CHEM-C2310 Bioprosessitekniikka kevät 2019 BIOprosessitekniikka - Johdanto
BIOprosessitekniikka - Johdanto Tero Eerikäinen 1979 TKK Kemia 1980-1981 Laivasto 1986 DI 1989 TkL 1993 TkT 1991-1992 Detmold Saksa; tutkija 1989-1998 TKK laboratorioinsinööri 1998-2003 TKK yliassistentti 2003-2015 TKK opettava tutkija 5/2015-7/2015 Aalto yliopisto-opettaja 8/2015 7/2016 Aalto research fellow 8/2016 Aalto yliopisto-opettaja
Bioprosessitekniikka CHEM-C2310 Kurssin suoritettuaan opiskelija osaa: Kuvailla biotekniikkaa teollisuuden alana ja sen tuotteita ja menetelmiä sekä sovelluksia eri alueilla ja käsitellä teollisen biotekniikan mahdollisuuksia ja haasteita Esittää bioprosesseissa esiintyviä siirtoilmiöitä (aine- ja energia-) kvalitatiivisesti ja kvantitatiivisesti sekä esittää arvioita biologisten komponenttien (solut, proteiinit, substraatit, tuotteet, entsyymit) käyttäytymisestä prosessiolosuhteissa Tunnistaa aseptiikan vaatimukset laite- ja prosessiratkaisuissa sekä käytännön toteutuksessa Konseptitasolla yhdistää bioprosessitekniikan yksikköoperaatioita prosessiratkaisuiksi ja tunnistaa näissä esiintyviä ilmiöitä ja vaikuttavia tekijöitä Muodostaa yksinkertaisia aine- ja energiataseisiin sekä differentiaaliyhtälöihin perustuvia prosessimalleja solu- ja entsyymiprosesseille Nimetä bioprosessien avainmuuttujat ja kuvailla niihin liittyviä mittaustekniikoita ja laskennallisia ratkaisuja sekä prosessien säädön periaatteita. 3
Bioprosesseihin liittyviä uutisia 4
Kurssilla käsiteltävää sisältöä Entsyymit: entsyymit teollisina tuotteina, tasapainoreaktiot, käytännön kinetiikka, reaktioiden termodynamiikka, toiminta reaktoreissa, immobilisoidut entsyymit ja aineensiirron vaikutukset periaatetasolla Solut: toiminta reaktoreissa, kasvun ja tuoton kinetiikka ja kvantifiointi, dynaamiset ilmiöt, prosessien toteutustavat ja niihin liittyvät yksinkertaiset matemaattiset ratkaisut, aineenvaihdunnan perusteet. (Bio)reaktorit: tyypilliset ratkaisut, siirtoilmiöt, scale-up/scale-down suunnittelu- ja tutkimusmenetelminä, aseptiikka reaktorien suunnittelussa, mittaus- ja säätötekniset ratkaisut. Prosessit: tyypillisten yksikköoperaatioiden perusteet, aine- ja energiataseiden hyödyntäminen, biologisten tekijöiden huomioon ottaminen prosessisuunnittelussa. Ilmiöiden, operaatioiden ja prosessien matemaattisen mallintamisen perusteet erityisesti biokomponentit huomioiden. 5
Opetusmateriaalit & kurssin suoritus E-kirja: Pauline M. Doran: Bioprocess engineering principles, 2. painos, 2012, soveltuvin osin; luettavissa linkistä: http://libproxy.aalto.fi/login?url=http://www.sciencedirect.com/science/book/978012220 8515 Luento- ja laskuharjoitusmateriaalit täydennettynä omilla muistiinpanoilla Kotitehtäviä, joista saa lisäpisteitä Arvostelu: tentti: max 30 p (tehtävät 6 + 6 + 8 + 10 = 30 p) kotitehtävät: max 10 p yhteensä max 40 p; min 16 p Bioprosessitekniikka CHEM-C2310 - Johdanto 6
Bioprosessitekniikkaa suomenkielellä (apu/lisämateriaali) 7
BIOPROSESSITEKNIIKKA Kevät-2019 Ohjelmakaavailu Viikko Päivä Pvm Klo Paikka Luento/laskuharjoitus Kirjan luku 9 Ti 26/02/2019 10:15-11:45 Ke2 1. Johdanto 1;3 To 28.2. 8:30-10:00 Ke2 Laskuharjoitus 1 (Kasvukinetiikka) 3;12 10 Ti 5.3. 10:15-11:45 Ke2 2. Solu tuotantolaitoksena 3;4;5 To 7.3. 8:30-10:00 Ke2 Laskuharjoitus 2 (stoikiometria) 4 11 Ti 12.3. 10:15-11:45 Ke2 3. Kasvatusmenetelmät 14 To 14.3. 8:30-10:00 Ke2 Laskuharjoitus 3 (taseet) 4 12 Ti 19.3. 10:15-11:45 Ke2 4. Fermentorit 14 To 21.3. 8:30-10:00 Ke2 Laskuharjoitus 4 (kemostaatti) 14 13 Ti 26.3. 10:15-11:45 Ke2 5. Aseptiikka 9;14 To 28.3. 8:30-10:00 Ke2 Laskuharjoitus 5 (sterilointi) 12;14 14 Ti 2.4. 10:15-11:45 Ke2 6. Aineensiirto 7;8;10 To 4.4. 8:30-10:00 Ke2 Laskuharjoitus 6 (kla) 10 15 9.4. Tenttiviikko 11.4. 16 Ti 16.4. 10:15-11:45 Ke2 7. Bioteollisuuden yksikköoperaatiot 11 To 18.4. 8:30-10:00 Ke2 Laskuharjoitus 7 (suodatus) 11 Ti 7.5. 13:00-16:00 Bioprosessitekniikan tentti 8
Biotekniikka Biotekniikka yhdistää luonnontieteet ja insinööritieteet siten, että organismeja, soluja, solun osia tai molekyylianalogeja voidaan soveltaa tuotteiden ja palvelujen tekemiseen Bioprosessitekniikka Bioprosessi perustuu biokatalyyttien toiminnan hyödyntämiseen. Bioprosessitekniikka tutkii, kehittää ja soveltaa bioprosesseja. Biotekniikan värit Kurssilla näitä: ( ) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 9
Punainen biotekniikka vs. valkoinen biotekniikka Laitosinvestointi ja käyttökustannukset!
Miten biotekniikka hyödyttää meitä? 11
12
Proteiinia ilman hiilidioksidista ja auringonvalosta: https://www.youtube.com /watch?v=jd2pxu59gc4 https://www.youtube.com /watch?v=wjb5mifafyo Juha-Pekka Pitkänen, VTT Historiaa, penisilliinin valmistus: https://www.youtube.com /watch?v=utfls8eje20 13
CALCULATION TOOLS Kemisti-insinööri vs. bioinsinööri? Bioreaction Engineering Principles CATALYST PERFORMANCE Steady-state balances Cell/enzyme kinetics Stoichiometry Reaction rates Unstructured Structured Energetics BIOREACTOR PERFORMANCE Mass transfer Ideal reactor Mixing Insinöörilaskennan ja biotieteiden yhdistäminen Kvantitatiivinen tarkastelu Scale-up Modified from: Villadsen, Nielsen, Liden: 14 Bioreaction Engineering Principles, 3rd Ed. 2011
Biotekniikka tuotantotekniikkana Massatuotteet/ hienokemikaalit Tuottoisäntiä Mikrobit Kasvisolut Nisäkässolut Hyönteissolut Suomi tunnetaan myös entsyymiteollisuudestaan BIOprosessitekniikka - Johdanto
Milloin biotekninen prosessi? Biotekninen prosessi kilpailee usein muiden menetelmien kanssa Tuotantoprosessi Valinnan ratkaisee esimerkiksi Hinta Tuotteen monimutkaisuus Ympäristöystävällisyys Mikä on mahdollistanut bioteknisten prosessien kehittymisen? BIOprosessitekniikka - Johdanto
Bioprosessin kehitystyö
http://www.finbio.net/download/biotech-week_2013/jari-vehmaanpera.pdf 18
Eräitä soluprosessien tuotteita Tuote Tuottaja Tuotanto Sovellus Käymistuotteet Hiivat, mh-bakteerit 1 000 Mt/a olut, viini, meijerituotteet 600 000 M /a Etanoli S. cerevisiae 90 Mt/a kemikaali,juoma,polttoaine 60 000 M /a Antibiootit Homeet,bakteerit, 20 000 t/a antimikrobilääkkeet (Streptomyces spp.) 25 000 M /a Vitamiinit bakteerit, fungit 150 M /a lääkkeet, rehut, elint. (B 12,B 2,C) Aminohapot bakteerit 2 Mt/a elint., rehut (MSG,Lys,Thr) (Corynebacterium spp.) 2500 M /a Orgaaniset hapot homeet, bakteerit 3 Mt/a elint., kemikaalit, muovit 2000 M /a Paksunnos- bakteerit 0,1 Mt/a elint., kosmetiikka, aineet öljynporaus Entsyymit homeet, bakteerit 3300 M /a pesuaineet, rehut, hiivat elintarv., lääkkeet, Terapeuttiset hiivat, bakteerit, > 120 000 M /a lääkkeet proteiinit eläinsolut Solumassat S. cerevisiae,startterit 0,5 Mt/a elintarvikkeet 19
L-lysiinin biosynteesi Valmistaisitko L-lysiiniä fermentoimalla vai synteettisesti? Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 20
Eräitä fermentointituotteita Acetobacter sp. Etikkahappo CH 3 COOH Corybacterium glutamicum L-lysiini Maitohappobakteerit Nisiini Propionibacterium sp. B 12 -vitamiini Yksinkertaiset, ei kiraaliset yhdisteet (historia, turvallisuus, talous) Pienet kiraaliset molekyylit Monimutkaiset orgaaniset yhdisteet Tietyn rakenteen ja tarkan koostumuksen omaavat polymeerit (entsyymit, peptidit, muut proteiinit, polysakkaridit) Aspergillus-home α-amylaasi 21
Entsymaattisten prosessien tuotteita Tuote Entsyymi Tuotanto Sovellus Glukoosisiirappi α-amylaasi, glukoamylaasi, 12 Mt/a (dw) elintarvikkeet pullulanaasi 4000 M /a Maltoosisiirappi α-amylaasi, β-amylaasi elintarvikkeet HFCS kuten glukoosisiirappi + 8 Mt/a (dw in USA) elintarvikkeet glukoosi-isomeraasi 3000 M /a (USA) Aspartaami Thermolysin (proteaasi) 20 kt/a elintarvikkeet 500 M /a (intensiivimakeuttaja) Akryyliamidi Nitriilihydrataasi 150 000 t/a* kemikaalit (polyakryyliamidi) 500 M /a Psikoosi D-tagatoosi-3-epimeraasi elintarvikkeet (low-caloriemakeuttaja) *: bioteknisesti dw = dry weight 22
http://www.finbio.net/download/biotech-week_2013/jari-vehmaanpera.pdf
Kahoot!-tauko Älypuhelimella (valmis sovellus saatavilla) tai tietokoneelle yhteys http://kahoot.it Luo oma tunnus, jos ei vielä ole Saat opettajalta tunnusluvun (pin) kysymyssettiin Syötä pin ja anna joku oma käyttäjänimi Opettaja käynnistää kysymykset Opiskelijat vastaavat värikoodein kysymyksiin. Vastausaika on useimmiten lyhyt, n. 30 s Tämä ei ole vakavaa! 24
LASKENTAAN JA DATAN ESITTÄMISEEN LIITTYVIÄ NÄKÖKOHTIA 25
Figure 3.6 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Yksisoluisten organismien kasvun kinetiikka ) ( 1 2 ) ( 1 2 1 2 1 2 ) ( ) ( ) ( ) ( tai ) (0) ) ( ln( (0) ) ( t t µ t t µ t µ e t N t N e t X t X µ t X t X e X t X = = = = µ = spesifinen kasvunopeus kun solut kasvavat eksponentiaalisesti µ = vakio eli µ f(t) X(t): solumassan pitoisuus tai määrä hetkellä t N(t): solujen lukumäärä hetkellä t
Laskekaa virheen vaihteluväli ln(y):lle kun virhe y:n arvolle ± 0,5 ja y:n vaihteluväli on 5 15: Error bars represent a constant error in y, in this case equal to B/2 Figure 3.8 FIGURE 3.8 Transformation of constant errors in y after (a) taking logarithms or (b) inverting the data. Errors in ln y and 1/y vary in magnitude as the value of y changes even though the error in y is constant. Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Logaritmiset kuvaaja (log-log-plot) Figure 3.9 Two frequently occurring nonlinear functions are the power law and the exponential function. These relationships are often presented using graph paper with logarithmic coordinates. Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Semi-log-plot Figure 3.11 Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved.
Valmis logaritminen asteikko ja kuvaaja Figure 3.10 Valmis puolilogaritmiasteikko ja -kuvaaja
Fermentointiin perustuva prosessi Upstream Production Downstream -Tuotantoprosessista lohkokaavio -Koetehdaslaitteiston suunnittelu -Täydennetään prosessin ainetaseilla -Tutkitaan prosessiolosuhteiden vaikutus -Lasketaan aine- ja energiataseet -Lasketaan hyödykkeiden määriä Terapeuttisten proteiinien tuotannossa jopa 80-90 % tuotantokustannuksista 32
Esim. fermentointiin perustuva prosessi Kasvusto petrimaljalla Siirrostuslinja (huom: tässä labrafermentoreja) Tuotantofermentorit (n. 1 500 m 3 ) Pakattu tuote Ultrasuodatusyksikkö Vakuumirumpusuodatin 33
Esimerkkejä BioPharmax insuliinitehtaan toteutus: https://www.youtube.com/watch?annotation_id=annotation_339279745 3&feature=iv&src_vid=-_LCGuK3Q1g&v=JCA_jr19FrM GE: KUBio modular biopharma facility built in Germany, assembled in China https://www.youtube.com/watch?v=jedhsppd4xo GE: FlexFactory Single-use Bioprocess Platform https://www.youtube.com/watch?v=k39lywnofk8 34
Figure 3.14 FIGURE 3.14 Process flow sheet showing the major operations for production of bacitracin. Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved. 35
Figure 3.15 FIGURE 3.15 Quantitative flow sheet for the downstream processing of 2,3- butanediol based on fermentation of 1000 bushels of wheat per day by Aerobacillus polymyxa. Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved. 36
Entsymaattinen prosessi (HFCS) Corn-derived starch is converted into D-glucose The glucose liquor feed is fed in a down-flow manner into a series of fixed bed IGI reactors D-glucose syrup is converted into a HFCS-42 mixture containing Chromatographic enrichment to HFCS-90 HFCS-90 blended with HFCS- 42 to produce HFCS-55
Entsymaattiset prosessit Amylolyyttiset entsyymit halpoja => käytetään kertapanoksina ilman kierrätystä ja talteenottoa; osa myös tuhoutuu (inaktivoituu) prosessissa Glukoosi-isomeraasi hieman kalliimpi => immobilisoidaan kiinteään kantajamateriaaliin ja käytetään kolonneissa (kuvassa) useiden kuukausien ajan 38
Bioprosessit tuotantoinsinöörin näkökulmasta kasvatusalustan kehitys kasvatusolosuhteet kasvatustekniikka kasvukinetiikka ainetaseet virtausdynamiikka reaktorin ominaisuudet mittaus ja säätö mallinnus jälkikäsittely yksikköoperaatiot minimi / kompleksi ph, T, ilmastus panos,.. jatkuva nopeudet mittaa ja laske sekoitus, massansiirto dimensiot, scale-up on-, offline, fysikaaliset black-box, talteenotto, puhdistus erotus, sekoitus BIOprosessitekniikka - Johdanto