Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä

Transkriptio

1 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä = biokatalyyteillä toteutettavaa teollista tuotantoa (teollista biotekniikkaa) Tärkeimmät teolliset biokatalyytit: entsyymit ja solut Biotekniikan määritelmä (EFB): Biotechnology is the integration of natural sciences and engineering sciences in order to achieve the application of organisms, cells, parts thereof and molecular analogues for products and services Biotekniikka yhdistää luonnontieteet ja insinööritieteet siten, että organismeja, soluja, solun osia tai molekyylianalogeja voidaan soveltaa tuotteiden ja palvelujen tekemiseen Solut: Mikro-organismit eli mikrobit: arkeonit* (aiemmin arkkibakteerit), bakteerit, hiivat, homeet, levät, alkueläimet, pystyvät lisääntymään erittäin nopeasti (µ = spesifinen kasvunopeus; t d = tuplaantumisaika) Kasvit, kasvisolut Eläimet, eläinsolut nisäkässolut, mammaalisolut Humaanisolut *Nimiehdotuksia 2014: Arkko, arkeeri, arkkio, arkoni, arkeobi, arkebi, muino, erkki, mörkki, narkki, tsörkki, urkki, varkki, ärkki, örkki, alkeeri, ark, arkeija, arkkeri, arkokki, arska, entiö, ikieliö, ikiö, ylieliöinen, iku, sietiö, äärikkö, ääripöpö, ääriö, äärelö, sarkko ja 10/28/2015 mikrio 1

2 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Soluteoria: organismit koostuvat soluista Yksisoluiset organismit: yksi solu = organismi Korkeammat eukaryootit: erikoistuneista soluista muodostuu mm. kudoksia ja elimiä Bakteerisolu Hiivasolu 10/28/2015 2

3 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Alemmat eukaryootit: hiivat & homeet (= fungit), levät, alkueläimet (ovat mikrobeja) Bakteerit ja arkeonit ovat prokaryootteja 10/28/2015 3

4 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Solujen vahvuus: aineenvaihdunta (metabolia) = entsyymien katalysoimien biokemiallisten reaktioiden verkostot solujen sisällä => valtava tuotemahdollisuuksien kirjo Solujen aineenvaihdunnassa keskeisiä reaktioita ovat hapetus/pelkistys- ja energiantuotto/-kulutusreaktiot; näissä entsyymit käyttävät apuyhdisteitä, joiden pitoisuudet soluissa ovat alhaisia, mutta ne eivät kulu vaan kiertävät (regeneroituvat yhä uudestaan; esim. NAD/NADH ja AMP/ADP/ATP) Synteesitoiminta,transportti Glukoosi 2ADP 2NAD 2 Palorypälehappo 2ATP 2NADH CO 2 2 Etanoli 2 Asetaldehydi 10/28/2015 4

5 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä 10/28/2015 5

6 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Solut ovat uusiutuvia katalyyttejä, biohajoavia, ne tuotetaan uusiutuvista raakaaineista => vaikutukset ympäristöön vähäiset (tosin solujen tuotossa muodostuu CO 2 :a ja vesistöön päästessään ne toimivat hapen kuluttajina (BHK)) Solut säätelevät metaboliaansa eri tasoilla (geeni/dna, mrna, proteiini, kuljetus, metaboliitti) ympäristönsä tilanteen mukaan Lähes kaikkia solun reaktioita katalysoivat enemmän tai vähemmän spesifiset aktiiviset proteiinit eli entsyymit ja useimmat reaktiot ovat tasapainoreaktioita (reversiibeli reaktio) Metaboliittituotteet Insinöörin näkökulma: Volumetriset nopeudet (esim. g/lh), R i Spesifiset nopeudet (esim. g/gh), r i Saannot (esim. g/g), P/ S Reaktioiden tasapainot (esim. [C]x[D]/([A]x[B]) Substraatit Reaktioiden termodynamiikka (esim. millä ehdoilla reaktio voi tapahtua) Metabolian matemaattinen mallinnus Substraatit Metaboliitit Polymeerituotteet (esim. proteiinit) Monomeerit Makromolekyylit Solumassa 10/28/ R S r S S * *: Aktiivinen tai passiivinen kuljetus/siirto R P r P * P * A+B<->C+D C+D<->F+G F+H<->I+J r A, r B, r C Sekreetio R X r X X

7 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Vähän enemmän metaboliaa (glykolyysi & sitruunahapposykli eli TCA-sykli) Hiilihydraatteja Aminohappoja NH 3 NAD + NADH + H + 2e - 0,5O 2 H 2 O+NAD + NH 3 Teollisia tuotteita näistä ovat mm.: sitruunahappo sukkiinihappo (meripihkahappo) palorypälehappo aminohapot (L-lysiini, L-glutamaatti ) polysakkaridit TCA Rasvoja NH 3 Energiaa (ATP) Aminohappoja 10/28/2015 7

8 .ja vielä enemmän. 10/28/2015 8

9 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Metabolia mahdollistaa monimutkaisten yhdisteiden tuottamisen yksinkertaisista lähtöaineista (esim. yksinkertaiset sokerit, epäorgaaniset N- ja P-yhdisteet) Glukoosi + N/P/hivenainelähteet L-lysiini Pseudomonas sp. B 12 -vitamiini (syankobalamiini) Schizophyllan (β-1,3-glukaani) Hydroksinitriililyaasi 10/28/2015 9

10 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Mitä tekemistä kuvan tuotteilla/menetelmillä on biotekniikan kanssa? Insulin Blood glucose measurement 10/28/

11 Soluprosessien tuotteita Tuote Tuottaja Tuotanto Sovellus Etanoli S. cerevisiae 80 Mt/a kemikaali,juoma,polttoaine Antibiootit Homeet,bakteerit, 25 G /a antimikrobilääkkeet (Streptomyces spp.) t/a Vitamiinit bakteerit, fungit 150 M /a lääkkeet, rehut, elint. (B 12,B 2,C) Aminohapot bakteerit 1,5 Mt/a elint., rehut (MSG,Lys,Thr) (Corynebacteria) 2 G /a Orgaaniset hapot homeet, bakteerit 3 Mt/a elint., kemikaalit, muovit (citric/acetic/ 2 M /a gluconic/lactic) Paksunnos- bakteerit 0,1 Mt/a elint., kosmetiikka, aineet öljynporaus Entsyymit homeet, bakteerit 3,1 G /a pesuaineet, rehut, hiivat tärkkelys pros., lääkkeet, elint. Terapeuttiset hiivat, bakteerit, 80 G /a lääkkeet proteiinit eläinsolut Solumassat S. cerevisiae,startterit 0,5 Mt/a elintarvikkeet 10/28/

12 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Metabolia voidaan karkeasti jakaa aerobiseen ja anaerobiseen metaboliaan Aerobinen: tuottaa paljon enemmän energiaa soluille ja siten solumassaa, mutta myös lämpöä ja vaatii niukkaliukoista ravinnetta (happea) => aineen- ja/tai lämmönsiirto rajoittavat => energiankulutus Anaerobisessa metaboliassa C-lähteestä (esim. sokeri) otetaan elektroneja (hapetus) ja siirretään metaboliiteille (pelkistys) => muodostuu vähän solumassaa ja vähän lämpöä (tuotteita: maitohappo, biokaasu (metaani/co 2 - seos), etanoli, butanoli) => tuottonopeudet rajoittavat => isot laitteistot Luonnossa kemiallisten yhdisteiden stereokemia on tärkeä ominaisuus entsyymit ovat yleensä hyvin stereospesifisiä (= katalysoivat vain oikeiden stereoisomeerien reaktioita) ja luonnollisilla yhdisteillä on yleensä tietty stereokemiallinen muoto (ns. kiraaliset yhdisteet) 10/28/

13 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Yksinkertaiset sokerit (monosakkaridit) ja niiden johdannaiset ovat yleensä D- muotoa Aminohapot ovat yleensä L-muotoa L-lysiini L-arabitoli D-arabitoli D-glukoosi 10/28/

14 Bioreaktoriprosessit yleisesti L 10/28/

15 Bioreaktoriprosessit yleisesti L 10/28/

16 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Entsyymit ovat biologisia katalyyttejä Nopeuttavat reaktioita jopa kertaisesti kulumatta itse reaktiossa Lähes kaikki entsyymit ovat proteiineja (aminohappopolymeereja, polypeptidejä), joilla on juuri tietty aminohappojärjestys (aminohapposekvenssi) Kutakin entsyymiä koodaa solussa geeni, jonka emäsjärjestys määrää em. sekvenssin Aktiivinen keskus Entsyymit ovat äärimmäisen tai melko spesifisiä (suhteessa reaktioon ja/tai reagoiviin yhdisteisiin) Entsyymien toiminnan kannalta keskeistä on oikea 3-ulotteinen rakenne Selloheptaoosi Sellobiohydrolaasi (CBH) (entsyymiproteiini) 10/28/

17 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Entsyymit: Katalysoivat solujen reaktioita Uusiutuvista raaka-aineista tuotettavia, biohajoavia, spesifisiä, T opt, ph opt Tuhoutuvat irreversiibelisti ääriolosuhteissa Samasta entsyymistä luonnossa useita versioita (datapankit esim. BRENDA) Ovat tärkeitä bioprosessiteollisuuden tuotteita (Suomi tärkeä kehittäjä- ja tuottajamaa) Sovelluksia monilla eri teollisuuden aloilla Laktoosi Elintarvike- Metsä- Tekstiili- Pesuaine- Hygienia- Kemian- +H Rehu- 2 O Entsyymejä voidaan muokata Laktaasi => HyLa-tuotteet geenitasolla Entsyymi voidaan prosessissa kierrättää (esim. immobilisoimalla) 10/28/

18 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Kaupallisen entsyymin ominaisuuksien parantaminen proteiinin muokkauksella (protein engineering) [Y5 ja ST6 muokattuja, XynI alkuperäinen] xynii, Y5 enzyme activity xynii Y5 A540/% Temp/ºC Enzymes come from nature. It s just that nature has no interest in washing machines. Act. /% ph act. xynii vs ST6 L ST6/Tris ST6/sf xynii/sf xynii/tris 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 ph 10/28/

19 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Spesifisyys: entsyymi vs. kemiallinen katalyytti D-fruktoosi voidaan pelkistää ( liittää vetyä tiettyyn kohtaan ) => millaiset 2 erilaista yhdistettä näin voidaan saada? Mitä spesifisyys tässä merkitsee? D-fruktoosi D-fruktoosi Ni catalyst H 2 * : mannitolidehydrogenaasi entsyymi ** : sorbitolidehydrogenaasi entsyymi 10/28/

20 Biotekniikan sovelluksia L 10/28/2015 Lähde: 20

21 Biotekniikan aikajana L Lähde: /28/ Käy sivustolla!!! Saat selvää ja paljon infoa.

22 Biotekniikan tutkimus Suomessa L 10/28/2015 Lähde: 22

23 10/28/

24 Bioprosessitekniikan tutkimus & opetus Suomessa Yliopistot Aalto Kemian tekniikan korkeakoulu Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos Tampereen Teknillinen yliopisto Kemian ja biotekniikan laitos Oulun yliopisto Kemiallisen prosessitekniikan laitos Ammattikorkeakoulut Metropolia Bio- ja elintarviketekniikka Seinäjoen ammattikorkeakoulu Bio- ja elintarviketekniikka Teknologian tutkimuskeskus VTT (Otaniemi) L Kemira tutkimuskeskus (Suomenoja Espoo) DuPont Danisco tutkimuskeskus (Kantvik Kirkkonummi) 10/28/

25 Bioprosessiteollisuus Suomessa / esimerkkejä Teollisten entsyymien tuotanto Tuotantolaitoksia: DuPont / Genencor Jämsänkoski ja Hanko (tuotantoa 13 maassa) ROAL Rajamäki Maailmanlaajuinen vuosituotanto 2014 arvoltaan n. 3,1 G (23 G DKK); kasvua vuodesta 2013 n. 5 % L Markkinasegmentit Markkinaosuudet (ROAL # 5) Lähde: Novozymes/Annual Report /28/

26 10/28/ Source: Novozymes/Annual Report 2014

27 Teollisen entsyymin tuotanto (fermentointi + jälkikäsittely) Fermentointi S/L-erotus (neste/kiintoaine) solunsisäinen tuote solujen hajotus (korkeapainehomog., lasihelmimylly) solunulkopuolinen tuote tuotteen konsentrointi (kalvosuodatus, adsorptio/desorptio L solujäänteiden erotus (separointi, suodatus) tuotteen puhdistus (kromatografia, saostus, uutto, kalvoerotus) tuotteen puhdistus (kromatografia, saostus, uutto, kalvoerotus tuotteen formulointi (standardointi, stabilointi, sterilointi 10/28/

28 Maltaan & oluen valmistus L 10/28/2015 Lähde: Jukka Kronlöf/Hartwall 28

29 Maltaan & oluen valmistus Mallastamot: Viking Malt / Polttimo yhtiöt (Lahti) ja Laihian Mallas (Laihia) Panimoliitto: Sinebrychoff, Hartwall, Olvi, Nokian Panimo ja Saimaan Juomatehdas; yht. vuosituotanto n. 400 ML Pienpanimoliitto: n. 27 panimoyritystä (enintään 10 ML); pohjoisin Seinäjoella Suomessa keskioluessa veroa 1,51 /L (Virossa 0,3 /L) Ala työllistää suoraan > 2000 henkeä, välillisesti n L henkeä 10/28/

30 Ympäristöbioprosessitekniikka L 10/28/

31 Alan trendejä Biojalostamot Siirtyminen fossiilisista raaka-aineista uusiutuviin (biomassat) 1-g (1. sukupolven) nestemäisten biopolttoaineiden tuotanto Etanoli ja rasvahappoesterit (FAME ja FAEE) Tärkkelys- tai sakkaroosi pääraaka-aineena 2-g nestemäisten polttoaineiden tuotanto Edelleen lähinnä etanoli ja biodiesel (NexBTL / Neste Oil) Raaka-ainepohja: lignoselluloosat, jätteet L Uudet nestemäiset polttoaineet Korkeammat alkoholit (butanoli, isobutanoli, pentanoli) ns. drop-in polttoaineet (hiilivedyt) Kemikaalien tuotanto uusiutuvista raaka-aineista esim. biopolyesterit (polylaktidi, bio-pet, polyhydroksialkanoaatit) Kemian ja polymeeriteollisuuden monomeerit Vaihtoehtoiset tekniikat (biomassan kaasutus, ei-biologiset katalyytit) 10/28/

32 Alan trendejä / bioetanoli / raaka-aineet Viljojen korjuutähteet (lehdet, varret/ oljet, lapakot ) Sokeriruokojäte (bagassi) L Metsätähteet ja sivuvirrat, 10/28/

33 Biojalostamot Carbohydrates -starch -hemicellulose -cellulose Lignin Lipids/Oils Protein bioreitti kemiallinen reitti ei reaktioita SynGas Sugar hexoses,pentoses Lignin Lipids/Oil Protein MeOH C1 C2 C3 C4 C5 C6 Aromatics Direct polymers Ethanol Glycerol Lactic acid Propionic acid Levulinic acid Furfural Lysine Gallic acid Ethers Olefins Diacids, esters Lactid Acrylate 1,3-PDO Furan THF Caprolactam Carnitine Phenolics Fuel additives Solvents Chemicals Emulsifiers PLA Polyacrylate Nylons Polyurethanes Resins Polysaccharides 10/28/

34 Biojalostamot Tyypillinen esimerkki: hiiva- tai bakteerikanta muokataan (metabolian muokkaus) tuottamaan hiilivetyä (isopreeni); tuotanto fermentointiprosessina; tässä kaasumainen tuote poistuu reaktorista (fermentori) poistokaasun mukana, erotetaan ja käytetään esim. polymerointiin Isopreeni Fermentori 10/28/

35 Alan trendejä / biotalous Despite not having the attention of decision makers, applications from industrial biotechnology already save the world 33 million tonnes of CO2 whilst emitting only 2 million tonnes per year. In summary, industrial biotechnology can enable a shift toward a bio-based economy. A bio-based economy is based on production paradigms that rely on biological processes and, as with natural ecosystems, use natural inputs, expend minimum amounts of energy and do not produce waste as all materials discarded by one process are inputs for another process and are reused in the ecosystem. L Lähde: WWFDenmark, September 2009 Authors: John Kornerup Bang, Andreas Follér, Marco Buttazzoni 10/28/

36 Alan trendejä / biotalous / kestävä kehitys Teollisen biotekniikan soveltamisen vaikutuksia kasvihuonekaasupäästöihin (GHG, Mt CO2 ekvivalenttia/a) L 10/28/

37 Alan trendejä / biotalous / kestävä kehitys Leväprosessit tuotanto per ha! Viljelypinta-alan riittävyys Kehittymätön levien prosessointitekniikka L 10/28/

38 10/28/

39 10/28/

40 Alan trendejä Biotekniikan sovellusalueet laajenevat: biotekniikan värit L 10/28/

41 Alan trendejä Biofarmaseuttisten (biopharmaceuticals) tuotteiden tuotanto: riskit vs. tuotot Tuotteet pääasiassa humaaniproteiineja Antibody: vasta-aine Growth factor: kasvutekijä Cytokine: sytokiini, solumyrkky Fusion protein: fuusioproteiini Vaccine: rokote Blood factors: veren hyytymistekijät G$/a!! Anticoagulants: hyytymisen L estäjät Lähde: Nature Biotechnology 29 (2011) # 12 10/28/

42 Alan trendejä / biopharmaceuticals Eräiden yksittäisten biofarmaseuttisten tuotteiden myyntivoluumit G$/a USAssa Tärkeimpien yritysten biofarmaseuttisten tuotteiden myyntivoluumit (G$/a) L Lähde: Nature Biotechnology 10/28/ (2011) # 12 42

43 Alan trendejä / biopharmaceuticals Tuotantokin on kallista: pitoisuudet pieniä, puhtausvaatimukset äärimmäiset, kehityskustannukset, viranomaismääräykset, prosessi = tuote, puhtaat ja kalliit raaka-aineet Oheisessa kaaviossa: - pystyakselilla on tuotteen tai tuoteryhmän pitoisuus prosessissa ennen jälkikäsittelyä L - vaaka-akselilla tuotteen tai tuoteryhmän hinta vuonna 1984 riippuvuus (muitakin vaikuttavia tekijöitä on) lähde: Dwyer, Bio/technology 2 (1984), lisäyksin Utah State Univ./Biochem. Eng. 10/28/

44 Punainen biotekniikka vs. valkoinen biotekniikka Laitosinvestointi ja käyttökustannukset! 10/28/

45 Bioprosessiteollisuus Suomessa Suomen Bioteollisuus (FIB): tällä hetkellä > 60 jäsenyritystä; FIB katalogissa yrityksiä (kaikki ei jäseniä) > 100 Vain pieni osa näistä bioprosessiteollisuutta, kaikki biotekniikkaa Ei bioprosessiteollisuutta: Puhtaasti tutkimusyritykset Konsultointiyritykset Suunnitteluyritykset / insinööritoimistot Patenttitoimistot St1 Biofuels Oy 10/28/

46 Bioprosessiteollisuus / lisää työllistäjiä L 10/28/

47 DI:n tehtäviä bioprosessiyrityksissä Tuotanto (osastopäällikkö, tuotantopäällikkö, tuotannon asiantuntija, tuotantojohtaja ) Tuotannon kehitys- ja investointihankkeet (projektipäällikkö, hankintavastaava) Laitossuunnittelu (suunnittelija, asiantuntija, osastopäällikkö, suunnittelujohtaja) Tutkimus ja kehitys (tutkija, tutkimuspäällikkö, tutkimuskoordinaattori, sovellusasiantuntija, asiakaspäällikkö, tutkimus- ja kehitysjohtaja) L Verkostot, PR jne. (asiakaspäällikkö, yhteiskuntasuhdepäällikkö) HSE: health, safety & environment (ympäristöpäällikkö, työturvallisuuspäällikkö, HSE johtaja) 10/28/

48 Bioprosessi-insinöörin ominaisuuksia? AB Enzymes / tuotanto ABF: Associated 10/28/2015 British 48 Foods

49 Bioprosessi-insinöörin ominaisuuksia? AB Enzymes / T&K 10/28/2015 ABF: Associated British Foods 49