PROSESSI- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN PERUSTA 2013 BIOKATALYYSIN MAHDOLLISUUDET Sanna Taskila Bioprosessitekniikka / Kemiallinen prosessitekniikka 12.12.2013
Biotekniikan määritelmä Biotekniikka yhdistää luonnontieteitä ja insinööritieteitä tavalla, joka mahdollistaa elävien organismien, solujen ja niiden osien ja molekyylien sekä molekyylianalogien hyödyntämisen tuotteiden ja palveluiden tuottamiseksi (EFB: European Federation of Biotechnology) Biotekniikka geenitekniikka tai rekombinantti-dnatekniikka Sanna Taskila 2013 2
Biotekniikan soveltaminen prosesseissa = bioprosessitekniikkaa Biotekniikassa tiedon määrä kasvaa nopeammin kuin millään muulla tieteen osa-alueella, mutta tähän tietoon perustuvien prosessiteknisten sovellusten määrä ei lisäänny samaa vauhtia Alalla on puutetta insinööriosaamisesta sekä riittävän pitkäjänteisestä pääomasta Joillakin alueilla sovelluksia on runsaasti ja niiden taloudellinen, globaali, sosiaalinen... merkitys on todella suuri (esim. lääkkeiden valmistus, elintarvike- ja ympäristöbiotekniikka) (puhutaan myös biotaloudesta) Sanna Taskila 2013 3
Bioprosessitekniikka: suunnittelee ja kehittää laitteita ja prosesseja, joissa käytetään biokatalyyttejä. Prosessiteknologiat Uudet seurantateknologiat, mallien rakentaminen ja verifiointi Älykkäät kasvatusratkaisut Biokatalyyttien kehitys Biokatalyyttien seulonta pienessä mittakaavassa Biomassojen tehokkaampi hyödyntäminen Perinteiset prosessit Sivuvirtojen hajotus ja fermentointi Prosessien skaalaus ja optimointi Tuotteiden puhdistus ja karakterisointi Cells Molecules Processes
Katalyytti = aine, joka nopeuttaa reaktiota kulumatta siinä itse. Raaka-aineen käsittely Polymeerirakenteiden pilkkominen selektiivisesti Tuotantoprosessi Yhdistelmäkatalyysi, biotekninen tuotanto Sivuvirtojen / jätteiden käsittely Ravinteiden poisto, jätteet tuotteiksi
Organismit & solut Eukariootit : eläimet ja kasvit Eukariootit mikro-organismit: homeet, hiivat, levät, alkueläimet) Prokariootit : arkkibakteerit ja varsinaiset bakteerit Sanna Taskila 2013 6
Solujen osat Solujen osia käytetään harvemmin sovelluksissa ja silloin lähinnä eukarioottien osia Sanna Taskila 2013 7
Molekyylit Entsyymiproteiini Sanna Taskila 2013 8 Solun pintamolekyylejä
Bioprosessitekniikassa hyödynnetään erityisesti mikroorganismeja ja entsyymejä = tärkeimmät biokatalyytit Organismit, solut katalyytteinä Solut monistavat itseään = tuottavat solumassaa => vaativat ympäristöstään solumassan kaikki alkuaineet jossain muodossa (mikro-organismit edullisimmillaan yksinkertaisina kemikaaleina = ravinteet) Solut muokkaavat ravinnekomponentteja entsyymiensä avulla ensin monomeereiksi (= aineenvaihdunta eli metabolia) ja niistä edelleen osan polymeereiksi (ml. entsyymit), joista solumassa pääosin koostuu; entsyymien valmistusohjeet ovat DNAssa (= perintötekijät, perimä) Sanna Taskila 2013 9
Organismit, solut katalyytteinä (jatkoa): Aineenvaihdunta muodostuu pitkistä, monimutkaisista, usein haaroittuneista reaktioketjuista (= metaboliareitit) Solut ovat tavallaan katalyyttikimppuja Metaboliareittien haarautumiskohdissa useammat katalyytit (= entsyymit) kilpailevat substraateistaan (eli reaktanteistaan) (sarja- ja rinnakkaisreaktioita) Yleensä bioprosesseissa hyödynnetään vain yhden organismin soluja; organismi valitaan siten, että prosessi on mahdollisimman tehokas : volumetrinen tuottonopeus (g l -1 h -1 ), tuotesaanto substraat(e)ista (g g -1 tai mol mol -1 ), tuotantokustannus ( kg -1 ) Ohessa metaboliareittien esitystapoja Sanna Taskila 2013 10
Sanna Taskila 2013 11
Sanna Taskila 2013 12
Sanna Taskila 2013 13 PROSESSITEKNIIKAN PERUSTA 2010 Biokatalyysin mahdollisuudet
Organismit, solut katalyytteinä (jatkoa): Noin 2 miljoonasta tunnetusta organismilajista suurin osa on mikro-organismeja, joilla on myös suurimmat vaihtelut ominaisuuksissaan => erilaisiin tarkoituksiin löytyy usein paras prosessimikro-organismi Prosessikehitys: Organismin valinta Organismin mahdollinen muokkaus geenitasolla Ravinteiden valinta Prosessityypin valinta (panos, fed-batch, jatkuva, solujen palautus...) Prosessiolosuhteiden valinta Sanna Taskila 2013 14
Miksi/milloin valita solut katalyyteiksi Useiden reaktioiden ketjut edullisista ja saatavilla olevista raakaaineista tuotteiksi (solutehtaat eli cell factories) Stereo- tai muuten spesifiset reaktiot ja kiraaliset tuotteet (esim. L-lysiini, 5-keto-D-glukonihappo) Kemiallisesti monimutkaiset tuotteet (polymeerit, antibiootit, vitamiinit...; esim. proteiinit ja hiilihydraatit, tetrasykliinit, B 12 - vitamiini) Historialliset ja viranomais/kuluttajasyyt (esim. etanoli) Joskus ympäristö- ja kestävään kehitykseen liittyvät syyt (esim. liuottimien, myrkkyjen jne. käytön välttäminen) (sustainability) Energian säästö (reaktio-olosuhteet: T, p...) Sanna Taskila 2013 15
Ksantaani-polymeeri L-lysiini Tetrasykliinit B 12 -vitamiini Sanna Taskila 2013 16
Miksi/milloin valita solut katalyyteiksi Reaktiossa vaaditaan kofaktorin osallistumista (kts. entsyymiosa; esim. elektroninsiirtäjä-komponentti vaaditaan) Kemiallinen katalyytti asettaa raaka-aineelle (reaktantille, substraatille) tai prosessille epärealistisia vaatimuksia (esim. raaka-aineen/tuotteen puhdistaminen, reaktio-olosuhteet...) Kokonaistaloudellisuuden edellyttäessä Sanna Taskila 2013 17
Solut katalyytteina/prosessi Prosessia kutsutaan yleensä nimellä fermentointi (engl. fermentation) tai biotransformaatio (biotransformation) tai biokonversio (bioconversion) Prosessin toteutuksessa useita vaihtoehtoja: panos, toistettu panos, fed-batch, jatkuva, jatkuva solujen palautuksella, useampivaiheinen jatkuva; toisaalta solujen suhteen: vapaat tai immobilisoidut solut; lisäksi: kiinteässä (solid-state) tai nestemuodossa (submerssi, submerge) Immobilisointi: solut liitetään tai suljetaan kiinteään kantajamateriaaliin Prosessi on solujen aineenvaihdunnan mukaan joko aerobinen (solut vaativat happea), mikroaerobinen (happea tarvitaan, mutta hyvin säädellysti ja vähän) tai anaerobinen (happea ei tarvita tai ei siedetä) Sanna Taskila 2013 18
Bioprosesseja From cells to cells From compound 1 by biocatalysts to compound 2 From cells by cells to compounds Sanna Taskila 2013 19
Solut katalyytteina/prosessi Kullakin organismilla on tarkat vaatimukset prosessiolosuhteiden suhteen; lisäksi itse prosessi (esim. haluttu aineenvaihdunta) voi vielä rajata näitä olosuhteita Tärkeitä olosuhdetekijöitä: vesipitoisuus, T, ph, liuenneen hapen osapaine (po 2 ), ravinnepitoisuudet, aseptisuus (=> puhdasviljelmä), korkea homogeenisuusaste Solut käyttävät vain veteen liuennutta happea; happi erittäin niukkaliukoinen veteen (n. 8 mg l -1 30 o C:ssa) => jatkuva liuottaminen Erityisesti solumassaa tuotettaessa vapautuu lämpöä: eksoterminen tapahtuma (n. 460 kj/mol kulutettua happea) => lämmönsiirto = T-säätö Solujen toiminta usein muuttaa ympäristönsä ph:ta (happojen/ emästen tuotto/kulutus) => ph-säätö emästä/happoa lisäämällä Sanna Taskila 2013 20
Solut katalyytteina/prosessi Tärkeitä insinööriaspekteja: Lämmönsiirto (toteutus vaipan avulla; organismityyppi vaikuttaa: useimmat mesofiileja (T: 25-40 o C); myös termofiilejä (T: 40-80 o C) ja hypertermofiilejä (T: 80-120 o C) Aineensiirto: erityisesti hapen osalta, jolloin ajava voima (DC) on erittäin pieni; toisaalta aineensiirto partikkeleihin ja partikkeleissa (immobilisoidut solut) Sekoituksen vaikutus homogeenisuuteen, lämmönsiirtonopeuteen, aineensiirtoon, soluihin, fluidin (solut+neste) viskositeettiin Laite- (fermentori) suunnittelu => aseptiikka & sterilointi Taloudelliset indikaattorit: volumetrinen tuottonopeus => laitteiden/laitoksen koko (investointi); tuotesaanto => raakaainekustannukset Sanna Taskila 2013 21
Solut vs. kemialliset katalyytit Osa raaka-aineista kuluu solumassan tuottoon => tuotesaanto Perinteisesti solumassan tuotto on osa prosessia (tuotetaan ns. siirrostevaiheissa asteittain fermentoritilavuutta kasvattamalla) Yleensä solut sietävät selvästi alhaisempia reaktanttipitoisuuksia kuin kemialliset katalyytit => tuotepitoisuudet Solut ovat hitaita: tyypillinen volumetrinen tuottonopeus perinteisissä prosessitoteutuksissa: 2-4 g l -1 h -1 Soluja voidaan kierrättää Ylijäämäsolumassa hyödynnettävissä, mutta taloudellinen arvo alhainen Solujen ominaisuuksia voidaan muuttaa => GMO (geneettisesti muunnetut organismit); esim. metabolian muokkaus: solut saadaan sopivien geenien siirroilla/poistamisilla yms. tuottamaan yhdisteitä, joita ne eivät luonnostaan ole tuottaneet (= metabolian muokkaus = metabolic engineering) Sanna Taskila 2013 22
Tyypillinen fermentointiprosessi Siirrosteen tuotto Tuotantofermentointi Tuotteen puhdistus (= jälkikäsittely) Jätteiden käsittely Sanna Taskila 2013 23
Entsyymit katalyytteina Entsyymit ovat aktiivisia proteiineja, jotka katalysoivat reaktioita (= alentavat katalysoimansa reaktion aktivoitumisenergiaa) kulumatta itse reaktiossa (teoriassa kyllä, käytännössä entsyymin aktiivisuus usein pikku hiljaa alenee) Entsyymejä ei annostella reaktioseoksiin painon vaan aktiivisuuden mukaan (1 U = 1 µmol min -1 ; 1 nkat = 1 nanokatal = 1 nmol s -1 ) Usein reaktio-/substraatti-/stereospesifisiä Entsyymit luokitellaan katalysoimansa reaktion mukaan 5 luokkaan, joista prosessisovelluksia on eniten hapetus/pelkistys- (dehydrogenaasit ja oksidaasit) entsyymeillä, intramolekulaarisia muutoksia aikaansaavilla entsyymeillä (isomeraasit) sekä hydrolyyttisillä (hydrolaasit) entsyymeillä Sanna Taskila 2013 24
Entsyymit katalyytteina (jatkoa) Hydrolaasit liittävät kemiallisiin sidoksiin vettä katkaisten sidoksen; esim.: Biokatalyysin mahdollisuudet Entsyymi + H 2 O ----------> + + sakkaroosi glukoosi fruktoosi Sanna Taskila 2013 25
Entsyymit katalyytteina (jatkoa) Hapetus/pelkistysentsyymit siirtävät elektroneja/vetyä/happea käyttäen hyväksi reaktioseoksessa olevaa elektroninsiirtäjää Entsyymi + NADH 2 ----------------> + NAD glukoosi D-sorbitoli Elektroninsiirtäjä (NADH 2 /NAD) on kallis komponentti => käytetään joko soluja (joissa tarvittavat entsyymit ja elektroninsiirtäjä syntetisoituvat ja NAD regeneroituu (pelkistyy) takaisin NADH 2 :ksi tai yhdistetään 2 reaktiota: toinen hapetus toinen pelkistys Sanna Taskila 2013 26
Entsyymit katalyytteina (jatkoa) Isomeraasit muuttavat substraattinsa sisäistä rakennetta, esim. glukoosiisomeraasi Glukoosi-isomeraasi -----------------------> D-glukoosi D-fruktoosi Sanna Taskila 2013 27
Entsyymit katalyytteina Lähteistään eristetyt entsyymit ovat bioprosessiteollisuuden tärkeitä tuotteita, joita hyödynnetään muualla teollisuudessa hyvin laajasti (elintarvikeprosesseissa, sellu- ja paperiteollisuudessa, ympäristötekniikassa, erilaisten biopolymeerien käsittelyssä, biojalostamoissa, kemian teollisuudessa...) Entsyymejä voidaan käyttää liuosmuodossa, jolloin niitä yleensä ei voi kierrättää tai käyttää yhtä kertaa useammin; tällöin entsyymin hinnan tulee olla hyvin alhainen tai entsyymin avulla tuotetun tuotteen hinnan hyvin korkea Kuten soluja myös entsyymejä voidaan immobilisoida => kierrätys tai käyttö jatkuvassa prosessissa yleensä kolonnissa, jonka läpi substraattiliuos syötetään jatkuvana virtana Sanna Taskila 2013 28
A540/% Biokatalyysin mahdollisuudet Entsyymit katalyytteina Kuten soluilla myös entsyymeillä on toiminnan (= aktiivisuuden) kannalta optimaaliset olosuhteet (lähinnä T, ph, reaktanttien pitoisuudet, aktivaattorien ja inhibiittorien pitoisuudet) ja toisaalta ehdottomat rajat olosuhteille, joiden ulkopuolella ensyymit menettävät irreversiibelisti (= palautumattomasti) aktiivisuutensa xynii, Y5 enzyme activity ph act. xynii vs ST6 120 xynii 120 ST6/Tris 100 80 60 40 Y5 Act. /% 100 80 60 40 ST6/sf xynii/sf xynii/tris 20 20 0 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Temp/ºC 0 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 ph Sanna Taskila 2013 29
Entsyymit katalyytteina 1-faasisysteemeissä (täysin liukoiset reaktantit ja entsyymit) reaktionopeus määräytyy yleensä reaktion alkuvaiheessa (s.o. substraatti ei rajoita) käytetyn entsyymiannostuksen mukaan, myöhemmin substraattipitoisuuden aletessa jossain vaiheessa (riippuu entsyymistä) alkaa substraattipitoisuus myös vaikuttaa reaktionopeuteen: Michaelis-Menten kinetiikka Immobilisoiduilla entsyymeillä myös aineensiirtonopeus voi rajoittaa reaktionopeutta Kiinteillä substraateilla joudutaan käyttämään liukoisia entsyymejä (esim. biomassojen sisältämien polymeerien hydrolyysissä) Sanna Taskila 2013 30
YHDISTELMÄKATALYYSI - kemiallisen ja biokatalyysin yhdistelmä BIOKATALYYTTI (SOLU TAI ENTSYYMI) Spesifisyys Enantioselektiivisyys Regioselektiivisyys Miedot olosuhteet KEMIALLINEN KATALYYTTI (HETERO- TAI HOMOG.) Tehokkuus
Bruggink et al. Concepts of Nature in Organic Synthesis: Cascade Catalysis and Multistep Conversions in Concert. Organic Process Research & Development 2003, 7, 622 640
TEHTÄVÄ Voidaanko biokatalyyttejä hyödyntää tarkastelunne kohteena olevassa tuotantoprosessissa joko korvaamalla koko prosessi tai osia siitä bioteknisellä ratkaisulla? Perustelut? Miten? Mitä katalyyttejä käyttäen? Onko jo olemassa toteutettuja ratkaisuja? Miten prosessi /raaka-aineet tms. muuttuvat? Muuttuuko mittakaava (laitoskoko)? Biokatalyysin edut/haitat ko. prosessissa? Tekniikan kypsyys (kehitysvaihe: ideataso/laboratoriotaso/demonstraatio/kypsä)? Miksi ei? Miten prosessia pitäisi muuttaa, jotta hyödyntäminen olisi mahdollista? Millaisia ympäristövaikutuksia prosessilla on? Miten prosessin tuottamia sivu- ja jätevirtoja pitäisi käsitellä? Voidaanko niiden käsittelyssä soveltaa bioprosessitekniikkaa (esim. biologinen jäteveden puhdistus, kiinteiden jätteiden kompostointi tai mädätys, raskasmetallien ym. myrkyllisten komponenttien poisto jne.)? Sanna Taskila 2013 33