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 mikrio

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

3 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Alemmat eukaryootit: hiivat & homeet (= fungit), levät, alkueläimet (ovat mikrobeja) Homerihmastoa Bakteerit ja arkeonit ovat prokaryootteja Hiivasoluja Alkueläin Arkkeoneja Maitohappobakteereita Sinilevärihmoja Lactobacillus rhamnosus Streptococcus thermophilus

4 Eukaryootit (aitotumalliset) Hiivat, homeet, eläimet ja kasvit Tuma Erikoistuneet soluelimet Mitokondriot Sytoplasmakalvostot Golgin kompleksi Hiivoilla, homeilla ja kasvisoluilla soluseinä Eläinsoluilta ei soluseinää Kasvien soluseinä selluloosasta ja pektiinistä Hiivojen ja homeiden soluseinä selluloosasta, kitiinistä ja glukaanista

5 Teolliset eukarioottiset organismit Sienet - Kasvavat yksisoluisina (hiivat) tai monisoluisina rihmastoina (rihmasienet, homeet) - Teollisesti käytetään esimerkiksi Zygomycotina-ryhmä Rhizopus -lajeja Aspergillus-sukua Penicillium-sukua Saccharomyces cerevisiae Basidiomycotina-ryhmää (herkkusieni, osterivinokas)

6 Teolliset eukarioottiset organismit Eläinsolut Erityisesti farmaseuttisten ja diagnostisten tuotteiden tuottoon (translaation jälkeinen modifiointi) CHO-, BHK-, hybridoma-, myeloomasolut yleisimpiä Tuotteita: EPO (erytropoietiini, anemian hoito), tpa (tissue plasminogen activator, veritulppalääke), vasta-aineet Kasvisolut Sekundaariaineenvaihdunnan tuotteita (saponiinit ja taksoli (syöpälääkkeitä), proteaasit) Siirtogeeniset eläimet ja kasvit

7 Prokaryootit (esitumalliset) Yksisoluiset bakteerit ja arkit Ei erikoistuneita soluelimiä DNA solulimassa, plasmideja Ei tumaa Ribosomit Kalvon reseptorit ja muut proteiinit Gramnegatiiviset ja -positiiviset

8 Soluseinän rakenne vaikuttaa teolliseen tuotantoon: Gramnegatiivisen bakteerin soluseinä -Grampositiivisilla proteiinien eritys tehokkaampaa suoraan solukalvon ja seinän läpi kasvatusalustaan -Gramnegatiivisilla proteiinit päätyvät periplasmiseen tilaan ja proteiinien talteenotto vaatii solun hajottamisen Grampositiivisen bakteerin soluseinä

9 Teolliset prokarioottiset organismit Arkeonit metanogeenejä halofiilejä termofiilejä Gramnegatiivisia bakteereja Escherichia coli Pseudomonas-suku Xanthomonas-suku Thiobacillus-suku Rhizobium- ja Agrobacterium-suvut Zymomonas-suku

10 Teolliset prokarioottiset organismit Grampositiivisia bakteereja Bacillus-suku Clostridium-suku Maitohappobakteerit (Lactococcus, Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc) Streptomyces Corynebacterium-suku

11 Solujen kasvu Generaatioaika Spesifinen kasvunopeus, μ (h -1 ) Neljä päävaihetta Kasvuolot Solukasvun seuranta

12 Organismien säilöntä ja solupankit

13 Kantakokoelmia American Type Culture Collection ( Fungal Genetic Stock Center ( E. coli Genetic Stock Center (cgsc.biology.yale.edu/) VTT ( NCIMB ( DSMZ ( NRRL ( Microbial Strain Data Network (panizzi.shef.ac.uk/msdn) World Data Center on Microorganisms (wdcm.nig.ac.jp/doc/menu3.xml)

14 Teollisen biotekniikan tuotteita

15 Soluja hyödyntävän bioprosessin tuotteita Tuote voi olla itse solu, soluja apuna käyttävän biokonversion tuote tai solujen erittämät tuotteet L

16 Yleinen prosessikonsepti

17 Esikäsittely (pretreatment)

18 Reaktiotekniikka Anaerobinen bioreaktio (fermentointi) Alkoholi, olut, viini, meijerituotteet Karboksyylihapot Aerobinen bioreaktio Karboksyylihapot, aminohapot, entsyymit, antibiootit, lääkeaineet, polymeerit Entsymaattinen (tai soluilla avulla) biokonversio Nestesokerit, hapot, etanoli, meijeri-, eläinrehu-, leipomo-, viini-, virvoitusjuoma-, tekstiili, lääke- ja kemianteollisuus Kaasufermentointi (CO, CO2, H2) Kehittyvää teknologiaa, demonstraatiolaitokset, etanoli, 1,4- ja 2,3-butaanidioli

19

20

21 Tuotteen talteenotto Laimeat liuokset haastavia veden poisto Kiinteä-neste-erotus (esim. solujentalteenotto) Intra- ja ekstrasellulaariset tuotteet Sivuvirtojen käsittely (solut, jätevedet) Tuotteiden talteenoton yksikköoperaatiot Kierrätys: vesi, liuottimet, ravinteet

22 L

23 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Soluilla tuotannon etuja: 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,energian tuotto, kuljetus, hajotus, Glukoosi 2ADP 2NAD 2 Palorypälehappo 2ATP 2NADH CO 2 2 Etanoli 2 Asetaldehydi

24 Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä

25 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 biologisen 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 R S r S S * *: Aktiivinen tai passiivinen kuljetus/siirto Substraatit * P * Metaboliitit R P r P A+B<->C+D C+D<->F+G F+H<->I+J r A, r B, r C Sekreetio Polymeerituotteet (esim. proteiinit) Monomeerit Makromolekyylit R X r X X Solumassa

26 Biomolekyylit ja aineenvaihdunta Katabolia ja anabolia Aerobinen ja anaerobinen aineenvaihdunta Glykolyysi Sitruunahappokierto ATP:n rooli; Redox-tasapaino

27 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)

28 Aerobinen aineenvaihdunta

29 Sitruunahappokierto

30 Anaerobinen aineenvaihdunta

31 .ja vielä enemmän biokemiallisia aineenvaihduntareittejä.

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

33

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

35 Bioprosessiteollisuus / entsyymit 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)

36 Bioprosessiteollisuus / entsyymit Kaupallisen entsyymin ominaisuuksien parantaminen proteiinin muokkauksella (protein engineering) [Y5 ja ST6 muokattuja, xynii 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

37

38 Bioprosessiteollisuus / Valion laktoositon maitojuoma Yhdistämällä ennestään tunnettuun kromatografiatekniikkaan nykyaikainen entsyymitekniikka ja kalvoerotustekniikka syntyi vuosituhannen vaihteessa laktoosittoman maitojuoman valmistusprosessi. Prosessin kehittäjät saivat Suomalaisen insinöörityöpalkinnon v Palkittuun ryhmään kuuluvat tekniikan tohtori Matti Harju, tekniikan lisensiaatti Olli Tossavainen, maa- ja metsätieteiden maisteri Paavo Tykkyläinen sekä diplomi-insinöörit Janne Sahlstein ja Harri Kallioinen. Alunperin kromatografinen erotuslaite oli hankittu parantamaan laktoosin saantoa heran valmistuksessa. Sitten kokeiltiin, saadaanko sillä myös laktoosi pois maidosta. Ja sekin onnistui, kertoo Valion teknologiajohtaja Matti Harju. Valiolla jo 34 vuotta tuotteita kehittänyt Harju muistelee olleen onnenpotku, että tuotekehityksessä tarvittaviin laitteisiin oli investoitu jo aiemmissa tutkimusprojekteissa. Alussa aina hankalaa Laktoosittoman tuotteen kehittämishankkeitakaan ei Valion sisällä tervehditty alussa riemunkiljahduksin. Liian kallis, entsyymit maksavat, erotustekniikka maksaa, kukaan ei suostu maksamaan tuotteesta tuplahintaa, se kannibalisoi hylatuotteet..., Harju luettelee argumentteja, joita hän sai vastaansa luvun lopulla. Kun laktoositon maito saatiin markkinoille vuonna 2001, ensimmäisen vuoden myynniksi arvioitiin miljoonaa litraa. Se meni kahdessa kuukaudessa, eikä se syönyt hylamaidon markkinoita, Harju kertoo.

39 Bioprosessiteollisuus / isomeerit Spesifisyys: entsyymi vs. kemiallinen katalyytti D-fruktoosi voidaan pelkistää ( liittää vetyä tiettyyn kohtaan ) => voidaan saadaan kaksi erilasta yhdistettä Mitä spesifisyys tässä merkitsee? D-fruktoosi D-fruktoosi Ni catalyst H 2 * : mannitolidehydrogenaasi entsyymi ** : sorbitolidehydrogenaasi entsyymi

40 Bioprosessiteollisuus / kiraaliset yhdisteet Yksinkertaiset sokerit (monosakkaridit) ja niiden johdannaiset ovat yleensä D- muotoa Aminohapot ovat yleensä L-muotoa L-lysiini D-glukoosi L-arabitoli D-arabitoli

41 Biotekniikan värit Biotekniikan sovellusalueita on kuvattu myös seuraavilla värikoodeilla: L

42

43 Suomen teollinen biotekniikka

44 Esim. bioteollisuusyritysten yhteystiedot:

45 Biotekniikan aikajana L Lähde: Käy sivustolla!!! Saat selvää ja paljon infoa.

46 Biotekniikan tutkimus Suomessa L Lähde:

47

48 Biotalous/pilot-ympäristöt Teollisessa biotekniikassa ja elintarviketeknologiassa löytyy melko paljon suhteellisen pienen mittakaavan pilot-laitteita, jotka hyödyttävät korkeatasoista tutkimusta, mutta suuren mittakaavan monipuolista biotekniikan pilottia maassamme ei ole. Chempolis Oy:n demonstraatiomitan biomassan fraktiointia ja biomassajakeiden bioteknistä jatkojalostusta hyödyntävä biojalostamo on poikkeus, ja sen laajempi hyödyntäminen avaisikin uusia mahdollisuuksia biomassan hyödyntämisen prosessikehitykselle. Periteisten sellunvalmistuksen pilot-laitteiden muuntamista uusille biotuotteille on jo tapahtunut, mutta siihen on edelleen syytä panostaa, jotta laitekanta saadaan paremmin palvelemaan uusia bio- ja kiertotalouden prosesseja. Viime vuosien kehityksessä on selvästi havaittavissa yliopistojen vähentynyt panostus pilotmittakaavan laitteisiin (esim. Aalto YO, Oulun YO) ja toisaalta VTT:n panostus uusiin pilotympäristöihin (mm. Bioruukki ja kuitututkimuksen ympäristö Jyväskylässä). L Bioruukki, VTT

49 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 2014

50 Teollisia bioreaktoreita Suomessa Roal production facility in Rajamäki DuPont production facility in Jämsänkoski Finnish breweries DuPont production facility in Hanko

51 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

52 Maltaan & oluen valmistus L Lähde: Jukka Kronlöf/Hartwall

53 Maltaan & oluen valmistus Mallastamot: Viking Malt / Polttimo yhtiöt (Lahti) ja Laihian Mallas (Laihia) Panimo- ja virvoitusjuomateollisuusliiton jäsenyritykset ovat Oy Hartwall Ab, Momentin Group Oy, Olvi Oyj, Red Bull Finland Oy, Saimaan Juomatehdas Oy ja Oy Sinebrychoff Ab, yht. vuosituotanto n. 400 ML (olut) Pienpanimoliitto: 50 panimoyritystä (enintään 15 ML); pohjoisin Lapissa Suomessa keskioluessa veroa 1,51 /L (Virossa 0,3 /L) L Ala työllistää suoraan > 1700 henkeä, välillisesti n henkeä

54

55 Bioprosessiteollisuus Suomessa Suomen Bioteollisuus (FIB): tällä hetkellä > 36 jäsenyritystä; FIB katalogissa yrityksiä (kaikki ei jäseniä) > 100 Osa näistä bioprosessiteollisuutta, kaikki biotekniikkaa Osa ei bioprosessiteollisuutta: Puhtaasti tutkimusyritykset Konsultointiyritykset Suunnitteluyritykset / insinööritoimistot Patenttitoimistot

56

57 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)

58