Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΙΠΛΩΜΑ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ "ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ"

Transcript

1 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΙΠΛΩΜΑ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ "ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ" ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΩΝ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2009

2 Τεχνολογία Μικροβιακών Προϊόντων Θεµατικές περιοχές Κύρια µικροβιακά προϊόντα Συστήµατα καλλιέργειας µικροοργανισµών Κρίσιµες παράµετροι λειτουργίας βιοαντιδραστήρων Σχεδιασµός και επιλογή βιοαντιδραστήρων Ζύµωση στερεάς κατάστασης Γενετική αστάθεια τροποποιηµένων µικροοργανισµών Ανάκτηση µικροβιακών προϊόντων ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ

3 Τι είναι Βιοτεχνολογία; Εφαρµογή των βιολογικών συστηµάτων, οργανισµών και διαδικασιών στις βιοµηχανίες παραγωγής αγαθών και υπηρεσιών

4 Εξέλιξη της Βιοτεχνολογίας Κλασσική Σύγχρονη

5 Οι στόχοι της Βιοτεχνολογίας σήµερα Πρόληψη, διάγνωση, αντιµετώπιση ασθενειών ΙΑΤΡΙΚΗ ΥΓΕΙΑ ΓΕΩΡΓΙΑ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ Βελτιστοποίηση αγροτικής παραγωγής & εκµετάλλευση φυτικής βιοµάζας Εισαγωγή νέων ήπιων µεθόδων παραγωγής ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΤΡΟΦΙΜΑ ΘΑΛΑΣΣΑ ΝΕΡΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Αξιοποίηση & διαχείριση υδάτινου πλούτου

6 Κόκκινη Βιοτεχνολογία Φάρµακα Εµβόλια ιαγνωστικά Γονιδιακή θεραπεία Μηχανική ιστών 325 εκατ ασθενείς 418 φάρµακα και εµβόλια υπό δοκιµή: 210 καρκίνος, 50 µεταδοτικές ασθένειες, 44 αυτοάνοσα νοσήµατα 1600 εταιρίες στην Ευρώπη µε κύκλο εργασιών 7.8 δις ευρώ το 2005

7 Πράσινη Βιοτεχνολογία ιαγονιδικά φυτά (GMOs) Μοριακή αναπαραγωγή φυτών Φυτά ως εργοστάσια παραγωγής Βιοκαύσιµα Βιοαποικοδόµηση Βιολογικά λιπάσµατα Βιοέλεγχος

8 Λευκή Βιοτεχνολογία Βιοµηχανία τροφίµων Παραδοσιακά προϊόντα (ποτά-γαλακτοκοµικά) Ζύµη αρτοποιίας Πρόσθετα (αµινοξέα-βιταµίνες,χρωστικές) Ένζυµα Παραγωγή ενζύµων Κλωστοϋφαντουργία Βιοµηχανία χαρτιού Βιοµηχανία απορρυπαντικών Ζωοτροφές Βιοπολυµερή Μικροβιακοί πολυσακχαρίτες Οργανικά οξέα & διαλύτες Μικροβιακή ανάκτηση µετάλλων McKinsey & Co 10-20% της παγκόσµιας χηµικής βιοµηχανίας µε ετήσια αύξηση εκατ $ 75% της παγκόσµιας παραγωγής ενζύµων στην Ευρώπη

9 Μπλέ Βιοτεχνολογία ιαγονιδιακά ψάρια Βιοκαύσιµα απόφύκη Έλεγχος υδρόβιων παθογόνων Η µπλέ Βιοτεχνολογία αποτελεί το λιγότερο ανεπτυγµένο τοµέα µέχρι σήµερα

10 Κατανοµή πωλήσεων µικροβιακών προϊόντων Κατηγορία Ποσοστό Τυπικά προϊόντα (%) Αντιβιοτικά 42 πενικιλλίνες, κεφαλοσπορίνες Θεραπευτικές πρωτεϊνες 25 ιντερφερόνη, ινσουλίνη, αντισώµατα Άλλα φάρµακα 17 στεροειδή, αλκαλοειδή Αµινοξέα 8 λυσίνη, γλουταµινικό Ένζυµα 3 πρωτεάσες, κυτταρινάσες, λιπάσες Οργανικά οξέα 3 γαλακτικό οξύ, κιτρικό οξύ Βιταµίνες 1 Β2, Β1, βιοτίνη Πολυσακχαρίτες 1 ξανθάνη, δεξτράνη

11 Η προσέγγιση των στόχων της Βιοτεχνολογίας ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΒΙΟ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΓΕΝΕΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΠΡΩΤΕΪΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΒΙΟΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΦΥΣΙΚΗ

12 Μηχανική Βιοδιεργασιών Εφαρµογή των αρχών της µηχανικής µε στόχο τη βελτιστοποίηση βιοκαταλυτικών διεργασιών Βιοαντιδραστήρες & κινητική Υγρό Αέριο Φαινόµενα µεταφοράς Ρεολογία Ανάκτηση προϊόντων Ρύθµιση διεργασιών Οικονοµοτεχνική ανάλυση

13 ιάγραµµα παραγωγής ινσουλίνης

14 Βιοδιεργασία Προετοιµασία υλικών τροφοδοσίας Ενέργεια Απόβλητα Αποστείρωση Βιοαντιδραστήρας Ανάκτηση προϊόντων Ρύθµιση Μορφοποίηση προϊόντων

15 Βιοαντιδραστήρες Ταξινόµηση µε βάση τον τρόπο λειτουργίας ιαλείποντος έργου Συνεχούς έργου Ηµιδιαλείποντος έργου

16 Βιοαντιδραστήρες διαλείποντος έργου 1 φορά: αρχή διεργασίας 1 φορά: τέλος διεργασίας Video

17 Βιοαντιδραστήρες συνεχούς έργου συνεχώς F in συνεχώς D = F V F out ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΡΑΙΩΣΗΣ (Dilution rate) Σταθερός όγκος F in =F out Συγκεντρώσεις ρεύµατος εξόδου = Συγκεντρώσεις βιοαντιδραστήρα Σταθερές τιµές συγκεντρώσεων Video

18 Μικροβιακή ανάπτυξη ανάλογα µε τον τύπο λειτουργίας ιαλείποντος Ηµιδιαλείποντος Συνεχούς Κύτταρα Συγκέντρωση Κύτταρα Υπόστρωµα Κύτταρα Υπόστρωµα Υπόστρωµα Χρόνος Χρόνος Χρόνος

19 Επιλογή τρόπου λειτουργίας ΙΑΛΕΙΠΟΥΣΑ Σχετική απλότητα και χαµηλότερο κόστος εξοπλισµού Χαµηλότερος κίνδυνος µολύνσεων Μικρότερος κίνδυνος µετάλλαξης επιστροφής Ευελιξία στον προγραµµατισµό της βιοµηχανικής παραγωγής Μικρότερη ευαισθησία σε έκτακτα περιστατικά και διαταραχές ΣΥΝΕΧΗΣ Μικρότερος χρόνος µη παραγωγικών διαδικασιών (downtime) Οµοιογενές προϊόν Ευκολότερος έλεγχος ρυθµού ανάπτυξης Αύξηση παραγωγικότητας διεργασιών επεξεργασίας προϊόντος Μεγαλύτερο µέγεθος βιοαντιδραστήρων Μείωση παραγωγικότητας λόγω χρόνου προσαρµογής υσκολότερη διατήρηση ασηπτικών συνθηκών Έλλειψη συµµόρφωσης µε απαιτήσεις ποιότητας (ξεχωριστές παρτίδες) Πιθανή ελάττωση απόδοσης λόγω απώλειας πλασµιδίων Κάποια προϊόντα δεν παράγονται ικανοποιητικά Πιθανή διαφοροποίηση απόδοσης λόγω µεταβολής ρεύµατος τροφοδοσίας

20 Βιοαντιδραστήρες ηµιδιαλείποντος έργου Περιοδικά καθ όλη τη διεργασία 1 φορά: τέλος διεργασίας Video

21 ιεργασίες ηµιδιαλείποντος έργου - Παράδειγµα παραγωγής ζύµης αρτοποιϊας Ύπαρξη ρυθµοκαθοριστικού σταδίου στο µεταβολισµό του πυροσταφυλικού µέσω της αναπνευστικής δραστηριότητας. Πάνω από µια κρίσιµη τιµή τουs (30-40 g/l) παρατηρείται αερόβια παραγωγή αιθανόλης µε σκοπότην αναγέννηση του NAD +. Σε διεργασία διαλείποντος έργου: Για την επίτευξη µεγάλης συγκέντρωσης κυττάρων απαιτείται µεγάλη συγκέντρωση υποστρώµατος Οι απαιτήσεις σε Ο 2 δεν µπορούν να καλυφθούν Παράγεται αιθανόλη λόγω µεταβολικής υπερχύλισης (φαινόµενο Crabtree) µειώνοντας την απόδοση και προκαλώντας αναστολή της κυτταρικής ανάπτυξης

22 Εξέλιξη διεργασίας ηµιδιαλείποντος έργου X µ=0.25 h DO -1 2 F S 20 0 EtOH Χρόνος (h) S crit

23 Μικροβιακή ανάπτυξη σε συνθήκες διαλείποντος έργου εκθετική φάση Συγκέντρωση κυττάρων 1. Φάση επώασης 2. Φάση επιτάχυνσης 3. Εκθετική φάση 4. Φάση επιβράδυνσης 5. Στατική φάση 6. Φάση θανάτου dx dt = µ * X µ: ειδικός ρυθµός ανάπτυξης Εξίσωση Monod Χρόνος S: συγκέντρωση υποστρώµατος

24 Μοντέλα παραγωγής µικροβιακών προϊόντων ΠΡΩΤΟΓΕΝΕΙΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΤΕΣ Σχετιζόµενο µε την κυτταρική ανάπτυξη Μικτό µοντέλο ΕΥΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΤΕΣ Μη σχετιζόµενο µε την κυτταρική ανάπτυξη συγκέντρωση συγκέντρωση συγκέντρωση χρόνος χρόνος χρόνος dp dt dx a dt Leudeking-Piret dp dt dx dt = = a + ( b x) Brown - Vass dp dt dx ( t tm ) = a dt dp = b x dt

25 Ένας τυπικός ζυµωτήρας (πλήρους αναµίξεως) 1. οχείο ζύµωσης Μετακινούµενο σκέπασµα 3. Είσοδος υποστρώµατος-εµβολίου 4. Σύστηµα εισόδου αέρα Θυρίδες αισθητηρίων Μανδύας ελέγχου Τ Θυρίδες εισόδου (οξύ, βάση) 8. Αναδευτήρας 9. Έξοδος αέρα 10. Θυρίδα εξόδου Βαλβίδα εκτόνωσης πίεσης 12. Πτερύγια εκτροπής ροής (baffles)

26 Ζυµωτήρας πλήρους αναµίξεως

27 ICI βιοαντιδραστήρας (1/2)

28 ICI βιοαντιδραστήρας (2/2) Προϊόν: Pruteen (ζωοτροφή) Υποστρώµατα: CΗ 3 ΟΗ, NH 3 Όγκος: 750 m 3, Ύψος: 42 m, Πλάτος: 11 m Καταλύτης: Methylophilus methylotrophus ICI, Μ. Βρετανία (1981)

29 Τυπικές λειτουργίες ζυµωτήρα Βασικές λειτουργίες Εµποδίζει την ανταλλαγή µικροοργανισµών ανάµεσα στο χώρο της ζύµωσης και το περιβάλλον (µολύνσεις) ιασφαλίζει την τροφοδότηση των κυττάρων µε τα απαραίτητα για την επιβίωσή τους συστατικά ιατηρεί τις κρίσιµες µεταβλητές του περιβάλλοντος των κυττάρων στο επιθυµητό επίπεδο (T, ph) Κρίσιµες παράµετροι Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερµότητας Ανάδευση Ρύθµιση ph Αντιµετώπιση αφρισµού Άλλες λειτουργίες Επιτρέπει την παρακολούθηση ενδεικτικών για την πορεία της διεργασίας παραµέτρων Εγγυάται την ασφάλεια των χειριστών κατά τη διάρκεια λειτουργίας της συσκευής

30 Αποστείρωση: Πώς ορίζεται και γιατί είναι απαραίτητη απαραίτητη; Αποστείρωση Αποστείρωση: Καταστροφή ή αποµάκρυνση όλων των µικροοργανισµών που είναι δυνατό να έρθουν σε επαφή µε τα θρεπτικά συστατικά ή τον εξοπλισµό µιας διεργασίας Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερµότητας Ανάδευση Ρύθµιση ph Αντιµετώπιση αφρισµού Προβλήµατα από την παρουσία ανεπιθύµητων µικροοργανισµών Παρεµπόδιση ανάπτυξης του παραγωγού στελέχους από τοξίνες Μείωση της απόδοσης της διεργασίας λόγω κατανάλωσης υποστρωµάτων ή αποικοδόµησης του προϊόντος από ένζυµα Αρνητική επίδραση στη διαδικασία ανάκτησης των προϊόντων ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΣΤΕΙΡΩΣΗ

31 Κινητική αποστείρωσης N N e kt = RT o k = α* e E όπου Ν: αριθµός ζωντανών κυττάρων k(ή kd): ειδικός ρυθµός θερµικής καταστροφής (min -1 ή h -1 ) α: παράγοντας συχνότητας (min -1 ή h -1 ) Ε: ενέργεια ενεργοποίησης θερµικής καταστροφής (cal mol -1 ) T: θερµοκρασία (ºΚ) R: σταθερά του νόµου των αερίων (1.98 cal mol -1 ºΚ -1 ) N 0 ΟΛΙΚΟ = ln N

32 Θερµική αποστείρωση συνεχούς έργου Έγχυση ατµού και ταχύτατη ψύξη Ανταλλαγή θερµότητας µέσω εναλλακτών (α) Ψυκτήρας εκτόνωσης (β) Ακατέργαστο µέσο Εναλλάκτης θερµότητας Εναλλάκτης θερµότητας Ακατέργαστο µέσο Αποστειρωµένο µέσο Περιοχή διατήρησης θερµοκρασίας Έγχυση ατµού Αποστειρωµένο µέσο Εναλλάκτης θερµότητας Ατµός Περιοχή διατήρησης θερµοκρασίας µειώνει σηµαντικά τις αλλοιώσεις των συστατικών του µέσου επιτυγχάνεται οικονοµία κατά 20-25% λόγω µικρότερης κατανάλωσης ατµού απαιτείται µικρότερος χρόνος αφού τα στάδια θέρµανσης & ψύξης είναι ακαριαία περισσότερο αξιόπιστη διεργασία ως προς την κλιµάκωση µεγέθους. ΜΗΚΟΣ - ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

33 ιάγραµµα θερµικής καταστροφής κυττάρων Pe Εξάρτηση της θερµικής καταστροφής κυττάρων από τους αριθµούς Peclet και Damkohler. N ο Ν : αριθµός ζωντανών κυττάρων που εισέρχονται και εξέρχονται από το τµήµα διατήρησης της θερµοκρασίας αποστείρωσης, αντίστοιχα. Pe = ul D z N/N ο u = µέση γραµµική ταχύτητα ρευστού L= µήκος σωλήνα k d = ειδικός ρυθµός θερµικής καταστροφής D z = συντελεσής αξονικής διασποράς Da = k dl u Da

34 Αποστείρωση αέριων ρευµάτων φίλτρα µεµβρανών πύργοι σταθερής κλίνης (packed tower) κάποιου ινώδους υλικού, όπως χαρτί, βαµβάκι, υαλοβάµβακας Έξοδος αέρα Περίβληµα ανοξείδωτου χάλυβα Ινώδες υλικό πλήρωσης ΜΗΚΟΣ Είσοδος αέρα Πλέγµα υποστήριξης υλικού Άµεση ανάσχεση από τις ίνες (direct interception) Αδρανειακή ενσφήνωση (inertial impaction) Ανάσχεση λόγω διάχυσης (diffusional interception) Ηλεκτροστατική έλξη (electrostatic attraction)

35 Προσδιορισµός του συντελεστή συγκράτησης (n o ) ln N N o = 4 η ο (1 + πd f 4.5 a) al (1 a) n o N R Pe 3 18 N Pe R Re

36 Θερµική αποστείρωση διαλείποντος έργου E RT N0 ΟΛΙΚΟ = ln = a e dt = N t 0 ΘΕΡΜΑΝΣΗ + ΙΑΤΗΡΗΣΗ + ΨΥΞΗ,, Ψύξη Τύπος µεταφοράς θερµότητας Απευθείας εισαγωγή ατµού Θέρµανση µε ηλεκτρική αντίσταση Θέρµανση µε ατµό Συνάρτηση Τ=f(t) T = T o Αt Γt ( At) T = To 1+ At ( ) T = T ci 1+ Be At ( ) T = T S 1+ Be Σταθερές εξισώσεων hm s A = M Γ = M mc pto M Q A = M c T US To T A = B = M m c p To M wc pw A = 1 e M mc p To Tci B = T m ci p o s m S US M w c pw

37 Μεταφορά οξυγόνου Αποστείρωση Στόχος Παροχή του απαραίτητου για την ανάπτυξη των µικροοργανισµών στοιχείου Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερµότητας Ανάδευση Ρύθµιση ph Μέθοδοι ιέλευση αέρα µέσα από τη µάζα του θρεπτικού µέσου Παράγοντες που επηρεάζουν τη µεταφορά Ο 2 Ρυθµός παροχής αέρα Ταχύτητα ανάδευσης ιάταξη αερισµού Γεωµετρία βιοαντιδραστήρα

38 Μεταφορά Ο 2 σε καλλιέργειες κυττάρων Στατικό οριακό στρώµα υγρού Συσσωµάτωµα κυττάρων Αέρια v φυσαλίδα Μεµονωµένο κύτταρο Μεµονωµένο κύτταρο Στατικό οριακό στρώµα υγρού Σηµείο αντίδρασης οξυγόνου Στατικό οριακό στρώµα υγρού ιεπιφάνεια αέριας-υγρής φάσης

39 Συντελεστής µεταφοράς Ο 2 σε ζυµωτήρες Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερµότητας Ν Α = k L * α * ( mxc AG C AL ) Ανάδευση Ρύθµιση ph ιαλυτότητα Ο 2 = C * AL 1. Φυσαλίδες (ΑΝΑ ΕΥΣΗ-ΜΕΣΟ) 2. Αντιαφριστικές ουσίες 3. Θερµοκρασία 4. Πίεση και µερική πίεση Ο 2 5. Συγκέντρωση και µορφολογία κυττάρων

40 Κρίσιµη συγκέντρωση Ο 2 Q o = q o *x Q o : απαίτηση κυττάρων σε Ο 2 (g l -1 s -1 ) q o : ειδικός ρυθµός κατανάλωσης Ο 2 (g g -1 s -1 ) Ν Α = k L α ( C* AL C AL ) = q o *x x max = k L ac q o * AL ( k L a) crit q = ( C* o AL x C crit )

41 Υπολογισµός k L α - Μέτρηση Ο 2 σε σταθερή κατάσταση N A = 1 V L [( F C ) ( F C ) ] g AG i g AG o όπου V L : όγκος του υγρού στο ζυμωτήρα F g : ογκομετρική παροχή αέρα C AG : συγκέντρωση Ο 2 στην αέρια φάση i,o: δείκτες που υποδηλώνουν το ρεύμα εισόδου και εξόδου, αντίστοιχα Ν Α = k L α ( C* AL C AL )

42 Υπολογισµός k L α - Μέθοδος υναµικής Απόκρισης ιακοπή τροφοδοσίας αέρα Επανέναρξη τροφοδοσίας αέρα _ C AL C AL2 C AL * ιαλυτότητα Ο 2 C AL C AL1 _ C AL Συγκέντρωση ισορροπίας Ο 2 C Crit t o t 1 t 2 Χρόνος Στο στάδιο διακοπής της τροφοδοσίας δεν υπάρχει µεταφορά µάζας

43 Μέθοδος υναµικής Απόκρισης dc dt AL = k a * L ( C C ) q x AL AL o q o x = k a * L ( C C ) AL AL k L a = ln C C AL AL t 2 C C t 1 AL AL 1 2

44 Μεταφορά θερµότητας Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Στόχος ιατήρηση της βέλτιστης για την παραγωγή του επιθυµητού προϊόντος θερµοκρασίας Μέθοδοι Εξωτερικός µανδύας Μεταφορά θερµότητας Ανάδευση Ρύθµιση ph Αντιµετώπιση αφρισµού Εσωτερικό σπείρωµα µε κλειστό κύκλωµα κυκλοφορίας Παράγοντες που επηρεάζουν το ρυθµό µεταφοράς θερµότητας Έκλυση θερµότητας από τον αναπτυσσόµενο µικροοργανισµό Είσοδος/έξοδος αέριων ή υγρών ρευµάτων Μηχανική ανάδευση Ρυθµός απωλειών ενέργειας στο περιβάλλον

45 Σκοπός της ανάδευσης Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερµότητας Ανάδευση Ρύθµιση ph Αντιµετώπιση αφρισµού ανακάτεµα διαλυτών συστατικών του θρεπτικού µέσου διασπορά αερίων (π.χ. αέρας) µέσα σε υγρό µε τηµορφή µικρών φυσαλίδων διατήρηση στερεών σωµατιδίων (π.χ. κυττάρων) σε αιώρηση διασπορά µη αναµείξιµων υγρών µε σχηµατισµό γαλακτώµατος ή αιωρήµατος σταγονιδίων ενίσχυση της µεταφοράς θερµότητας από και προς το υγρό µέσο

46 ιατάξεις ανάµειξης Επιλογή µε βάση το ιξώδες ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΑΝΑ ΕΥΣΗ Τάρακτρα (impellers) Ιξώδες vs Τύπος ταράκτρου άγκυρα Άγκυρα Προπέλα Τουρµπίνα 6 επίπεδων πτερυγίων προπέλα τουρµπίνα επίπεδων πτερυγίων πτερύγιο άγκυρα θύρα έλικας Πτερύγιο ή Κώπη Άγκυρα µε θύρα Έλικας Εκτός από τα τάρακτρα για την ενίσχυση της ανάδευσης υπάρχουν οι εκτροπείς (baffles)

47 Πρότυπα & µηχανισµοί ανάδευσης Ακτινική διεύθυνση εκτροπέας πλευρική όψη κάτοψη εκτροπέας πλευρική όψη Αξονική διεύθυνση κάτοψη

48 Χρόνος ανάµειξης Εξαρτάται από: µέγεθος βιοαντιδραστήρα µέγεθος ταράκτρου ταχύτητα περιστροφής ταράκτρου ιδιότητες υγρού (π.χ ιξώδες)

49 Χρόνος Ανάµειξης & Re i N i t m Re i N i D i2 ρ µ

50 Απαιτούµενη Ισχύς P = N p ρn 3 5 i D i P: απαιτούµενη ισχύς ρ: πυκνότητα ρευστού Ν i : ταχύτητα περιστροφής αναδευτήρα D i : διάµετρος ταράκτρου Αριθµός ισχύος Re i

51 Ρύθµιση ph Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερµότητας Ανάδευση Στόχος ιατήρηση του βέλτιστου για την παραγωγή του επιθυµητού προϊόντος ph Ρύθµιση ph Αντιµετώπιση αφρισµού Μέθοδοι υνατότητα αυτόµατης ρύθµισης Προσθήκη διαλυµάτων οξέος και βάσεως Χρήση ουσιών µε ρυθµιστική ικανότητα (buffering capacity) στο µέσο ανάπτυξης Χρήση κατάλληλης πηγής αζώτου (π.χ. NH 3 ήαλάτωνµε NH 4+ )

52 Αντιµετώπιση αφρισµού Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερµότητας Στόχος Πρόληψη µολύνσεων και απωλειών του περιεχοµένου του βιοαντιδραστήρα Ανάδευση Ρύθµιση ph Αντιµετώπιση αφρισµού Μέθοδοι Προσθήκη αντιαφριστικών ουσιών (ελάχιστη δυνατή ποσότητα) Χρήση αντιαφριστικών πτερυγίων Ρύθµιση ανάδευσης Ρύθµιση παροχής αέρα υνατότητα αυτόµατης ρύθµισης

53 Τύποι βιοαντιδραστήρων Από τη µεγάλη ποικιλία βιοαντιδραστήρων που έχουν σχεδιαστεί, οι ακόλουθοι τύποι είναι οι περισσότερο διαδεδοµένοι: Πλήρους αναµίξεως (stirred tank bioreactor) Στήλης φυσαλίδων Βρόχου (loop bioreactor) Κλίνης (bed bioreactor) (bubble column bioreactor) Μεµβρανών (membrane bioreactor) Ζύµωσης στερεάς κατάστασης (solid-state fermentor)

54 Βιοαντιδραστήρες πλήρους αναµίξεως Καλός έλεγχος και ρύθµιση µεταβλητών Μεγάλος αριθµός ερευνητικών εργασιών Αντιβιοτικά Αµινοξέα Βιοµηχανικά ένζυµα

55 Βιοαντιδραστήρες στήλης φυσαλίδων ΕΞΟ ΟΣ ΑΕΡΑ Χαµηλό κόστος κατασκευής Ικανοποιητική µεταφορά µάζας & θερµότητας Ζύµη αρτοποιϊας Κιτρικό οξύ ΕΙΣΟ ΟΣ ΑΕΡΑ ΚΑΤΑΝΕΜΗΤΗΣ ΑΕΡΑ (sparger)

56 Βιοαντιδραστήρας βρόχου ΕΞΟ ΟΣ ΑΕΡΑ Ικανοποιητική ανάδευση Πολύ καλή µεταφορά µάζας Προστασία ευαίσθητων κυττάρων Ζωϊκά κύτταρα Επεξεργασία βιοµηχανικών αποβλήτων ΕΙΣΟ ΟΣ ΑΕΡΑ

57 Βιοαντιδραστήρες κλίνης Σταθερής κλίνης (packed bed) Video Ρευστοποιηµένης κλίνης (fluidized bed) Video υνατότητα συνεχούς λειτουργίας Αυξηµένη διεπιφάνεια Μεγάλη συγκέντρωση βιοκαταλύτη Αντιµετώπιση αναστολής από προϊόν Παραγωγή οξικού οξέος (ξίδι) Παραγωγή βιοαερίου από στερεά απόβλητα Εύκολη ρύθµιση ph και Τ υνατότητα χρήσης κολλοειδών υποστρωµάτων Επεξεργασία υγρών αποβλήτων Πιλοτική παραγωγή µπύρας χωρίς αιθανόλη (alcohol-free) Πιλοτική παραγωγή anti-hiv αντισωµάτων

58 Βιοαντιδραστήρες ρευστοποιηµένης κλίνης Ύψος: 21 m Όγκος: 390 m 3 Υπόστρωµα: απόβλητα εργαστασίου παραγωγής ζύµης Βιοκαταλύτης: ακινητοποιηµένα βακτηριακά κύτταρα σε άµµο Συνθήκες: αναερόβιες Gist-brocades, Delft - Ολλανδία

59 Βιοαντιδραστήρες µεµβρανών Βιοαντιδραστήρας κοίλων ινών Θρεπτικά συστατικά ΚΥΤΤΑΡΑ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΚΥΤΤΑΡΑ Αποµάκρυνση παρεµποδιστικού προϊόντος ή άλλων παρεµποδιστών υνατότητα συνεχούς λειτουργίας Ενζυµικοί βιοαντιδραστήρες Ανάπτυξη ζωικών κυττάρων Ανάπτυξη αρχαιοβακτηρίων

60 Βιοαντιδραστήρες ζύµωσης στερεάς κατάστασης Ζύµωση στερεάς κατάστασης: ανάπτυξη µικροοργανισµών σε στερεά υποστρώµατα απουσία ελεύθερου νερού Με δίσκους Στερεάς κλίνης Περιστρεφόµενου τυµπάνου Με ανάδευση Χαµηλό κόστος εγκατάστασης & λειτουργίας Ευκολότερη ανάκτηση προϊόντων Αµυλάση Πρωτεάση Παραδοσιακά τρόφιµα Α. Ανατολής (soy sauce)

61 Ζυµωτήρας περιστρεφόµενου τυµπάνου ΘΥΡΙ Α ΠΛΗΡΩΣΗΣ ΚΑΙ ΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ ΕΞΟ ΟΣ ΑΕΡΑ ΙΑΤΡΗΤΟ ΤΥΜΠΑΝΟ ΣΥΡΟΜΕΝΗ ΘΥΡΙ Α ΑΞΟΝΑΣ ΕΙΣΟ ΟΣ ΑΕΡΑ ΜΑΝ ΥΑΣ

62 Φωτοβιοαντιδραστήρες Τύπος: Βιοαντιδραστήρας µε λήψη πολλαπλών σωληνώσεων 96 σωλ. πολυαιθυλενίου (µήκος 120 m, διάµετρος 25 cm, όγκος: 600 m 3 ) Καταλύτης: κύτταρα κυανοβακτηρίου Arthrospira platensis Τροφοδοσία: αντλία & σωλήνας ανακυκλοφορίας Hidrobiologica SA, La Rioja, Αργεντινή

63 Επιλογή & σχεδιασµός βιοαντιδραστήρων Κριτήρια - Περιορισµοί Μικροοργανισµός (είδος, φυσιολογία, γενετική αστάθεια) Υπόστρωµα (τύπος, παρεµπόδιση) Προϊόν (φάση παραγωγής, αξία) Κάθε περίπτωση αποτελεί ένα µοναδικό πρόβληµα και πρέπει να εξετάζεται µε βάσητους συγκεκριµένους περιορισµούς

64 Παραγωγή κιτρικού οξέος Aspergillus niger Ο µικροοργανισµός παράγει κιτρικό οξύ σε συνεχή παροχή Ο 2 Το προϊόν έχει χαµηλή τιµή Ικανοποιητικός ρυθµός µεταφοράς Ο 2 Μεγάλος όγκος & απλή δοµή αντιδραστήρα Βιοαντιδραστήρας στήλης φυσαλίδων

65 Παραγωγή ενζύµων από θερµόφιλους µύκητες Thermoascus aurantiacus Στερεό υπόστρωµα Ευαισθησία σε διατµητικές τάσεις Υψηλός ρυθµός εξάτµισης λόγω υψηλής Τ Ζύµωση στερεάς κατάστασης Ήπιες συνθήκες ανάδευσης ιατήρηση της υγρασίας του θρεπτικού µέσου Ζυµωτήρας στερεάς κατάστασης µε περιστρεφόµενο τύµπανο

66 Ζυµωτήρας περιστρεφόµενου τυµπάνου - διάγραµµα ροής ΕΞΟ ΟΣ ΑΕΡΑ ΨΥΚΤΗΡΑΣ ΡΟΟΜΕΤΡΟ ΑΕΡΑ ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ΑΝΤΛΙΑ ΦΙΛΤΡΟ ΒΙΟΑΝΤΙ ΡΑΣΤΗΡΑΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΕΙΣΟ ΟΣ ΑΕΡΑ ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ΥΓΡΑΝΤΗΡΑΣ

67 Γενετική αστάθεια Η περίπτωση της λιγάσης Escherichia coli Παραγωγή της λιγάσης του φάγου Τ4 PL προαγωγός του φάγου λ Ρύθµιση από τον θερµοελεγχόµενο καταστολέα ci του φάγου λ 30 C ανεκτική θερµοκρασία απουσία έκφρασης 42 C περιοριστική θερµοκρασία - έκφραση Συστοιχία βιοαντιδραστήρων βρόχου συνεχούς διεργασίας

68 Γενετική αστάθεια Η περίπτωση της λιγάσης

69 Γενετική αστάθεια Απώλεια διαχωρισµού οµική αστάθεια πλασµιδίων Μεταλλάξεις κυττάρων-ξενιστών ΑΣΚΗΣΗ Ποια η πιθανότητα δηµιουργίας ελεύθερου από πλασµίδιο κυττάρου σε µία καλλιέργεια που α. όλατακύτταραέχουν40 πλασµίδια σε κάθε διαίρεση; β. τα µισά κύτταρα έχουν 10 αντίγραφα του πλασµιδίου και τα άλλα µισά 70 αντίγραφα (Μ.Ο. 40); α. P=2 (1-Z) =2-39 =1.8 x κύτταρα ανά διαίρεση β. P = 1/2 * 2 (1-10) + 1/2*2 -(1-70) =9.8 x x = 9.8 x 10-4 κύτταρα ανά διαίρεση

70 Ανάκτηση µικροβιακών προϊόντων Τα µικροβιακά προϊόντα είναι συνήθως ευαίσθητες ουσίες περιέχονται σ' ένα πολύπλοκο ρευστό σύστηµα (κύτταρα, υπόστρωµα, διαλυτές µεταβολικές ουσίες κ.ά.) Η ανάκτηση των προϊόντων αυτών είναι πολύπλοκη διαδικασία που εξαρτάται από ορισµένες ιδιότητες του προϊόντος όπως : Σταθερότητα, συγκέντρωση, διαλυτότητα, µέγεθος και φορτίο του µορίου, προδιαγραφές του τελικού προϊόντος (υγρό, σκόνη, κρυσταλλικό προϊόν, κλπ.) Οι διεργασίες ανάκτησης των προϊόντων περιλαµβάνουν : ιήθηση Φυγοκέντριση Κυτταρική διάρρηξη Εκχύλιση Κατακρήµνιση ιαπίδυση Υπερδιήθηση Χρωµατογραφία Ηλεκτροφόρηση

71 Τεχνικές που χρησιµοποιούνται στην προσοµοίωση καθαρισµού πρωτεϊνών Κατακρήµνιση Θερµική κατεργασία Εξαλάτωση Χρωµατογραφία Μοριακή διήθηση Ανταλλαγή ιόντων Συγγένειας Υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων Ισοηλεκτρική εστίαση Εκτίµηση αποτελέσµατος Απόδοση Εµπλουτισµός Ηλεκτροφόρηση Μίας διάστασης ύο διαστάσων

72 Για περισσότερες πληροφορίες M. Shuler, F. Kargi, Μηχανική Βιοδιεργασιών, Πανεπιστηµιακές Εκδόσεις ΕΜΠ, Αθήνα 2005 Μ. Καλογερή,. Κέκου, Στοιχεία Βιοχηµικής Μηχανικής, ΕΜΠ, 2008 Χ. Σταµάτη, Στοιχεία Ενζυµικής Βιοτεχνολογίας και Παραγωγής Βιοτεχνολογικών Προϊόντων, Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων, 2005 Γ. Αγγελή, Μικροβιολογία & Μικροβιακή Τεχνολογία, Εκδόσεις Σταµούλης, Αθήνα, 2007 P. Doran, Bioprocess Engineering Principles, Academic Press, San Diego, 1995 C. Ratledge, C. Kristiansen, Basic Biotechnology, 2 nd edition, Cambridge University Press, 2001 H. Reim, G. Reed, A. Puhler, P. Stadler, Biotechnology, 2 nd edition, VCH, Weinheim, 1993 M. Flickinger & S. Drew - Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis & Bioseparation, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1999

73 BACK UP

74 Κινητική ζυµωτήρων συνεχούς έργου F S o F S, X ΜΟΝΙΜΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ dx dt = ( µ D ) X µ= D Μεταβολή D Μεταβάλλοντας την τιµήτουd (µε αλλαγή της παροχής F), ο ρυθµός ανάπτυξης µπορεί να λάβει την επιθυµητή τιµή µ Κρίσιµη τιµή D crit = µ max [S o ] K s + S o S = S o Βέλτιστη τιµή (παραγωγικότητα ως προς Χ) D opt = µ max ( 1 - K s ) K s +S o

75 Λευκή Βιοτεχνολογία ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ ΙΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΕΝ ΙΑΜΕΣΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΕ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (π.χ. ένζυµα ως καταλύτες) ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΠΟΙΚΟ ΟΜΗΣΗΣ ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΛΕΥΚΗ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

76 Γενετική Μηχανική Σύνολο εργαλείων χειρισµού του γενετικού υλικού έξω από το κύτταρο µε στόχοτηδηµιουργία τεχνητών γονιδίων ή νέων συνδυασµών γονιδίων Γονίδιο που µας ενδιαφέρει Αποµόνωση γονιδίου Ενσωµάτωση του νέου γονιδίου σε φορέα Πολλαπλασιασµός πλασµιδίου Βακτήριο Κλωνοποίηση γονιδίου Κλωνοποίηση γονιδίου Μεταφορά γονιδίου ένδρο Έλεγχος χαρακτηριστικών δένδρων Ανάπτυξη κλώνων Επιλογή κλώνων

77 Πρωτεϊνική Μηχανική ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑ- ΣΥΝ ΥΑΣΜΟΥ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΠΡΟΒΛΕΨΗ Τροποποίηση πρωτεϊνικών µορίων σε µοριακό επίπεδο µε στόχο τη βελτίωση των ιδιοτήτων τους ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΟΜΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

78 Βιοπληροφορική Οργάνωση των πληροφοριών βιολογικού περιεχοµένου (συνήθως σε µοριακό επίπεδο) και αξιοποίησή τους Genomics Προσδιορισµός αλληλουχίας γονιδίων Ανάλυση πληροφοριών γονιδιώµατος Φυλογενετική σύγκριση Proteomics Σύγκριση αλληλουχίας αµινοξέων Μοντελοποίηση µακροµοριακών δοµών/συµπλόκων Σχεδιασµός φαρµάκων Metabolomics Ανάλυση µεταβολικών οδών

79 Μεταβολική Μηχανική Η κατευθυνόµενη βελτίωση των κυτταρικών λειτουργιών και η παραγωγή προϊόντων µέσω της τροποποίησης εξειδικευµένων βιοχηµικών αντιδράσεων ή της εισαγωγής νέων, µετηχρήσητης τεχνολογίας του ανασυνδυασµένου DNA. G. Stephanopoulos MIT (1991) Εστίαση σε ολοκληρωµένους µεταβολικούς δρόµους ΑΝΑΛΥΣΗ ηµιουργία χάρτη µεταβολικών ροών Ανάλυση µεταβολικού ελέγχου ΣΥΝΘΕΣΗ Εισαγωγή γενετικών αλλαγών έκφραση νέων γονιδίων ενίσχυση ενδογενών ενζύµων διαγραφή γονιδίων Εντοπισµός στόχων Ρύθµιση ενζυµικής δραστικότητας Εκτίµηση επίδρασης Έλεγχος µεταβολικών δρόµων