ידע, הבנה, יישום שעות 1. מבוא

Transcript

1 רמה נדרשת ידע ידע היקף הקורס: שעות. מספר שעות 4 14 שם הקורס: הנדסה ביוטכנולוגית דרכי הוראה: הרצאה נושאי לימוד: נושא הלימוד 1 מבוא 2 חוקי יסוד חישובים ויחידות 3 חיקטים ומקומם בתהליך הייצור הביוטכנולוגי 4 הרכב מצעי גידול וייצור 5 קינטיקה של גידול חיקטים כראקצית קצב אוטוקטליטית עם משוב חיובי מודלים קינטיים 7 קינטיקה של ייצור מוצרי חיקטים מערכת הייצור עיקור,סילוק ו/או השמדת מזהמים 9 תהליכים אירוביים- דרישה לחמצן מומס והספקתו 10 ייצור חום כפונקציה של נשימה 11 חישובי ניצולת מקסימלית של חיקטים אירוביים אנרגית תחזוקה 13 תהליכי ייצור רציפים 14 On Line אמצעי בקרה עיקריים וחישנים 15 סה"כ שעות פרשיות הלימוד (לפרוט ראה פרק נספח) 1. מבוא שימושיה וחשיבותה של ההנדסה הכימית והביוכימית בתעשיה הכימית והביוטכנולוגית. התעשיה הביוטכנולוגית בישראל ובעולם. 2. חוקי יסוד, חישובים ויחידות

2 מערכות יחידות- מסות, צפיפות, לחצים, טמפרטורה, היפוך יחידות ושימוש בטבלאות נתונים. חישובי ריכוז למינהם. חישובי ניצולת וביטויו כמיקטע ביחסים משקליים ובאחוזים. קצב ייצור- פונקציה של זמן (נפחי, סגולי, כללי). סימונים גרפיים אוניברסליים. 3. חיקטים ומקומם בתהליך היצור הביוטכנולוגי א. השימוש בחייקטים כזרזים בתהליכי יצור, הרכב מקרו(חלבון, שומן וחומצות גרעין) של קבוצות חיקטים עיקריות (חיידקים, שמרים, פיטריות), פוטנציאל יצרני-שווקי של קבוצות חיקטים, צורות גידול שלהם. ב. שיטות לקביעת ריכוז חיקטים שיטות ישירות- (צפיפות אופטית, קלורימטריה) תחום מדידה, ספירה ישירה, מיהול וזריעה, נפח תאים ארוזים, צביעה דיפרנציאלית. שיטות עקיפות ניצול סובסטרטים כגון: מקורות פחמן, חנקן וצריכת חמצן. ייצור מטבולים הקשורים ישירות לגידול. ייצור חום מטבולי כתלות בצריכת חמצן בתהליכים אירוביים. הרכב מצעי גידול ויצור- א. פורמולציה של מצעים מקור אנרגיה, מקור חמצן, מקור פחמן, מקור חנקן אורגני ואי-אורגני, מינרלים ויסודות קורט, ויטמינים, פרקורסורים, אינדיוסרים.., שמירת.pH ב. חומרי גלם נפוצים בתעשיה הביוטכנולוגית- מקורות פחמן ואנרגיה, ספקי קרבוהידרטים והרכבם, ספקי שמנים, ספקי כהלים ופרקציות מתעשית הנפט. מקורות חמצן- אוויר, חמצן טהור, ניטריטים, סולפטים. מקורות חנקן, קופקטורים, ויטמינים ומינרלים- אמוניה, מלחי אמוניום, פפטונים,.. מלחים מינרליים- פוספטים, סולפטים, מגנזיום.. בסיסים, חומצות, ומלחים קשי תמס המשמשים לטיטרציה..4 קינטיקה של גידול חיקטים כראקצית קצב אוטוקטליטית עם משוב חיובי תנאים הכרחיים (מזרע חי, מקור אנרגיה, חומרים הנחוצים לסינטזה..) הגדרת קצב גידול סגולי μμ כמקדם הפונקציה בין קצב גידול d(n)/dt)) ( וריכוז (X או ). N עקום תאורטי של גידול מנתי ודיון בשלביו, פאזה סטציונרית, קצב צריכה סגולי של חומרי גלם ) q) s = ds/dt/x והיחס בינו לביןμμ וניצולת Y בשלב הגידול האקספוננציאלי,μμ הצגה גרפית, עקום גידול ומשמעותו, קינטיקה של גידול במצע מינימלי ובמצע מורכב..5 א. ב. ג. מודלים קינטיים א. חלק זה נלמד בביוכימיה- לא ילמד במסגרת קורס זה אולם נידרשת ידיעת החומר מיכאליס ומנטן.

3 תלות קצב יצור המוצר ושיחזור האנזים. קבוע האפיניות משמעות קבועים. - Km משמעותו התאורטית והמעשית. Vmax ותנאים המאפשרים להתקרב לערכי ערכים מעשיים וערכים כקינטיקה של רוויה. ב. זאקו ומונרו- מחושבים תאורטיים.. Vmax תנאי התגובה, הכרח לקיום תנאים הצגה גרפית של המודל של מיכאליס ומנטן דיון בקינטיקה של גידול חיקטים וניצול סובסטרט, השוואה לקינטיקת מיכאליס מנטן. דיון בסיבות ביולוגיות ביוכימיות המאפשרות זהות בהתנהגות הקינטית. קינטיקה של ייצור מוצרי חיקטים מוצרים ראשוניים, שניוניים ומעורבים. א. השוואת הקינטיקה של הצטברות המוצרים כפונקציה של קינטיקת הגידול במהלך היצור ) ב. השוואה גרפית של קצב ייצור סגולי q p כפונקציה של קצב גידול סגולי ושל זמן יצור. הסיבות האפשריות של מוצרים שיניוניים, תחרות על סובסטרטים בטבע ובריאקטור עם תרבית ג. של זן יחיד. קצב ייצור נפחי וחשיבותו התפעוןלית- ההנדסית, תפוקת התהליך וקצב הדרישה לחומרי גלם. ד. הצגה גרפית של חישובי קצב ייצור נפחי מקינטיקת תהליך הייצור כולו- קצב מקסימלי וכללי. ה. קצב הייצור הסגולי וחשיבותו בתיכנון תהליכי הפרדת המוצר. ו..7 מערכת הייצור א. אגף היצור במפעל ויחסי הגומלין בין יחידות התפעול השונות : ביו ראקטור, עיקור הכנת מזרע, טיפול בחומרי גלם, הפרדה וניקוי, טיהור שפכים, בקרת איכות, אריזה. ב. ביוראקטורים: סוגי ביוראקטורים לפי אופי התהליך- תסיסות עומק ושטח, יצור במצע נוזלי, מוצק ומרחף. ראקטורים לעבודה אנארובית ושיטות לסילוק חמצן. הומוגני בחוש, סווג בהתאם לעקרונות התפעול, ביוראקטורים לתסיסות עומק. ראקטור צינור, מעלית אוויר, סילון אוויר. סכימת ביוראקטורים על חלקיהם השונים ושיטות לעבודה איתם. תרביות מזרע- שימור זנים בצורה יבשה, בהקפאה, בגליצרול, במצעים מוצקים. ג. בדיקות בקבוקי טלטול,פרמנטורים. מבחנות, שלבי פיתוח מזרע מתרבית שימור דרך צלחות אגר, תקופתיות לבקרת זיהום ובדיקת פוטנציאל היצרני.. 9. עיקור סילוק ו/או השמדת מזהמים

4 א. ב. ג. ד. חיוניות העיקור מבחינת תהליך הייצור, צריכה וניצול חומרי הגלם. הדרישות מהמוצר, ההשפעה על תהליכי ההפרדה והניקוי. הבדלים בין השמדה וסילוק מזהמים, בין עיקור במעבדה ובתעשיה. שיטות לסילוק והשמדה של מזהמים. השמדה בחום- מושגים בסיסיים, רמת סטריליות, עמידות לחום, דוגמאות למזהמים פוטנציאליים בתעשיות השונות. הצגה גרפית N/No כנגד זמן עיקור בטמפ' שונות עבור תאים וגטטיביים ועבור ספורות וההבדל בינהם. קינטיקה של השמדה בטמפ' נתונה, lnn = lnno = Kt הגדרת מקדם קצב תמותה כפונקציה של טמפ'. מקדם קצב האינאקטיבציה שמתיחסת להרס הפעילות של חומרי מצע וירידה בריכוז הפעילות בתהליך העיקור. השתנות K כפונקציה של טמפ'. משוואת ארניוס. הצגה ותאור הטכנולוגיה של עיקור בטמפ' גבוהה לזמן קצר. דיון בבסיס התרמודינמי: K של ספורות בעלות אנרגית אקטיבציה גבוהה, רגישות גבוה יותר מ- Ki של ויטמין שהוא בעל אנרגית אקטיבציה נמוכה. א. ג, ד. ה. ו. ז. 10. תהליכים ארוביים דרישה לחמצן מומס והספקתו- גידול ארובי ואנארובי גבוהים. ) מושגים כמו- אובליגטורי ופקולטטיבי בהקשר זה. ב. דיון והצגה גרפית של היחס בין קצב הגידול הסגולי וריכוז חמצן מומס לגבי חיקטים גידול חיקטים ארוביים כראקצית בעירה, חימצון מטבוליות ליצור מוצרים מחומצנים. הצורך בחמצן לסינטזת חומרי התא, תופעות רעילות בריכוזי חמצן ליצירת אנרגיה, לראקציות קצב "נשימה" סגולי כפונקציה של הדרישה הסגולית וקצב הגידול הסגולי. ) 1- h) QO 2 g= O 2 /gcells.u ריכוז חמצן קריטיוהשפעתו על Ys,u, Q O 2 כולל הצגה גרפית. ההבדל בין ריכוז קריטי וקבוע רוויה לחמצן. קצב דרישה נפחי לחמצן מומס כפונקציה של QO 2 וריכוז חיקטים. האידאליים ושימוש מעשי. חוק הנרי למסיסות גזים והשפעת הטמפ' קצב איוורור ניפחי, והלחץ החלקי בפאזה גזית חוקי הגזים (Pg) על מסיסות בנוזל ) l.(c התלות של Pg בלחץ הכללי Pt ובאחוז החמצן בגז. Pg= Pt. % O 2 התמוססות חמצן- תאורית הפילם הכפול, המחסום למעבר מסה של חמצן מבועות הגז לנוזל המצע ולתאים. שיטות להספקת חמצן (אויר, חמצן טהור) העברת גז דחוס דרך נוזל בעל פתח יחיד ופתחים מרובים, השימוש בגוף פורוסיבי. יניקה (ללא מפלי לחץ). עיקור גזים בסינון ובאמצעות משרפות. קצב מעבר מסה של חמצן, ברכיבי חוק הנרי, דיון בפרמטרים המשפיעים על תלות קצב ההתמוססות במקדם המוליכות ומפל הפוטנציאלים, K L a מונעי קצף, צמיגות, צפיפות הגידול, צורת הגידול, חומרי מצע וריכוז מלחים. תלות הריכוזים קצב עירבול,RPm השקעת כוח, מהירות איורור, צורות של בוחשים ומערבלים (ימי וטורבינה). RPm והשפעתו על שטח המעבר a הצגה גרפית.

5 שימוש בסרגלי בחישה. תיכנון מערכות הספקת חמצן. ייצור חום כפונקציה של נשימה ייצור חום כמוצר לואי אוניברסלי לגידול.תכולת חום, גידול חיקטים כראקצית מעבר מתכולת חום גבוהה לנמוכה. חישובי קצב יצור חום בתהליכי גידול אירוביים. מאזני חום בתהליכי גידול וייצור( חום תסיסה שנוצר,Qf חום מכני שנוצר (.Qex, Qacc. Qag מאזן חום..11 חישובי ניצולת מקסימלית של חיקטים ארוביים שיקולים תרמודינמיים, העברת אנרגיה, חימצון מוחלט של סובסטרט, חישובי כמות חמצן, חישובי כמות התאים. 13 אנרגית תחזוקה ניצול מקור האנרגיה שלא למטרות גידול ויצור נטו של מסת תאים. פונקציות מטבוליות, עבודה אוסמוטית, ניטרול טוקסינים,.. ניצולת מקסימלית הצגה גרפית וכו'. 14 תהליכי יצור רציפים תרשים זרימה של מערכת רציפה חד- שלבית. מערכות הומוגניות בחושות. מערכות לא הומוגניות בזרימה לאמינרית, כימוסטט, מאזני מסה. דיון במיגבלות של תהליכים רציפים. היתרונות של תהליך עם החזר תאים לייצור מסת תאים.. 15 אמצעי בקרה עיקריים וחישנים On Line דיון בחשיבות פיתוח אמצעי החישה והבקרה להתפתחות התעשיה הביוטכנולוגית. פרמטרים פיסיקליים, הצגה גרפית של מערכת היצור ומיקום אמצעי החישה, פירוט פעולות של מערכות הבקרה העיקריות, בקרת קצף, שיטות לקביעת עכירות, קביעת חמצן, קביעת.CO 2 On Line מעבדה בהנדסה ביוטכנולוגית היקף המעבדה: 32 שעות מטרות הקורס: תרגול מעשי וישומי, ברוח של מערכות מודל, של מגוון טכנולוגיות מתקדמות וקלאסיות המשרתות את התעשיות הביוטכנולוגית, סביבתית, מזון, ופרמצפטית. הקורס יושם במעבדות נפרדות ויכלול לפחות תרגול אחד של חיבור של שיטות שונות כמודל של תהליך יצור.

6 יש להתרכז בנושאים הנדסאים וטכנולוגיים לדוגמא נסיונות הנדסיים בתהליכים לייצור אירובי של מסת תאים (לדוגמא שמרי אפיה), ביצוע הניסיונות בריאקטורים בחושים, רצוי גם ריאקטורים מסוג צינור ומסוג מעלית אוויר. ניתוח תוצאות והצגה ממוחשבת וגרפית. * המוסד יקבע סדר עדיפות הנושאים. נושאים מוצעים א. הכנת מערכת הייצור- פורמולצית מצעים והכנתם, הכנת הראקטור ותפעולו כולל- מערכת הספקת חמצן, הספקת חום והרחקתו, מערכת להוספת חומרי מצע במשך התהליך, חיישנים, בקרים.. ב. ניסיונות לקביעת K L a כפונקציה של RPm לפני זריעת הריאקטורים. ג. זריעת מערכות, קביעת נתונים של ייצור מנתי וייצור מנתי- מוזן. מעקב קינטי להופעת תוצר וצריכת סובסטרט, ניצולת.. הכרת המבנה התפעולי של מערכות הבקרה ) ph, טמפ', לחץ, חמצן מומס, עירבול, איוורור, קצף). קביעת קצב צריכת חמצן מדידות ובקרה. ד. מעבר להפעלת תסיסה רציפה בקצב מהול, שיטות לקביעת קצב הזנה.. נושאים נוספים אפשריים הכנת ציוד, מצע ותאים לפרמנטציה סטרילית. תהליך פרמנטציה מבוקר ליצור אנזים, הפקת המוצר, וקביעת יעילות התהליך תהליך איזומריזציה של גלוקוז לפרוקטוז באמצעות אנזים מקובע (גלוקוז איזומורז). טיהור מי-שפכים על ידי מיקרואורגניזמים גידול תאים יונקים בתרחיף בריאקטור תהליכים לניצול מי-גבינה קבוע תאים: חיידק, פטריה או שמר קבוע אנזים והשבעת פעילותו למצב חפשי