Fermentoinnin toteutustavat Panosfermentointi

Samankaltaiset tiedostot
Fermentoinnin toteutustavat 1. Panosfermentointi

Toteutustavat - sovelluksia

Solu tuotantolaitoksena Cell factory

Solu tuotantolaitoksena Cell factory

PROSESSITEKNIIKAN PERUSTA 2011 Bioprosessitekniikan mahdollisuudet. Biotekniikan määritelmä

BIOREAKTORIT CHEM C2310 Bioprosessitekniikka Tero Eerikäinen

Solu tuotantolaitoksena Cell factory

BIOREAKTORIT CHEM C2310 Bioprosessitekniikka Tero Eerikäinen

BIOprosessitekniikka - Johdanto

BIOprosessitekniikka - Johdanto

ja piirrä sitä vastaavat kaksi käyrää ja tarkista ratkaisusi kuvastasi.

Tekniikan tohtori Tero Eerikäinen Tekniikan tohtori Ilkka Malinen

BIOKATALYYSIN MAHDOLLISUUDET

CHEM-C2310 Bioprosessitekniikka kevät BIOprosessitekniikka - Johdanto

CHEM-C2310 Bioprosessitekniikka kevät BIOprosessitekniikka - Johdanto

Bioteollisuuden yksikköoperaatiot: jälkikäsittely

Bioteollisuuden yksikköoperaatiot: Jälkikäsittely

Substraatin gradientin vaikutus leivinhiivan panossyöttöprosessissa

Entsyymit ja niiden tuotanto. Niklas von Weymarn, VTT Erikoistutkija ja tiiminvetäjä

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Ratkaisu: a) Koroton takaisinmaksuaika on 9000 = 7,5 vuotta b) Kun vuosituotot pysyvät vakiona, korollinen takaisinmaksuaika määräytyy

Mustasotilaskärpäsen toukkien kasvatus Sahalahden sivuvirroissa. BioKierto projekti Sanna Taskila, Oulun yliopisto

FLUPA I, syksy 2009 RIKASTUS. Tehtävä 1.

ENTSYYMIKATA- LYYSIN PERUSTEET (dos. Tuomas Haltia)

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

2. Uusiutuvat luonnonvarat: Kalastuksen taloustiede

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Vakioitu toimintaohje KeBPr-5205 ja 5206 Pellicon Maxi -suodatuslaite

Tutkimuspalvelun onnistuneeseen suoritukseen vaaditaan alla mainittuja asioita:

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Tehtävä 1. Vaihtoehtotehtävät.

Aseptiikka. Lähes kaikki teolliset fermentoinnit ovat aseptisia ja perustuvat puhdasviljelmiin (= eivät ole sekapopulaatioita)

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

Y56 Laskuharjoitukset 4 Palautus viim. ti klo (luennolla!) Opiskelijan nimi. Opiskelijanumero

MATEMATIIKKA. Matematiikkaa pintakäsittelijöille. Ongelmanratkaisu. Isto Jokinen 2017

Polar Pharma Oy Kyttäläntie 8 A Helsinki. puh info@polarpharma.fi

CHEM-A1110 Virtaukset ja reaktorit. Laskuharjoitus 9/2016. Energiataseet

a) Markkinakysyntä - Aikaisemmin tarkasteltiin yksittäisen kuluttajan kysyntää. - Seuraavaksi tarkastellaan koko markkinoiden kysyntää.

Kurssin toteutus ja ryhmiinjako Ma 2.9. klo PR104 Aki Sorsa (SÄÄ) Pe klo 8-10 (oma huone) Ke Tehtävien palautus

Nimi sosiaaliturvatunnus. Vastaa lyhyesti, selkeällä käsialalla. Vain vastausruudun sisällä olevat tekstit, kuvat jne huomioidaan

Biobisnestä Pirkanmaalle

Aine-, energia- ja rahataseet prof. Olli Dahl

1 PID-taajuusvastesuunnittelun esimerkki

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

α-amylaasi α-amylaasin eristäminen syljestä ja spesifisen aktiivisuuden määritys. Johdanto Tärkkelys Oligosakkaridit Maltoosi + glukoosi

Biotuotteiden ja biotekniikan laitos. CHEM-C2310 Bioprosessitekniikka. Laboratoriotyöt

BIOLOGINEN FOSFORIN- JA TYPENPOISTO

8 Yritys kilpailullisilla markkinoilla (Mankiw & Taylor, Ch 14)

Panosprosessien integroitu hallinta

Luku 19 Voiton maksimointi

MetGen Oy TEKES

AVA:n Kuivamädätyslaitos, Augsburg

PULLEAT JA VALTAVAT VAAHTOKARKIT

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Algoritmit 2. Luento 1 Ti Timo Männikkö

1. Osoita, että joukon X osajoukoille A ja B on voimassa toinen ns. de Morganin laki (A B) = A B.

Diskreettiaikainen dynaaminen optimointi

Luku 13 KAASUSEOKSET

ehdolla y = f(x1, X2)

Bioteollisuuden yksikköoperaatiot:

4. Kontrollitilavuusajattelu ja massan säilyminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Piiri K 1 K 2 K 3 K 4 R R

Dynaaminen hintakilpailu ja sanattomat sopimukset

Energiatehokkuuden analysointi

Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä

ENERGIAA JÄTEVESISTÄ. Maailman käymäläpäivän seminaari - Ongelmasta resurssiksi

Rosemount 3051S sähköiset ERS-anturit

Solun Kalvot. Kalvot muodostuvat spontaanisti. Biologiset kalvot koostuvat tuhansista erilaisista molekyyleistä

2 dy dx 1. x = y2 e x2 2 1 y 2 dy = e x2 xdx. 2 y 1 1. = ex2 2 +C 2 1. y =

Nimi sosiaaliturvatunnus. Vastaa lyhyesti, selkeällä käsialalla. Vain vastausruudun sisällä olevat tekstit, kuvat jne huomioidaan

GMO analytiikka Annikki Welling Kemian tutkimusyksikkö Evira

Investointimahdollisuudet ja niiden ajoitus

YLE 5 Luonnonvarataloustieteen jatkokurssi Kalastuksen taloustiede

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Data Envelopment Analysis (DEA) - menetelmät + CCR-DEA-menetelmä

Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä

Ihmiskeho. Ruoansulatus. Jaana Ohtonen Kielikoulu/Språkskolan Haparanda. söndag 16 februari 14

Mädätys HSY:n jätevedenpuhdistamoilla. Mädätyksen rakenne- ja laitetekniikka seminaari

A-osa. Ratkaise kaikki tämän osan tehtävät. Tehtävät arvostellaan pistein 0-6. Taulukkokirjaa saa käyttää apuna, laskinta ei.

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

Sovelletun fysiikan pääsykoe

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Jos siis ohjausrajoitusta ei olisi, olisi ratkaisu triviaalisti x(s) = y(s). Hamiltonin funktio on. p(0) = p(s) = 0.

LM-K1: Tärkeimmät yhtälöt (T-yhtälöt) ja matemaattiset taulukot (TT-taulukot)

EPÄPUHTAUKSIEN SIIRTYMISEN KOKEELLINEN MITTAUS JÄ MALLINNUS SUOJATULLA OLESKELUALUEEN ILMANVAIHDOLLA VARUSTETUSSA HUONEESSA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Kasvuteorian perusteita. TTS-kurssi, kevät 2010 Tapio Palokangas

9. Tila-avaruusmallit

Aseptiikka. Lähes kaikki teolliset fermentoinnit ovat aseptisia ja perustuvat puhdasviljelmiin (= eivät ole sekapopulaatioita)

HUBER Ratkaisuja Biojätteen käsittelyyn

Muuttuvan ympäristön vaikutusten

Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta

Kustannusten minimointi, kustannusfunktiot

Oliot ja tyypit. TIES542 Ohjelmointikielten periaatteet, kevät Antti-Juhani Kaijanaho. Jyväskylän yliopisto Tietotekniikan laitos

VLT 6000 HVAC vakiopaineen säädössä ja paine-erosäädössä. (MBS 3000, 0-10V)

Transkriptio:

Fermentoinnin toteutustavat Panosfermentointi jokaista panosta varten tuotetaan oma siirroste (engl. inoculum; monikko inocula) siirrostelinjassa (inoculum train) varsinainen tuotantoreaktori (fermentori) valmistellaan panosta varten, siirrostetaan, solut kasvavat ja tuottavat tuotteen, fermentointi lopetetaan, tuote otetaan talteen (talteenottoprosessi eli jälkikäsittelyprosessi; P: downstream processing) fermentointipanoksen aikana fermentoriin ei lisätä (merkittäviä määriä) ravinteita eikä fermentorista oteta pois prosessilientä ( kasvuliuosta fermentation broth) tuotettua solumassaa hyödynnetään vain kussakin panoksessa Missä kasvuvaiheessa kannattaa siirrostaa pienemmästä isompaan fermentoriin? 1

Toteutustavat - sovelluksia Panosfermentointi yksinkertainen toteutus; sopii sekä prim. että sek. metaboliiteille pienin riski kontaminaatioille ja tuotantokannan muutoksille (esim. muutokset geenitasolla eli kannan degeneraatio, palautuminen tai plasmidilukumäärän pieneneminen vähäisiä) tuotettua solumassaa hyödynnetään huonosti tuotantoon liittyy paljon luppoaikaa (downtime): panoksen valmistelu, sterilointi, lag-vaihe, fermentorin tyhjennys panoksen jälkeen ja pesu panosfermentoinnissa ei solut tai prosessi ehdi olla steady-state tilassa juuri lainkaan useat panosprosessit on muutettu fed-batch toteutukseen Kaasujen syöttö ja poisto (aerobiset kasvatukset) ei muuta batch-luokitusta panosfermentointi sopii edelleen hyvin, kun prosessi sietää huonosti fedbatchissä syötettävien komponenttien paikallisia pitoisuuseroja (epähomogeenisuus) Miksi tämä korostuu fed-batchissä? 2

Toteutustavat Fed-batch -fermentointi puolipanoskasvatus sopii kaikentyyppisille tuotteille, erityisesti sek. metaboliiteille hyödyntää solumassaa hieman paremmin kuin panosfermentointi syötön avulla voidaan järjestää joidenkin muuttujien suhteen steady-state ( quasi-steady-state); usein tavoitteena välttää ns. overflow-metabolia tai solujen helposti käyttämän hiililähteen (carbon- eli C-source) aiheuttama kataboliittirepressio (ccr: carbon catabolite repression) sovelluksia runsaasti: entsyymien tuotto, antibioottien tuotto, indusoitu proteiinien heterologinen tuotto, aminohappojen tuotto, leivinhiivan tuotto 3

http://www.suomenhiiva.fi/hiiva/ 4

Fed-batch -fermentointi aloitetaan panoksena kun kasvu muuttaa olosuhteet halutuiksi, aloitetaan jonkin komponentin syöttö korkeassa pitoisuudessa fermentoriin yleensä syöttö lopetetaan vasta fermentorin täytyttyä ja fermentointi lopetetaan ja aloitetaan jälkikäsittelyprosessi ja sitten taas uusi fed-batch kasvatus samaan tyyliin Kuvassa https://www.youtube.com/watch?v4tlw3i5qg 5

Fermentoinnin toteutus Jatkuva kasvatus fermentori valmistellaan ja siirrostetaan prosessi ajetaan ylös panosfermentointina tämän jälkeen prosessiin aletaan syöttää ravinneliuosta ja vastaavasti otetaan fermentorista pois valmista kasvuliuosta prosessia jatketaan periaatteessa loputtomasti; käytännössä viikkoja kuukausia vuosia prosessi pyritään pitämään tasapainotilassa (steady-state) tavallisin toteutus: kemostaatti, jossa F in F out eli vakiojatkuva fermentointi: F in F out 6

Jatkuva fermentointi sopii prim. metaboliiteille, parhaiten itse solumassan tuotolle ongelma prim. metaboliiteillakin: kun tuotteen muodostus vähentää solumassan saantoa substraatista, jatkuva fermentointi usein johtaa alhaiseen solupitoisuuteen, mikä taas alentaa volumetrista tuottavuutta volumetrinen tuottavuus (R) spesifinen tuottonopeus (r) x solupitoisuus () pitkäkestoisena herkkä kontaminaatioille ja kannan muutoksille vähiten luppoaikaa; mahdollistaa suurimman volumetrisen tuottonopeuden (g L -1 h -1 ) jatkuva fermentointi, jossa on jatkuva ravinteiden syöttö ja samalla tilavuusvirtauksella kasvuliuoksen poisto fermentorista (kemostaatti) johtaa muuttujien steady-state tilaan (muuttujan arvo ei ole ajan funktio) sovelluksia: esim. CP:n tuotto (CP: single cell protein), jätevesien puhdistus muita harvemmin käytettyjä: turbidostaatti (sameus vakio), ph-staatti (ph vakio), A-stat (accelerostat) (laimennusnopeutta lisätään vakionopeudella), -stat (vakio, mutta jonkin komponentin pitoisuutta muutetaan vakionopeudella) 7

Muita toteutustapoja Jatkuva fermentointi solujen (osittaisella) palautuksella: solujen erotus (konsentrointi) poistovirrasta esim. kalvo-suodatuksella tai keskipakoerotuksella (cell recycle) [lohkokaaviona kirjassa s. 115] Jatkuva fermentointi, jossa solut pidätetään fermentorissa (cell retention): esim. siivilän avulla (isot partikkelit), solujen flokkuloinnin avulla tai immobilisoimalla solut kiinteän kantajamateriaaliin Useampivaiheinen jatkuva (eri fermentoreissa erilaiset olosuhteet, esim. tilavuudet voivat poiketa toisistaan) Toistettu panos: panoksen loputtua jätetään pieni osa kasvuliuoksesta siirrosteeksi seuraavaan panokseen 8

Kasvun ja toteutusten matemaattisia kuvauksia (malleja) Yleisimmin käytetty kasvumalli: Monod n malli perustuen ajatukseen kasvua rajoittavasta substraatista (pitoisuus kasvuliuoksessa ) pesifinen kasvunopeus: d µ ( ) t 1 ( t),, P ovat prosessin tilasuureita Monod n yhtälö: µ µ max + K Panoskasvatus: d µ : solupitoisuus [esim. g L -1 ] Y : solusaanto :stä [esim. g g -1 ] d µ + m m : ylläpitokerroin [esim. g g -1 h -1 ] Y Y P : kasvuun liittyvä tuotesaanto dp µ m P : tuottoon liittyvä ylläpitokerroin + mp Y K : kyllästysvakio [mg L -1 tai mm] P 9

Matemaattisia malleja Yksinkertaisimmat mallit perustuvat ainetaseisiin (kokonaisainetase, komponentin ainetase, alkuainetase); voidaan käyttää myös energiataseita olujen kasvuun liittyvä erityismenetelmä on elektronitase eli pelkistystase, jossa tarkastellaan summareaktioita solujen sisällä ( aineenvaihdunnassa) Aineenvaihduntaa voidaan myös mallittaa aineen ja alkuaineiden häviämättömyyden lakiin perustuen (kts. kirja s. 89) (nämäkin siis tasemalleja), kun metaboliareitit tunnetaan, (kts. metaboliareitit esim. http://web.expasy.org/pathways/ ja http://www.genome.jp/kegg/) 10

Bioprosessien mallinnus Mekanistiset ja empiiriset mallit taattiset ja dynaamiset mallit Bioprosessi on monimutkainen kokonaisuus. Yksinkertaistusten määrää voidaan kuvata solupopulaatioiden ja rakenteen huomioimisen kannalta tyypillisellä nelikentällä (kuva) 11

Jatkuva fermentointi Kemostaatissa laimennusnopeus () määrää spesifisen kasvunopeuden Kemostaatti on hyvä tutkimusmenetelmä, jossa prosessi ja solut ovat tasapainotilassa (-) > voidaan tutkia prosessin ja solujen käyttäytymistä eri tasapainotiloissa Miksi panoskasvatus ei ole tasapainotilassa? d F 0 + in d F out 0 ; F F F (kemostaatti) F in out olumassatase: d( ) Fin in + Fout d( ) in 0; out ; out µ d + F d µ F d Jokaisen prosessiin tehdyn muutoksen jälkeen on odotettava uuden tasapainotilan syntymistä; yleensä tämä aika 5 x viipymäaika 5 x (1/) µ d 1 -: steady-state tasapainotila: muuttujien arvot f(t) 12

Tilasuureet ja kemostaatissa Monod n yhtälön avulla: olumassan tuottonopeus (merkitään Q tai R ) Miten ratkaistaan solumassan tuoton kannalta optimaalinen? Ratkaise. Oikea vastaus on: 13 ) ( µ m µ K Y µ K K µ m in m out out out + Jatkuva fermentointi ) ( R µ K Y m in ) (1 0 K K µ m opt +

Jatkuva fermentointi 14

Jatkuva fermentointi solujen palautuksella Kemostaatissa < µ max, muuten solut huuhtoutuvat ulos fermentorista Toimittaessa lähellä µ max on systeemi haavoittuva, koska häiriöt voivat johtaa uloshuuhtoutumiseen Tuotteen volumetrista tuottonopeutta voidaan parantaa palauttamalla osa ulosvirtauksen soluista takaisin fermentoriin solujen konsentroinnin jälkeen* Tyypillinen esimerkki: aktiivilieteprosessi jäteveden puhdistuksessa Mitä ongelmia voit kuvitella liittyvän solujen palautukseen? Kahoot!? 15

Figure 14.30 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

Figure 14.31 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.

Bioprosessitekniikka - olu tuotantolaitoksena 18

Jatkuva fermentointi solujen palautuksella F, F (1+r)F (1+r)F (1-w)F E, E x d/µ, µ Ainetaseet: :n suhteen/ilmastusallas: µ + rf R (1+r)F (1) :n suhteen/koko prosessi: 0 + µ (1-w)F E + wf R (2) Oletetaan että ylite on puhdasta vettä eli: E 0 (1) : µ + rf F F (1 + r r ( 1+ r)f µ (1 + r) F rf R R rf, R, R ) nimellinen laimennusnopeus R F F µ (1 + r) r R µ [1 ( 1) r] R (2) : wf, R, R µ 0 + wf R <> kaikki muodostunut solumassa poistuu ylijäämälietteenä R 19

Fed-batch Usein syöttö on solujen hiililähdettä (esim. glukoosi) hyvin korkeassa pitoisuudessa ja pyrkimyksenä on pitää ko. komponentin pitoisuus fermentorissa lähellä 0 g/l Kaksi tyypillistä tapausta: 1) syöttönopeus on vakio 2) µ on vakio; Mitä on tällöin puolestaan: 1) µ? 2) F? 1) 0 alkutilavuus fermentorissa F syöttönopeus total solumassan kokonaismäärä (g); biomassan pitoisuus (g/l) fermentorissa d total d ( ) d total ( ) total ( t) 0 + F t 2 d total d F µ total ja F ja d d F F ( µ ) 0 µ + F t 0 µ pienenee kasvatuksen edetessä, sillä tilavuus kasvaa ja siten suhde F/ pienenee 2) µ 0 d µ F µ t 0 F µ ln kun F µ e 0 0 d µ t µ t F d e 0 µ µt feed t 0 µ t 0 µt e e µt µ 0 e µ 0 0 ( e 1) µ 20

ideoita aiheeseen liittyen Hyvin perinteinen käymisprosessi https://vimeo.com/74005653 Amerikkalainen rehun valmistaja http://www.diamondv.com/medianews/video-library/research-commitment/ Bioprosessitekniikka - olu tuotantolaitoksena 21