Bioteollisuuden yksikköoperaatiot:

Transkriptio

1 Bioteollisuuden yksikköoperaatiot: Jälkikäsittely Tero Eerikäinen

2 Bioreaktorikasvatuksen jälkikäsittelyn päävaiheet Solujen erotus tai talteenotto kasvatusliuoksesta Talteen otettujen solujen hajotus (jos solunsisäinen tuote) Kiintoaineen erotus (jos solunsisäinen tuote; tuote liuoksessa) Tuotteen talteenotto Kromatografia Saostus tai kiteytys Kalvosuodatus tai haihdutus Uutto Tuotteen puhdistus Kromatografia Kiteytys Kuivaus Tuotteen formulointi

3 Fermentoinnin tuoteliuokset laimeita (paljon vettä) Biologiset tuotteet labileeja (lämpö, ph, kemikaalit) Tuoteliuos herkkä kontaminaatioille (nopeus ja GMP) Yksikköoperaatioissa fysikaalinen muutos kuten faasin muutos tai konsentroituminen Figure Copyright , Typical Elsevier unit Inc. operations All rights used in the manufacture Reserved. of enzymes.

4 Figure 11.2 Generalised downstream processing schemes for cells as product, products located inside the cells, and products located outside the cells in the fermentation liquor.

5 Tuotteen lähtökonsentraatio vaikuttaa paljon jälkikäsittelykuluihin ja tuotteen hintaan Figure 11.3 Relationship between selling price and concentration before downstream recovery for several products of bioprocessing.

6 Sentrifugointi Solujen ja muun kiinto-aineen erotukseen liuoksesta Levyseparaattori Sopii solujen erotukseen Putkiseparaattori Jopa g

7 Levy- ja putkiseparaattoreita jatkuvatoimiseen solujen erotukseen

8 Sentrifugointi Dekantterisentrifugi Korkea kiintoainepitoisuus Ei sovellu solujen erotukseen Rumpuseparaattori Mm. kiteiden erotukseen

9 Jatkuvatoiminen laboratoriosentrifugi

10 Solujen hajotus Mekaaniset ja ei-mekaaniset menetelmät Korkeapainehomogenisaattori From: The Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS)

11 Bioprocessing Part 2: Separation / Recovery Tuotteen (tässä GFP) talteenotto, jatkuvatoiminen sentrifugointi, solujen hajotus, 11 min

12 Suodatus Suodatuksessa: syöttö, retentaatti (=konsentraatti) ja permeaatti (=suodos) Ensimmäinen operaatio usein kiintoaineen erotus nesteestä (kun lopputuote ei ole solunsisäinen) Kiintoaineen eli solujen, solurippeiden tai saostuneiden komponenttien erotus kasvuliuoksesta tapahtuu usein mikrosuodatuksella tai sentrifugoimalla Myös esimerkiksi soluerotuksesta saatu permeaatti voidaan ultrasuodattaa proteiini-komponenttien erottamiseksi Suodatus perustuu nesteitä läpäisevien väliaineiden käyttöön Väliaineet pidättävät isommat partikkelit tai molekyylit niiden koon perusteella, mutta myös muut tekijät vaikuttavat

13 Kalvosuodatusmenetelmiä ja niiden sovelluksia bioprosesseissa

14 Kalvosuodatusmenetelmien operointialueet Figure 11.22

15 Suodatus Dead-end suodatus steriilisuodatus kiinto-aineiden poisto filamenttisolujen erotus Tangentiaalivirtaussuodatus solujen erotus Konsentrointi Tangential-flow filtration = cross-flow filtration

16 Tangentiaalivirtausuodatus vs. dead-end-suodatus Figure Operating schemes for: (a) cross-flow membrane filtration and (b) conventional dead-end filtration.

17 Tangentiaalivirtausuodatuksen konsentraatiopolarisaatio Lähestyttäessä suodattavan kalvon pintaa rajavyöhykkeellä kalvoa läpäisemättömän komponentin konstraatio kasvaa

18 Paineen noston vaikutus ultrasuodatuksen tehoon

19 Membraanikalvon pidätysominaisuudet, absoluuttiset ja nimelliset pidätysarvot FIGURE (a) Ideal and real membrane retention characteristic and (b) absolute and nominal ratings for a real membrane. V0 VR VP VC 0 0 VC R R VC P P V0 VCR (volumetrinen konsentrointisuhde) V R R C C ( VCR) (yläindeksi R= retentiokerroin) R 0 (alaindeksi R=rententtaatti P=permeaatti)

20 Membraanisuodattimien erilaisia rakenteita Figure Common configurations of membrane filtration modules: (a) flat sheet membrane filtration in a plate-and-frame filter module; (b) internal structure of a spiral-wound membrane filter module; and (c) hollow fibre membrane filter module.

21 Mikro- tai ultrasuodatusrunko, suodatuslevyjä ja -välitiiviste Mikro- ja ultrasuodatuslevyjä ja suodatinrunko Onttokuitusuodatin (mikrosuodatus) Stirrer cell-tyyppinen ultrasuodatulaite

22 Käänteisosmoosi veden puhdistuksessa: 22

23 Konsentrointi Figure Membrane filtration used for concentration of particles or macromolecules in the retentate.

24 Fraktiointi Figure Membrane filtration used for fractionation of low-molecular weight solutes in the permeate.

25 Diasuodatus Figure Membrane filtration used for diafiltration to replace the suspending solvent with new solvent or buffer.

26 Eri operointitapoja Figure Modes of operation for membrane filtration processes: Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved. (a) single-pass; (b) batch; (c) fed-batch; (d) continuous; (e) multistage.

27 Rumpu- ja nauhasuodattimet Käsiteltävä liuos virtaa suoraan suodatinpintaa kohden Kiinteät partikkelit törmäävät suodatinmateriaaliin ja muodostavat sen päälle kiinteän suodoskakun Suodatinmateriaalina voi olla esim. kangas, selluloosa, lasivilla ja synteettiset kuidut Bioprosesseissa vakuumirumpusuodatin, Laroxsuodatin ja suotopuristin

28 Suuren mitan soluerotus suodattimilla Painesuodatin (ent. Larox) Vakuumirumpusuodatin

29 Vakuumirumpusuodatus Käytetään etenkin hiiva- ja homesolujen erotukseen (isoja soluja tai esim. filamenttirakenne) Käytetään paljon suurenkin skaalan prosesseissa Sisempänä pyörivä sylinterimäinen rumpu Rummun pinta on peitetty suodatinkankaalla Alla säiliöallas, johon käsiteltävä liuos syötetään Uloimpana kouru, johon kiintoaine kerätään

30 Vakuumirumpusuodatus Figure 11.5 Käsiteltävä liuos syötetään ulompaan sylinteriin n. 1/3 rummun pinnasta on nesteen peitossa Neste imeytyy alipaineen vaikutuksesta pyörivän rummun sisälle Liuoksessa oleva kiintoaine ei läpäise rummun ulkopinnalla olevaa suodatinkangasta, vaan muodostaa ohuen kakun sen päälle Rummun pyöriessä kiintoaines pestään ja kuivataan ennen sen irrottamista rummun pinnalta Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

31 Prosessimitan rumpusuodattimia Larox on nykyään Flowrox 31

32 Kuivatun kiintoaineen irrottaminen Suodatuskakun irrottamiseen käytetään erilaisia menetelmiä riippuen kakun ominaisuuksista Veitsilasta / kaavin: hauraat ja kuivat materiaalit Nauha-irrotus: esim. tärkkelyssovellukset Hihna-irrotus: tuotteet, joilla taipumus tukkia Irtopinta / esipäällyste: tuotteet, joilla taipumus tukkia suodatinkangas

33 Käytetään usein rumpusuodattimien kanssa Nopeuttavat suodattumista estäen suodatuskakun kokoonpuristumista ja huokoisuuden alentumisesta aiheutuvaa suodattimen tukkeutumista Piimaa Eniten käytetty suodatinapuaine Piimaa on lähtöisin suolaisissa ja makeissa vesissä esiintyvistä piilevistä Monimutkainen ja erittäin huokoinen rakenne Aktiivinen hiili Partikkelit huokoisia ja muodostavat tiheän kakun Huonompi suodatuskyky kuin piimaalla Suodatusapuaineet

34 Suodatusapuaineiden käyttö Suodatusapuaineita voidaan käyttää kahdella tavalla: 1) Esipäällystetään suodatinkangas suodatusapuainejauheella ennen kun suspensio pumpataan laitteeseen Irtopinta estää hienorakenteisten partikkelien takertumisen suodatinkankaaseen ja pitää siten suodatinkankaan pinnan huokoisena Helpottaa kakun poistoa suodatuskierroksen lopussa 2) Lisätään tietty määrä suodatusapuainetta suspensioon ennen suodattimeen syöttämistä Lisää lietteen huokoisuutta Vähentää suodatuskakun kokoonpuristumista Figure 11.4 Use of filter aid in filtration of fermentation broth.

35 Haihdutus Yksinkertainen Energiaa kuluttavaa Alipaineella lämpötila alemmas Biologiset liuokset usein viskooseja ja lämpöherkkiä Luonnollisella kierrolla toimiva haihdutin Tehtaissa haihduttimet usein monivaiheisia Filmihaihdutin

36 Haihdutus Levyhaihdutin Pyörivä filmihaihdutin (Centri Therm-tyyppinen)

37 Kiteytys Konsentrointi ja puhdistus (esim. sokerit, aminohapot, antibiootit ja vitamiinit) Myös tapa tuotteen formulointiin Haihdutus- ja jäähdytyskiteytys Siemenkiteet Kuvassa jäähdytyskiteytin

38 Muita erotusmenetelmiä Kromatografia Ioninvaihtokromatografia Hydrofobisuuteen perustuva kromatografia Affiniteettikromatografia Geelisuodatus HPLC analysointiin Kaksifaasiuutto Adsorptio/desorptio Saostus suola tai liuotin

39 Kaksivaiheinen PEG-uutto proteiinin puhdistuksessa polyetyleeniglykoli (PEG), joka on voimakas saostaja joka ei denaturoi herkästi proteiinia

40 Stabilointi- ja formulointi Kuivaus (spray-kuivaus, leijupetikuivaus) Steriilisuodatus / tuotanto-organismin poisto/tuho Stabilointiaineiden lisäys nestemäiseen tuotteeseen (esim. sorbitoli, parabeenit...) Spray kuivaus 40

41 Teollisuusentsyymin jälkikäsittely ja kiteisen tuotteen jälkikäsittely

42 Jälkikäsittely: Yhteenveto Vaiheet talteenotto, puhdistus, formulointi Yksikköoperaatioilla konsentraatiomuutokset laitekoon ja -kustannusten optimointi Laimea lähtökonsentraatio suuret jälkikäsittelykustannukset Talteenotto esim. sentrifugointi, solujen hajotus, mikrosuodatus Puhdistus esim. ultrasuodatus, haihdutus, kiteytys, kromatografia Bioprocessing Part 3: Purification Tuotteen (GFP) jälkikäsittely, kromatografinen puhdistus, TFF-suodatus, 20 min