BIOREAKTORIT CHEM C2310 Bioprosessitekniikka Tero Eerikäinen

Bioreaktorit Reaktorin tyyppi: sekoitussäiliö, ilmastuksella ohjattu ilman mekaanista sekoittamista, tulppavirta, kiinteän olomuodon Reaktorin koko: mikro, laboratorio, pilot, teollinen reaktori Toimintatapa: eräkasvatus, syöttöpanos, jatkuvatoiminen Reaktorin olosuhteet: lämpötila, ph, liuennut happi, kontaminaation esto Tuotteet esim.: biomassa (leipurin hiiva), aineenvaihduntatuotteet (etanoli, maitohappo), biokonversiota (HFCS), solunsisäinen tuotteet (antibiootit, rekombinanttiproteiinit, entsyymit)

Eräkasvatus Ilmastus Eräkasvatus Poistokaasut Tilavuuden muutos: dv 0 dt Substraattitase: V dc dt s X ( mx) V Y X / S Biomassatase: dx V XV dt

Syöttöpanoskasvatus XV X F dt dx V V mx Y X c c F dt dc V F dt dv in S X s f s in s in Biomassatase: ) ( ) ( Substraattitase: Tilavuuden muutos: / Poistokaasut Ilmastus Substraatti Syöttöpanoskasvatus (Fed-batch cultivation)

Jatkuva kasvatus Tilavuuden muutos: dv Fin Fout 0 dt Biomassatase dx X DX dt Laimennosnopeus D: F D V Substraatti Poistokaasut Ilmastus Tuote Kemostaattikasvatus Substraattitase: dcsi, f rs, ix D( cs, i cs, i) dt Tuotetase: dcp f rx p Dc ( p cp) dt Makromolekyylit: dx macro, i r X dt Aineenvaihduntatuotteet: dc met, i dt r macro, i macro, i c met, i met, i

Bioreaktorityyppejä 3 perustyyppiä: CSTR (continuously stirred tank reactor; mekaaninen sekoitus) Kuplakolonnireaktori (bubble column) Ilmanostereaktori (air-lift ) Tehtävät: Olosuhteiden ylläpito (T, ph, homogeenisuus, pitoisuudet ) Aineen- ja lämmönsiirto Aseptisen prosessoinnin mahdollistaminen CSTR kuplakolonni air-lift

Bioreaktorityyppejä CSTR: Mekaaninen sekoitus => tehokas aineen- ja lämmönsiirto Korkea energian tarve (kw/m 3 ); osa muuttuu lämmöksi Aerobiset fermentoinnit (hapen- ja lämmönsiirto; OUR => HER) Mikrobifermentoinnit (kestävät leikkausvoimia) Viskoosit kasvuliuokset (rihmamaiset organismit, paksunnosaineiden tuotto) Sekoitusakselin läpivientihaaste (aseptisuus!) Fermentorin geometria H/T : 3 5 Kuplakolonni ja air-lift: Ilmastus (ja CO 2 :n tuotto) toimii sekoittimena Vähäisempi energian tarve (ilmantarve suuri) Alhaiset leikkausvoimat Ei viskooseille kasvuliuoksille Ei sekoitusakselia Käytössä esim. leivinhiivan tuotannossa Fermentorin geometria H/T : 4 10 Rushtonturbiini (6 lapainen, suljettu) Kantosiipi Lapasekoitin Ankkurisekoitin Potkuri Koveramuotoinen 10

Fermentorin osat D b Täyttöaukko Vaahdon rikkoja Sek.akselin läpivienti Sekoitusmoottori Reflukseri Ilman ulostulo Pinta-anturi T D i D d H Ylivuoto Lämmönsiirtopinta Lämmönsiirtovaippa Lasi (< 10L) tai teräsastia Fermentorin geometria Lämmitys/jäähdytys Sekoittimen lapa ph anturi Ilmastusrengas Haittalevy (baffle) DO-anturi Lämpötila-anturi 0.22 suodatin Paineilma Ulostulo

Lab-scale < 50 L Pilot-scale 50-10,000 L Industrial scale 10,000-500,000 L Sekoitusreaktoreita laboratoriosta teolliseen mittaan

Bioprocessing Part 1: Fermentation: https://www.youtube.com/watch?v=5ekdz0dvcco (tuotteet, kasvukinetiikka ja fermentorin valmistelu ja fermentointi (GFP, n. 15 min)

Erikoisreaktoreita Suutinreaktori Suuret k L aarvot Suuret leikkausvoimat Syklonireaktori Suuret k L aarvot Aineensiirron tehostaminen: Suutinreaktorissa kasvatusliuosta kierrätetään pumpun avulla. Suuttimessa liuos yhdistyy ilma tai kaasuvirtaan, joka hajoaa pieniksi kupliksi, jolloin aineensiirto tehostuu Syklonireaktorissa synnytetään ulkoisella pumpulla kasvatusliuokseen pyörre perforoidun alaosan kautta. K L a arvot voivat olla yli 3000/h kun sekoitusreaktorilla parhaimmillaan noin 500/h

Oluen valmistusprosessi http://www.beertanks.eu/offer/tanks/cylindroconical fermentation tanks pressure/

Olutfermentorit Sylinterimäinen kartiomainen fermentori Erikoispainesäiliö, jossa on kartiomainen pohja Suunniteltu oluen molemmille fermentointivaiheille: pääkäyminen, nopea fermentointi oluen kypsymisen eli sekundäärinen, hidas käyminen. Pääkäyminen tapahtuu lievässä ylipaineessa tai ilman ylipaineita. Hiiva erotetaan sedimentoinnilla nuoresta oluesta Sekundäärinen käyminen alkaa paineen alaisena alhaisessa lämpötilassa. Molemmat käymisprosessin tapahtuvat tavallisesti samassa säiliössä tai olut siirretään toiseen puhdistettuun säiliöön primaarisen käymisen jälkeen

Kiertoreaktorit ja solukierrätys Kuvassa yksisoluproteiinin valmistukseen käytetty 400 m 3 :n jatkuvatoiminen kiertoreaktori. Kierto tapahtuu mekaanisten sekoittimien avulla. Kaasuja kuten ilmaa voidaan lisätä useista eri kohdista. Kemostaatti vs. solukierrätys Kierrätys mahdollista esim. suodatukseen tai sentrifugointiin perustuvilla menetelmillä Soluja kierrättävä laite voi olla reaktorin sisäinen (linkosuodatin) tai ulkoinen (monet kalvosuodattimet, sentrifugit yms.) Kuvassa linkosuodatinreaktori

Valobioreaktori Putkimainen valobioreaktori Eva Decker University Freiburg, AG Reski Ralf_Reski Leväkasvatusallas IGV Biotech ccres aquaponics.blogspot.com Valobioreaktorit ovat suhteellisen kalliita konstruktioita ja soveltuvat lähinnä mikrolevillä tuotettavien kalliiden lisäravinteiden tai esim. kosmetiikassa käytettävien kemikaalien valmistukseen

600 L wave bioreaktori https://www.youtube.com/ watch?v=csv_uzwf6oe 10 L wave reaktori

Ilmanostereaktorit Keskiputki (draft tube) tehostaa aineen- ja lämmönsiirtoa kuplakolonniin verrattuna Kuplakolonnin hyvät ominaisuudet Aerobiset fermentoinnit Ei kovin viskooseille kasvuliuoksille Kohtuullisten leikkausvoimien ansiosta sopii myös joillekin nisäkässoluille (mammalian cells) Fermentorin geometria H/T : 4 7 Aineen- ja lämmönsiirtoa voidaan tehostaa lisäämällä lämmönsiirtoputkia ja/tai reikälevyjä keskiputkeen Tower fermentor (continuous with cell retention) 25

Kiertoliike näissä reaktoreissa perustuu tiheyseroihin. Mitataan esimerkiksi kaasunpidätyskykyä (gas holdup) ja kiertonopeutta (superficial gas velocity = tilavuusvirtaus per poikkipinta-ala) Figure 14.7 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved. 26

Englantilaisen ICI:n 1500 m 3 :n ilmanostereaktori Korkeus: 61 m Halkaisija: 8 m

Putkireaktorit Putkireaktorit: Pysty tai vaakatasossa Käytetään usein kiinteitä kantajamateriaaleja Pakatut petireaktorit (biokatalyytti ja kantajamateriaali pakataan päätylevyillä tiiviiksi pediksi) Leijupetireaktori Pakattu peti (syöttö ylhäältä) Leijupeti (syöttö alhaalta) Leijupeti (ylivuoto)

Pakattupetireaktori - Immobilisoidut solut tai entsyymit - Aspartaatin ja fumaraatin valmistus - Penisilliinin modifiointi - Vasta-aineiden tuotto Figure 14.8 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved. 29

Medix Biochemica Yhdessä bioreaktorissa muhii veren tulehdustekijä CRP:tä sitovia vastaaineita tuottavia soluja. Ne kasvavat oransseissa putkiloissa olevissa nitroselluloosasta tehdyissä onttokuitukapillaareissa ja saavat ravinnokseen vaaleanpunaista ravintoliuosta. Väri tulee philmaisimesta. Jos väri muuttuu, liuos on joko liian hapanta tai liian emäksistä.

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

Tuunattu bioreaktori Kahootaanko? http://www.mcmenamins.com brewery in Portland, Oregon)