z zaworem bezpieczeństwa.

Bioreaktor

Rodzaje mieszadeł stosowanych w biofermentorach

Rozwiązania techniczne bioreaktora typu air-lift

Schematy wybranych bioreaktorów do procesów z biokatalizatoramiimmobilizowanymi

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

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)

Krew bydlęca Beef bloodHydrolizat kazeiny Casein hydrolysateMączka z nasion bawełny Cottonseed mealMączka z kiełków kukurydzianych Corn germ mealWodny namok kukurydziany Corn steep liquorMączka rybna Fish mealMączka z siemienia lnianego Limseed mealMączka mięsno-kostna Meat and bone mealMączka z orzeszków ziemnych Peanut mealMączka z nasion rzepaku Rape seed mealMączka sojowa Soybean mealStałe składniki serwatki Whey solidsEkstrakt drożdżowy Yeast extract 

Źródła azotu stosowane w pożywkach fermentacyjnych

Olej z nasion bawełny Cottonseed oilOlej ze smalcu Lard oilOlej palmowy Palm oilOlej z ziarna palmowego Palm kernel oilOlej z orzeszków ziemnych Peanut oilOlej rzepakowy Rape oilOlej sojowy Soy oilŁój Tallow

Źródła węgla stosowane w pożywkach fermentacyjnych

Melasy z buraków lub trzciny cukrowej Beet or cane molassesGlukoza GlucoseKwas cytrynowy Citric acidSyrop kukurydziany Corn liquorDekstryny DextrinsEtanol EthanolGlicerol GlycerolSyrop maltozowy Maltose liquorSkrobia StarchLaktoza Lactose

Lipidowe składniki pożywek fermentacyjnych

Metody wyjaławiania podłoża

A – okresowa; B- ciągła przeponowa, wymienniki płytowe; C – ciągła bezprzeponowa1- inżektor parowy, 2 – rura sterylizacyjna, 3 – komora „próżniowa”

Schemat postępowania podczas przygotowania materiału posiewowego do procesu biosyntezy

Schemat etapów procesu fermentacyjnego

OBRÓBKA POPRODUKCYJNA – DOWNSTREAM PROCESSING  1.    oddzielenie elementów nierozpuszczalnych od cieczy2.    zatężenie roztworu3.    oczyszczanie4.    formułowanie

Wirówki wykorzystywane w przemysłowych procesachbiotechnologicznych

a) kalander rurowy; b, c) wirówka talerzowa; d) wirówka ślimakowa

OBRÓBKA POPRODUKCYJNA – DOWNSTREAM PROCESSING

Przemysłowe metody dezintegracji komórek

1. Poddawanie działaniu wysokiego ciśnienia2. Ucieranie (młyny kulowe)3. Mikrofluidyzacja

A. Metody mechaniczne

B. Metody niemechaniczne

1. Suszenie/zawieszanie w roztworze2. Szok osmotyczny3. Szok termiczny4. Traktowanie rozpuszczalnikami organicznymi lub surfaktantami5. Zastosowanie enzymów litycznych

Przemysłowe metody zagęszczania roztworów

1. Odparowywanie, w tym: odparowywanie ze spływającą warstwą,odparowywanie płytowe

2. Ekstrakcja ciecz/ciecz- prosta- dysocjatywna- reakcyjna

3. Wytrącanie- frakcjonowanie siarczanem amonu- wytrącanie powinowactwa- immunoprecypitacja

3. Adsorpcja- na węglu aktywnym- na żywicach jonowymiennych- na adsorbentach hydrofobowychmetoda złoża fluidalnego w kolumnie – proces ciągły

Diagram fazowy pojedynczej substancjiPc – ciśnienie krytyczne; Tc – temperatura krytyczna

Ekstrakcja płynem w stanie nadkrytycznym

OBRÓBKA POPRODUKCYJNA – DOWNSTREAM PROCESSING

Odparowywanie membranowe - pervaporation

Przemysłowe techniki chromatograficzne

Stosowane głównie dla oczyszczania białek i DNA

Techniki:

- Chromatografia rozmiarów wykluczających (Sephadex, Sepharose)- Chromatografia jonowymienna (DEAE-, Q-, CM-, S)- Chromatografia hydrofobowa (Phenyl-Sepharose)- Chromatografia adsorpcyjna (hydroksyapatyt)- Chromatografia powinowactwa

Metody formułowania produktu

- krystalizacja- suszenie- liofilizacja

Liofilizatory

Suszarka z wymuszonym obiegiem powietrza