Ing ale prell csc mikrobiologick stav av r v v i biotechnologick hala
Download
1 / 102

Moderní způsoby kultivace - PowerPoint PPT Presentation


  • 127 Views
  • Uploaded on

Ing. Aleš Prell, CSc. Mikrobiologický ústav AVČR, v.v.i. Biotechnologická hala. Moderní způsoby kultivace. kultivace v bioreaktorech submerzní kultivace v kapalině ( SLC ) míchané bioreaktory jednorázové kultivační vaky membránové bioreaktory kultivace na pevných půdách ( SSC )

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Moderní způsoby kultivace' - alize


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
Ing ale prell csc mikrobiologick stav av r v v i biotechnologick hala

Ing. Aleš Prell, CSc.

Mikrobiologický ústav AVČR, v.v.i.

Biotechnologická hala

Moderní způsoby kultivace


Modern zp soby kultivace v bioreaktorech

kultivace v bioreaktorech

submerzní kultivace v kapalině (SLC)

míchané bioreaktory

jednorázové kultivační vaky

membránové bioreaktory

kultivace na pevných půdách (SSC)

proces – dynamika, řízení, optimalizace

základní typy kultivačních procesů

optimalizace bioprocesu

moderní způsoby kultivace v bioreaktorech



BIOREAKTOR

zařízení, kde probíhá růst buněk a tvorba produktů nebo konverze substrátu na jeden či více produktů


ideální bioreaktor

rychlý přestup tepla, kyslíku a hmoty, rychlá homogenizace,

nízké provozní náklady


Transport ivin a metabolit
transport živin a metabolitů

  • mezifázové rozhraní plyn-kapalina

  • transport v kapalině

  • kapalina-pevná fáze

  • transport aglomerátem

  • transport přes biologické membrány

Sj - substráty, Pj - produkty, ∆Hv - tepelná bilance



Podle skupensk f ze
podle skupenské fáze

  • submerzní (suspenzní) – částice se volně vznášejí v kapalné fázi

    • míchané reaktory

    • air-lift

    • bublané kolony

  • imobilizované – buňky jsou ukotveny v pevné struktuře

    • membránové – oddělení fází či komponent systému

    • pevné lože (packed-bed) – protékání pevného nosiče

    • fluidní lože – vznáší se v proudu

  • na pevné fázi – médium v tomto uspořádání tvoří pevný povrch a buňky tvoří povlak čí nárůst


submerzní kultivace

(Solid-Liquid-Cultivation – SLC)

vs.

kultivace s imobilizací

vs.

kultivace na pevném substrátu

(Solid-Solid-Cultivation – SSC)


Rozd len bioreaktor podle
rozdělení bioreaktorů podle

  • operačního módu

    • vsádkový (batch)

    • přítokovaný (fed-batch)

    • kontinuální

    • perfuzní

  • měřítka

    • laboratorní (do 30 L)

    • čtvrtprovozní (do 100 L)

    • poloprovozní (do 5000 L)

    • provozní


V b r bioreaktoru

minimalizace odparu kapaliny

tlaková odolnost

sterilita operace

čištění bioreaktoru

bezpečnost

účelová flexibilita a kompatibilita

cena zařízení a jeho provozu

přestup kyslíku a tepla jsou limitující faktory pro provoz bioreaktoru a scale-up

výběr bioreaktoru

  • přestup kyslíku

  • přestup tepla

  • přestup hmoty

  • požadavky na míchání

  • nároky na energie

  • citlivost kultury ke střižným silám

  • reologie kapaliny - viskozita média (míchání, přestup hmoty, přestup tepla, střižné síly)



Kultiva n m dium
kultivační médium

  • je nezbytné pro růst a metabolismus mikroorganismů

  • tvoří vnější prostředí, které ovlivňuje chování mikroorganismu (růst, metabolismus, fyziologie)

  • ovlivňuje výtěžnost, rychlost tvorby produktu, složení produktu

  • musí obsahovat dostatečné množství živin

  • živiny – růst buněk, získání energie pro syntézu produktu a zachování buněčné integrity


Z kladn typy m di

DEFINOVANÁ

známo složení

minerální soli

čisté esenciální složky

zdroj uhlíku a energie

základní typy médií

  • KOMPLEXNÍ

  • organický zdroj živin

    • hydrolyzáty proteinů (peptony)

    • extrakty masa, kvasnic


N vrh slo en m dia
návrh složení média

  • je nutno znát biochemii kultivace – vliv na metabolismus a fyziologii buněčné populace

  • účel kultivace – složení média (DSP)

  • cena (tvoří přes 50% ceny konečného produktu), stálost jeho složení

  • formulace média - kompromis mezi nutričními požadavky, cenou a dostupností složek média

  • chemické složení média – určí se ze složení biomasy a produktu, výtěžnostních koeficientů a doplňkových experimentů


Funkce ivin
funkce živin

  • zdroj stavebního materiálu nebo prekurzorů pro syntézu nových buněčných součástí – sloučeniny, které se stanou součástí biomasy

  • zdroj energie - sloučeniny, které se nestávají přímo součástí biomasy, ale slouží k výrobě energie (jako donory nebo akceptory elektronů)

  • ovlivňují složení mikrobiální buňky

  • elementární složení všech mikrobiálních buněk je relativně podobné – možnost odhadu obecných požadavků MO na živiny a návrh média – obsah hlavních prvků (C, H, N, O, S, P)


Fyziologick funkce m dia
fyziologické funkce média

  • uhlík, vodík, kyslík, dusík, fosfor, síra, kationty a stopové prvky, voda...

  • část oxidována na CO2 (disimilace), využití takto získané energie na syntézu biomasy ze zbylé části (asimilace)

  • poměr asimilované a disimilované části je závislý na stupni redukce C-zdroje

  • maximální výtěžnost substrátu - čím více oxidovaný zdroj uhlíku, tím více je ho disimilováno a méně asimilováno odrazí se to v YX / S


Hlavn element rn slo ky
hlavní elementární složky

  • VODÍK – hlavní zdroj je katabolický NAPDPH+

  • KYSLÍK – plynný, mění typy metabolismu

  • DUSÍK – amonné soli, dusičnany, aminokyseliny, močovina, pepton, hydrolyzát kaseinu, kvasničný extrakt

  • FOSFOR – anorganické fosfáty

  • IONTY KOVŮ – Fe, Mg, K, Ca...

    • definované roztoky nebo komplexní org. zdroje


Dal nezbytn slo ky
další nezbytné složky

  • stopové prvky – Na, Mn, Co, Ni, Cu

  • růstové faktory - esenciální org. sloučeniny, které si buňka neumí sama syntetizovat

    • vitamíny – často kofaktory enzymů

    • L-aminokyseliny – především glutamová

    • puriny a pyrimidiny - syntéza nukleových kyselin

  • VODA – pitná, deionizovaná, destilovaná...

  • odpěňovadla – povrchové napětí, oleje, polyglykoly polymery (PPG)


Ph a iontov rovnov ha
pH a iontová rovnováha

  • stabilizace pH – užití pufrů v médiích

    • organické kyseliny, fosfáty, peptony, TRIS, HEPES …

  • regulace pH

    • NaOH, NH3, H3PO4, H2SO4

  • iontová síla, redox – ovlivňují růst, produkci a produkty



P prava inokula
příprava inokula

  • uchování kmenů

    • lyofilizace, tekutý dusík, hluboké zmrazení

    • přeočkovávání na pevných půdách

  • revitalizace v kapalném médiu – třepání

  • inokulační tanky

    • poměr 1:10 až 1:20

    • důraz na růst, nikoli produkci, často komplexní média a převod do definovaných

    • co nejméně inokulačních stupňů



Po adavky na aseptick proces
požadavky na aseptický proces

  • sterilita – nepřítomnost živých organismů

  • odstranění veškerých živých MO ze zařízení

  • zabránění vstupu kontaminace po sterilaci

  • zachování sterility – ekonomika procesu, bezpečnostní hledisko

  • sterilizace bioreaktoru a veškerého dalšího zařízení a portů (potrubí, ventily, filtry, příchozí i odcházející vzduch, vzorkovací zařízení, senzory atd.)


Rovn po adavk na istotu
úrovně požadavků na čistotu

  • pro dekontaminace životního prostředí

  • pro agrotechnologie

  • pro krmivářství

  • potravinářská kvalita

  • pro biochemii, biotransformace

  • farmaceutická a medicínská kvalita


Kontaminace m e zp sobit
kontaminace může způsobit

  • likvidaci producenta (bakteriofágy)

  • produkci toxinů (bezpečnost produktu, inhibice produkčního kmene)

  • produkci enzymů (degradace produktu)

  • snížení výtěžnosti (spotřeba substrátu)

  • produkci metabolitů (polysacharidy)

  • spotřebu části substrátu (výtěžnost)


Sterilizace m dia a bioreaktoru
sterilizace média a bioreaktoru

  • ostrou párou min 121ºC, 0.2 MPa

  • horkým vzduchem 150-180ºC

  • chemicky – ethanol, chlornan sodný, fenol, formaldehyd....

  • UV, X-rays – většinou povrchy, prostory

  • ultrafiltrace – plyny, roztoky

  • velké bioreaktory in situ (SIP), malé v autoklávu


Hodnocen sterility
hodnocení sterility

  • D-hodnota – snížení počtu zárodků na 1/10

  • závisí na odolnosti mikroorganismu

    • N – počet živých zárodků, t – čas sterilizace, k - konstanta MO pro mokré/suché teplo

  • Bacillus subtilisD121 = 0.4 - 0.7 min (mokré teplo)

  • pro N0/Nt = 1012 je t = 12.D


Sterilizace parou in situ
sterilizace parou in situ

  • naplnění médiem, zapnutí přívodu páry, míchání pomalé, horní otvor otevřen, ostatní uzavřeny, zahřátí média, vypuzení vzduchu, dosažení 100ºC

  • uzavření horního otvoru, jediná cesta – kondenzátor, sterilace filtrů (in/out), sterilace potrubí a výpustního ventilu, dosažení 121ºC, sterilace 20 minut

  • ochlazení na kultivační teplotu

  • nutnost sterilního vzorkování a filtrace vzduchu


Sterilizace vzduchu a odplyn
sterilizace vzduchu a odplynů

  • možnost sterilizace velkých objemových průtoků:

    • vzdušnění obvykle 1 VVM

    • 10 m3 reaktor – za 48 h 29 000 m3 vzduchu

    • koncentrace MO ve vzduchu – 1-10/L vzduchu

    • ultrafiltrace – splňuje všechny požadavky, používá se ke sterilizaci vzduchu, hydrofobní membránové filtry vpatroně, póry 0.1 μm


Inokulace
inokulace

  • aseptické převedení inokula do bioreaktoru vyššího stupně

  • sterilizovatelné potrubní spojení

    • čerpání tlakem sterilního vzduchu

  • sterilní inokulační jehly

  • septa v aperturách ve víku bioreaktoru

  • čerpání peristaltickými čerpadly

    • inokulum nepřichází do styku s čerpadlem


přestup tepla, aerace

a přestup kyslíku


P estup tepla
přestup tepla

  • vznik tepla - míchání (příkon míchadla 15 kJ/m3.s, aerace, činnost mikroorganismů

  • aerobní procesy – množství uvolněného tepla proporcionální spotřebovanému kyslíku,

    • Q(kJ/m3.s) = 0,12 . OCR(mmol O2/m3.s)

    • Q – rychlost produkce tepla, OCR – rychlost spotřeby kyslíku 450 kJ tepla/mol utilizovaného O2

  • submerzní kultury 3-15 kJ/m3.s

  • odvod tepla – chlazení, externí plášť, interní vestavby

  • scale-up – přestup kyslíku a tepla limitující (omezená chladicí plocha – vyšší objem, menší chladicí plocha)


Aerace provzdu ov n
aerace (provzdušňování)

  • aktivní přísun vzduchu do bioreaktoru za současné účinné dispergace – velké mezifázové rozhraní

  • stupeň dispergace

    • Db – průměr bublin (2-3 mm), ε – plynová zádrž

  • vvm – volume/volume/minute

    • VG – průtok vzduchu

    • Vr – objem reaktoru


P estup kysl ku
přestup kyslíku

  • rychlost přestupu kyslíku (oxygen transfer rate)

  • rychlost spotřeby kyslíku (oxygen uptake rate)


Vlivy na p estup kysl ku
vlivy na přestup kyslíku

  • C*: rovnovážná koncentrace kyslíku

    • teplota, tlak a charakter kapaliny (koncentrace solí, viskozita)

  • C: aktuální koncentrace kyslíku

    • geometrie nádoby - průměr, kapacita, konfigurace a velikost míchadla, příkon, zarážky

    • aerace - velikost a umístění distributorů vzduchu, způsob operace

    • vlastnosti kapaliny (morfologie a koncentrace MO, odpěňovací činidla) ovlivňují C

  • velké fermentory (>5000 L) OTR < 300 mmol/L.h


Jak zv it p estup kysl ku za dan ch podm nek
jak zvýšit přestup kyslíkuza daných podmínek

  • zvýšení průtoku vzduchu

  • zvýšení otáček míchadla

  • zvýšení tlaku v bioreaktoru

  • zvýšení obsahu kyslíku ve vzduchu

  • závislosti jsou nelineární


submerzní kultivace v

kapalném médiu

SLC


Submerzn bioreaktory
submerzní bioreaktory

  • kyslík - aerobní, anaerobní

  • konstrukce

    • míchání - mechanické, pneumatické nebo hydraulické

    • fluidní vrstva

    • náplňové

    • membránové

    • fotobioreaktory

    • ...........


Hlavn funkce bioreaktoru
hlavní funkce bioreaktoru

  • zajistit ideální prostředí pro růst a tvorbu produktu

    • médium → živiny → homogenita →míchání

    • médium → živiny → přítokování

    • aerobní procesy → přestup kyslíku → míchání, aerace

    • tepelná bilance → míchání, temperace

    • regulace pH



M ch n bioreaktoru
míchání bioreaktoru

  • s mechanickým mícháním

  • s pneumatickým promícháváním

    • probublávané reaktory

      • prosté

      • s vnitřními vestavbami (air-lift)

        • s cirkulační trubkou

        • s vnější cirkulací

  • fluidní lože


Pneumaticky m chan reaktory
pneumaticky míchané reaktory

  • vstup energie pouze plynnou fází (aeračním plynem)

  • vzduch vstupuje zespoda tryskami

  • aerobní kultivace

  • vhodné pro MO citlivé ke střižným silám

  • výhody: jednoduché zařízení, neporuchové, investičně nenáročné, rychlost přenosu kyslíku vysoká

  • nevýhody: ne pro média s vyšší viskozitou, velká spotřeba vzduchu, pěnění média


Probubl van reaktory
probublávané reaktory

  • cylindrická nádoba, poměr 1:2 (kolona)

  • rozdělovač plynu obvykle naspodu reaktoru

  • nepřítomnost speciálních difuzorů a vestaveb

  • přestup kyslíku a míchání – dáno rychlostí proudění vzduchu a reologií kapaliny

  • maximální rychlost míchání obvykle ≤ 0,1 ms-1

  • nevýhoda – obvykle malý přestup O2


Air lift reaktory
air-lift reaktory

  • vestavby – zarážka, cirkulační trubka

  • funkce vestaveb:

    • dostatečná dispergace plynu – umožňuje obnovování mezifázového povrchu – zvyšuje přestup kyslíku

    • organizování toku fází

    • zvýšení doby prodlení plynu

    • zvýšení mikroturbulence


Air lift reaktory cirkulace
air-lift reaktory - cirkulace

  • systémy s vnitřní cirkulací

    • difuzor pod cirkulační trubkou, vzestupné proudění v trubce, část odplynů odchod horní částí, v mezikruhové ploše proudí kapalina zpět dolů

    • cirkulační trubka

  • systémy s vnější cirkulací

    • 2 kolony spojené ve spodní a horní části

    • aerovaná kolona – větší průměr

    • úplná separace bublin z kapaliny v horní části reaktoru

    • indukovaná cirkulace směruje vzduch a kapalinu v reaktoru


Bublan kolona a air lift s centr ln trubkou
bublaná kolona aair-lift s centrální trubkou


Reaktory s fluidn m lo em i
reaktory s fluidním ložem I

  • vhodné pro imobilizované MO nebo enzymy, flokulované MO

  • kapalina proudí vzhůru – suspendace pevné fáze

  • podobné probublávaným reaktorům, horní část rozšířená – redukce povrchové rychlosti – pevné

  • částice se vracejí do střední části, kapalina odchází

  • lze probublávat vzduchem/jiným plynem – zvýšení turbulence a míchání

  • příliš lehké částice – použití nosiče, zvýšení sedimentační schopnosti

  • náplňové bioreaktory

  • pevná matrice (porézní x neporézní, polymer x rigidní materiál), biokatalyzátor


Reaktory s fluidn m lo em ii
reaktory s fluidním ložem II

  • přívod živin, kontinuální, proudí přes náplň, metabolity a produkty odváděny

  • výška náplně – hustota a kompresibilita nosiče, proudění kapalin (tlak na nosič), prostor pro proudění plynů

  • nehomogenní prostředí – změna koncentrace živin s výškou náplně, gradient pH, špatné promíchávání

  • využití – reakce, kde se vyskytuje inhibice produktem (rozdílná koncentrace produktu podél náplně)


Dal typy bioreaktor
další typy bioreaktorů

  • fotobioreaktory

    • fotosyntetizující kultury – mikrořasy, cyanobakterie

  • bioreaktory pro kultivaci na pevné fázi

  • bioreaktory pro kultivaci živočišných buněk


Mechanicky m chan reaktory
mechanicky míchané reaktory

  • třífázový systém: plyn-kapalina-pevná fáze

  • účel míchání – homogenizace, dispergace

  • koncentrační a teplotní homogenita

  • střihové napětí – rozbíjení bublin – velká mezifázová plocha

  • vysoká turbulence – přestup látky a tepla

  • mechanické míchadlo (disková turbína, 4-6 listů, d asi 0.3 dT)

  • vzdušnění zespoda

  • zarážky pro optimální promíchávání (4-8, d asi 0.1dT) – zamezení vzniku víru

  • aerační věnec - bubliny rozbíjeny míchadlem

  • vrchní část - odplyny


Mechanicky m chan bioreaktor tlakov n doba i
mechanicky míchaný bioreaktor – tlaková nádoba I

  • 1 - nádoba bioreaktoru

  • 2 - plášť

  • 3,4 - izolace

  • 5 – přívod inokula

  • 6 – porty pro pH elektrody

  • 7 - míchadlo

  • 8 – aerační věnec

  • 9 – ucpávka

  • 10 - převodovka

  • 11 – motor

  • 12 – vypouštěcí otvor


Mechanicky m chan bioreaktor tlakov n doba ii
mechanicky míchaný bioreaktor – tlaková nádoba II

  • 13 – chlazení pláště

  • 14 – vzorkovací otvor s připojením páry

  • 15 – prosklená plocha (pozorování obsahu)

  • 16 – přívod roztoků na úpravu pH a odpěňovadla

  • 17 – vstup vzduchu

  • 18 – víko

  • 19 – přívod média

  • 20 – odvod vzduchu

  • 21 – porty na různé senzory (O2, T,…)

  • 22 – rozbíječ pěny

  • 23 – přívod páry

  • 24 – tryska


Dispergace m ch n m
dispergace mícháním

  • rozbíjení bublin – velká mezifázová plocha – vysoký přestup O2 do kapaliny

  • vytvoření dostatečného střihového napětí

  • nutno znát maximální střihové napětí, které mikroorganismy snáší

  • kompromis mezi maximální dodávkou kyslíku a homogenizací a velikostí střihových sil


Z kladn typy m chadel
základní typy míchadel

  • vrtulové

    • vysoká čerpací kapacita, menší střižné síly, axiální tok

  • turbínové

    • otevřená disková turbína s dělicím kotoučem, vzduch přiváděn do aeračního věnce pod míchadlem; výhody – vysoké střižné síly způsobují dispergaci vzduchových bublin, dělicí kotouč zabraňuje zkratovému toku vzduchu kolem hřídele; nevýhoda – omezená čerpací kapacita


Mechanick m chadla
mechanická míchadla

  • nahoře: disková míchadla - různý směr lopatek

  • dole:

    • a) vrtulové

    • b) diskové s narážkami

    • c) diskové bez narážek


Z kladn konfigurace
základní konfigurace

  • obvykle více míchadel – zlepšení homogenizace (vzdálenost 1-1.5 D)

  • rychlost míchání – limitace dle systému (vibrace)

  • velikost míchadla – větší průměr – lepší míchání (D/DT = 0.4-0.5)

  • zarážky – zlepšení míchání, minimalizace vzniku víru, 4 ks 0.1 DT

  • vzdušnění – zlepšení míchání


P kon m chadel
příkon míchadel

  • pro newtonské kapaliny

    příkonové číslo je funkcí Reynoldsova čísla

    P0 – příkonové číslo, ρ – hustota, n – otáčky, d – průměr míchadla, μ – dynamická viskozita


důvodem pro intenzívní míchání není obvykle homogenizace, ale

přestup kyslíku



Charakter kultiva n ch vak
charakter kultivačních vaků homogenizace, ale

  • stupňování požadavků na čistotu a sterilitu

  • citlivost tkáňových kultur na střižné síly

  • předsterilizované jednorázové plastové kultivační vaky

  • kultivační objemy od stovek mililitrů až po tisíc litrů

  • nedostatek kyslíku – jemná dispergace

  • náklady na jednorázové zařízení jsou vysoké - drahé produkty


Bioreaktory s vlnov m m ch n m
bioreaktory s vlnovým mícháním homogenizace, ale

1: základna,

2: čep,

3: vsádka,

4: vak,

5: výstupní filtr, 6: vstupní filtr.


V bava kultiva n ch vak
výbava kultivačních vaků homogenizace, ale

  • apertury pro vstupy a výstupy médií, inokula, aeračního plynu a výdechového plynu

  • sterilita plynů se zajišťuje mikrofiltry

  • spoje jsou realizovány jednorázovými trubkami, hadicemi a konektory

  • jednorázové senzory pro kultivační parametry - pH, teplotu, koncentraci rozpuštěného kyslíku


Vaky s mechanick m m ch n m
vaky s mechanickým mícháním homogenizace, ale

  • nedostatečné míchání v plastových vacích

  • plastové nebo ocelové mechanické míchadlo

  • pohyblivé spojení je zajištěno magnetickou spojkou, nebo různými typy plastových či keramických ucpávek

  • vak je často umístěn v ocelové nádobě


Sartorius stedim biotech biostat cultibag str plus
Sartorius Stedim Biotech: homogenizace, aleBIOSTAT CultiBag STR Plus


membránové bioreaktory homogenizace, ale


Charakter a pou it mbr
charakter a použití homogenizace, aleMBR

  • charakteristická zádrž buněk nebo nosičů

  • je možné dělení produktů

  • katalyzovaná reakce (retězec reakcí)

    • mimo membránu

    • uvnitř membrány (funkcionalizovaná membrána)

  • vhodné pro

    • kultivace tkáňových buněk, kmenových buněk

    • čištění odpadních vod



Funk n d len mbr
funkční dělení homogenizace, aleMBR

  • bioreaktory se separací buněk (biomass separation membrane bioreactor, BSMBR)

  • bioreaktory s aerací přes membránu (membrane aeration bioreactor, MABR)

  • extraktivní bioreaktory, kde se odděluje metabolit či produkt (extractive membrane bioreactor, EMBR)

  • bioreaktory s výměnou iontů na membráně (ion exchange membrane bioreactor, IEMBR)


Perfuzn bioreaktory
perfuzní bioreaktory homogenizace, ale

  • distribuce media sítí kanálů k buňkám - kontinuální výměna média


Hollow fibre bioreaktor
hollow-fibre bioreaktor homogenizace, ale

  • dvou-kompartmentový systém

    • intrakapilární a extrakapilární prostor

      • svazek dutých vláken

      • rovnoměrný průtok pro všechna vlákna svazku

    • svazek dutých vláken je uložen v cylindrickém pouzdře, kterým proudí extrakapilární tok

    • semipermeabilní membrána - selektivní prostup složek média


kultivace na pevných půdách homogenizace, ale

SSC


V hody ssc
výhody homogenizace, aleSSC

  • jednoduchost a nenáročnost na strojní vybavení

  • vyšší objemová koncentrace produktů

  • efektivnější izolace produktů

  • jednodušší inokulace, absence tvorby pěny

  • menším objem odpadů

  • některé organismy se v submerzním prostředí kultivují obtížně, nebo netvoří žádané produkty (např. některé vláknité mikroorganismy, nebo tkáňové buňky adherující na pevné povrchy)

  • uvádí se vyšší odolnost ke kontaminaci, protože SSC představují selektivnější prostředí z hlediska dostupnosti substrátu a snížené vlhkosti.

  • je obtížnější zajistit sterilitu technicky



Nem chan bioreaktory
nemíchané bioreaktory homogenizace, ale

  • nemíchaný a neaerovaný

    • otevřená vana, nad kterou cirkuluje vzduch

  • nemíchaný a aerovaný

    • packed-bed – suchý substrát ve vertikálním loži, zespoda vháněný zvlhčovaný vzduch


M chan bioreaktory
míchané bioreaktory homogenizace, ale

  • s aerací nebo bez

    • bubnové rotační, bubnové s lopatkami

    • vertikální s oběžným míchadlem


Terrafors 15 l rotating drum
Terrafors 15 L rotating drum homogenizace, ale



Z kladn typy kultivac
základní typy kultivací homogenizace, ale

  • vsádková (batch)

    • uzavřený systém, není průběžný přítok živin ani odvod metabolitů

  • přítokovaná (fed-batch)

    • přítok média ano, odvod média ne – objem reaktoru není konstantní

  • kontinuální (continuous cultivation)

    • otevřený systém, plynulý přítok a odtok média, konstantní objem reaktoru


Vs dkov kultivace batch
vsádková kultivace (batch) homogenizace, ale

  • uzavřený systém

  • všechny živiny i inokulum přivedeny na počátku kultivace

  • živiny postupně spotřebovávány, akumulace biomasy a metabolitů – činností metabolismu MO

  • konstantní objem bioreaktoru

  • zanedbává se změna objemu – úprava pH, odpěňování, vzdušnění


F ze r stu v batch re imu
fáze růstu v batch režimu homogenizace, ale

  • lag fáze

  • exponenciální fáze

  • stacionární fáze

  • fáze odumírání

  • mezi jednotlivými fázemi tranzientní stavy

  • požadavky: minimalizace lag fáze, prodloužení a exponenciální fáze


F ze r stov k ivky
fáze růstové křivky homogenizace, ale


Exponenci ln f ze r stu
exponenciální fáze růstu homogenizace, ale

  • intenzivní a pravidelný růst – lze ho sledovat jako koncentraci buněk nebo biomasy

  • T – doba zdvojení, n – počet generací



Maximalizace
maximalizace homogenizace, aleμ

  • složení média, teplota, pH, DOT, koncentrace substrátů atd.

  • množství vytvořené biomasy přímo úměrné množství spotřebované živiny

  • výtěžnost (yield):

  • rychlost růstu úměrná rychlosti spotřeby živiny a naopak

  • hodnota YX /S za různých podmínek různá


Zen vs dkov ho procesu
řízení vsádkového procesu homogenizace, ale

  • produkce biomasy – maximální délka exponenciální fáze růstu

  • produkce primárního metabolitu – prodloužení exponenciální fáze růstu za současné produkce metabolitu

  • produkce sekundárního metabolitu – krátká exponenciální fáze, prodloužená stacionární fáze


P tokovan kultivace fed batch
přítokovaná kultivace (fed-batch) homogenizace, ale

  • jedna nebo více živin dávkováno do bioreaktoru během kultivace, produkt zůstává v bioreaktoru

  • přítok média ano, odvod média ne – Vr není konstantní

  • řízení rychlosti přítokování limitujícího substrátu řízení rychlosti spotřeby substrátu řízení reakčních rychlostí a metabolismu

  • výhoda – řízenou změnou koncentrace živin lze ovlivnit výtěžek nebo produktivitu

  • živiny jsou dodávány během kultivace, neodvádí se médium - objem bioreaktoru roste


Uplatn n fed batch
uplatnění fed-batch homogenizace, ale

  • substrátová inhibice (methanol, ethanol, kyselina octová, atd.)

  • hustá kultura – vysoká koncentrace buněk

  • glukosový efekt (over-flow metabolismus)

  • katabolická represe – snadno metabolizovatelný zdroj (glukosa)

  • optimalizace tvorby metabolitu – produkce AK, řízené udržování nízké koncentrace S

  • prodloužení produkční fáze (oddělení produkční a růstové fáze) – sekundární metabolity


Zen p tok i
řízení přítoků I homogenizace, ale

  • koncentrace substrátu se udržuje konstantní nebo se mění podle optimálního algoritmu

    • pomalý konstantní přítok média – lineární růst celkové biomasy

    • exponenciální přítok média – exponenciální růst biomasy

  • přítokování média podle zvoleného parametru spojeného s růstem biomasy nebo produkcí (zpětnovazebná regulace)


Zen p tok ii
řízení přítoků II homogenizace, ale

  • podle předem daného schématu – přerušovaný nástřik podle vypočtené funkce

  • přímo – měření koncentrace substrátu v bioreaktoru, podle toho upraven nástřik

  • nepřímo – měření jiných parametrů, které jsou spjaté s metabolismem buňky – DOT, pH, CO2 a O2 v odplynech atd.


Kontinu ln kultivace
kontinuální kultivace homogenizace, ale

  • otevřený systém

  • plynulé(nepřetržité) dodávání živin (média)

  • plynulý odběr média pozměněného metabolickou činností MO i s částí biomasy

  • rychlost přítoku = rychlost odvodu

  • konstantní objem bioreaktoru

  • rozmnožování za optimálních podmínek


Typy kontinu l chemostat
typy kontinuálů - chemostat homogenizace, ale

  • chemostat

    • konstantní rychlost přítoku média F (konstantní zřeďovací rychlost D, rychlost přítoku substrátu = rychlost spotřeby substrátu) mikroorganismy si podle podmínek nastaví konstantní μ a konstantní X


Dal typy kontinu l
další typy kontinuálů homogenizace, ale

  • turbidistat

    • konstantní turbidita (koncentrace biomasy) – mění se D (automatická regulace)

  • auxostat

    • konstantní parametr spjatý s růstem – mění se D (nutristat: S=konst, oxistat: DOT=konst, CO2stat: CO2=konst)


Optimalizace bioprocesu
optimalizace bioprocesu homogenizace, ale

  • konstrukce/selekce produkčního kmene

  • optimalizace složení média

  • výběr typu kultivace

    • podle optimalizovaného parametru, technických možností a dalších kritérií

  • optimalizace kultivačních parametrů (pH, teplota, aerace, míchání...)


Optimalizace slo en m dia
optimalizace složení média homogenizace, ale

  • kvalitativní a semikvantitativní složení

    • baňkové pokusy, využít optimalizační metodu, např. experimentální design odvozený od Response Surface Methodology, Optimal či Central Composition Design, ke snížení počtu experimentů

  • kvantitativní složení

    • vychází z experimentů v laboratorním fermentoru a vhodného strukturovaného modelu s bilancí procesu, mění se v čase


Bilan n modelov n
bilanční modelování homogenizace, ale

  • matematický model procesu nebo zařízení

    • vztahy popisující jeho chování v čase

    • diferenciální rovnice, nelineární rovnice

      VSTUP + ZDROJ = VÝSTUP + AKUMULACE


Identifikace modelu konstanty
identifikace modelu - konstanty homogenizace, ale

  • aproximace empirických dat metodou nejmenších čtverců

  • optimalizace, extrém funkce, účelová funkce = kritérium optimalizace

  • optimalizační proměnné, např. μ, π, YP / X, YP / S


Optimalizace kultiva n ch parametr
optimalizace kultivačních parametrů homogenizace, ale

  • teplota

    • optimální růstová teplota kmene, lze využít pro změny rychlosti růstu a produkce

  • pH

    • optimální růstové pH kmene, lze omezit kontaminaci, vliv složení média, indikátor metabolismu

  • aerace (řízení DOT)

    • podle metabolismu produkce, limitace kyslíkem v různých fázích, řízení dostupnosti energie, změny metabolismu


Monitoring a automatizace
monitoring a automatizace homogenizace, ale

  • konstrukční součást bioreaktoru

  • senzory a zařízení pro měření základních stavových veličin

    • pH, teplota, DO, redox, DCO2, odplyny, X, S, P

  • měření a řízení základních procesních parametrů

    • otáčky míchadla, průtok vzduchu, tlak, přítoky

  • analogové měřící a řídící jednotky

  • DDC (Direct Digital Control) realizované PLC

  • nadřazené monitorovací, archivační a řídící systémy


Z kladn regulace
základní regulace homogenizace, ale

  • pH – automatizované dávkování H+ a OH-

  • teplota – dvojitý plášť, pára, tepelná média

  • DO –

    • otáčky míchadla – asynchronní elektromotory, frekvenční měniče

    • průtok vzduchu - kompresory, turbodmychadla, škrtící regulace podle MS měření

    • tlak – tenzometrická čidla, regulace na výstupu podle SP

  • přítokování -

    • tlakové nebo peristaltické pumpy, měření nejpřesněji vážením reaktoru nebo zásobníku


ad