Bioprosessitekniikka 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- TKK opettava tutkija 5/2015 Aalto yliopisto-opettaja 8/2015 7/2016 Aalto research fellow 8/2016 Aalto yliopisto-opettaja BIOprosessitekniikka - Johdanto
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. Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 3
Sisältö Entsyymit: entsyymit teollisina tuotteina, tasapainoreaktiot, käytännön kinetiikka, reaktioiden termodynamiikka, entsyymien toiminta molekyylitasolla, toiminta reaktoreissa, immobilisoidut entsyymit ja aineensiirron vaikutukset periaatetasolla, koentsyymien tarve ja regeneraatio, inaktivoituminen ja sen kinetiikka, entsyymin annostelu Solut: toiminta reaktoreissa, kasvun ja tuoton kinetiikka ja kvantifiointi, dynaamiset ilmiöt, prosessien toteutustavat ja niihin liittyvät yksinkertaiset matemaattiset käsittelyt, aineenvaihdunnan perusteet systeemisessä tarkastelussa. (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 huomioonottaminen prosessisuunnittelussa. Ilmiöiden, operaatioiden ja prosessien matemaattisen mallintamisen perusteet erityisesti biokomponentit huomioiden. Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 4
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-, laboratoriotyö- ja laskuharjoitusmateriaalit täydennettynä omilla muistiinpanoilla Kotitehtäviä, joista saa lisäpisteitä Arvostelu: tentti: max 30 p (tehtävät 6 + 6 + 8 + 10 = 30 p) kotitehtävät: max 5 p labratyö: max 5 p yhteensä max 40 p; min 16 p Laboratorioturvallisuuskurssi CHEM-A1010 tai CHEM-E0140 (tai vaihtoehtoisesti työturvallisuusosio, joka on opetettu kursseilla CHEM-A1000 tai CHEM-E0100 ennen lukuvuotta 2017-2018) on oltava suoritettuna ennen laboratoriotöiden aloittamista. Bioprosessitekniikka CHEM-C2310 - Johdanto 5
Bioprosessitekniikkaa suomenkielellä (apu/lisämateriaali) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 6
BIOPROSESSITEKNIIKKA Kevät-2017 Ohjelma Pvm Klo Paikka Luento/laskuharjoitus Viikko Päivä Pvm Klo Mikrobikasvatus Entsymaattinen reaktio 28.2.2017 10:15-11:45 Ke1 Johdanto 9 Ti 28.2.2017 12:00-16:00 3.3. 10:15-11:45 Ke2 Laskuharjoitus 1 (Kasvukinetiikka) To 2.3. 12:00-16:00 7.3. 10:15-11:45 Ke1 Solu tuotantolaitoksena 10 Ti 7.3. 12:00-16:00 10.3. 10:15-11:45 Ke2 Laskuharjoitus 2 (stoikiometria) To 9.3. 12:00-16:00 13.3. 15:15-16:45 Ke1 Solu tuotantolaitoksena 11 Ti 14.3. 12:00-16:00 17.3. 10:15-11:45 Ke2 Laskuharjoitus 3 (taseet) To 16.3. 12:00-16:00 21.3. 10:15-11:45 Ke1 Fermentorit 12 Ti 21.3. 12:00-16:00 Ryhmä2: Mikrobikasvatus Ryhmä1: Entsyymireaktio 23.3. 8:30-10:00 Ke2 Laskuharjoitus 4 (kemostaatti) To 23.3. 12:00-16:00 Ryhmä1: Mikrobikasvatus Ryhmä2: Entsyymireaktio 28.3. 10:15-11:45 Ke1 Aseptiikka 13 Ti 28.3. 12:00-16:00 Ryhmä3: Mikrobikasvatus Ryhmä4: Entsyymireaktio 30.3. 8:30-10:00 Ke2 Entsyymikinetiikka-harjoitus To 30.3. 12:00-16:00 Ryhmä4: Mikrobikasvatus Ryhmä3: Entsyymireaktio Tenttiviikko 14 4.4. Tenttiviikko 6.4. 11.4. 10:15-11:45 Ke1 Aineensiirto 15 Ma 10.4. 12:00-16:00 13.4. 8:30-10:00 Ke2 Laskuharjoitus 6 (sterilointi) Ti 11.4. 12:00-16:00 Ryhmä5: Mikrobikasvatus Ryhmä6: Entsyymireaktio 18.4. 10:15-11:45 Ke1 Bioteollisuuden yksikköoperaatiot To 13.4. 12:00-16:00 Ryhmä6: Mikrobikasvatus Ryhmä5: Entsyymireaktio 20.4. 8:30-10:00 Ke2 Laskuharjoitus 7 (kla) 16 Ti 18.4. 12:00-16:00 Ryhmä7: Mikrobikasvatus Ryhmä8: Entsyymireaktio 25.4. 10:15-11:45 Ke1 Laskuharjoitus 8 (suodatus) To 20.4. 12:00-16:00 Ryhmä8: Mikrobikasvatus Ryhmä7: Entsyymireaktio Ma 24.4. 12:00-16:00 17 Ti 25.4. 12:00-16:00 To 27.4. 12:00-16:00 Ti 2.5. 12:00-16:00 18 To 4.5. 7
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. 1) Biokatalyytit =? 2) Elävien organismien jaottelu 3) Bio- vs. kemialliset katalyytit (esim. Ni) Biotekniikan värit Kurssilla näitä: ( ) Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 8
CALCULATION TOOLS Bioprosessitekniikan osa-alueet Bioreaction Engineering Principles CATALYST PERFORMANCE Steady-state balances Cell/enzyme kinetics Stoichiometry Reaction rates Energetics Ideal reactor Bioreactor performance Mass transfer Unstructured Mixing Structured Kvantitatiivinen tarkastelu prosessin tuottavuutta rajoittava tekijä =? BIOREACTOR PERFORMANCE Scale-up Modified from: Villadsen, Nielsen, Liden: Bioreaction Engineering Principles, 3rd Ed. 2011 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 9
Biotekniikka tuotantotekniikkana Massatuotteet/ hienokemikaalit Tuottoisäntiä Mikrobit Kasvisolut Nisäkässolut Hyönteissolut Suomi tunnetaan erityisesti entsyymiteollisuudestaan BIOprosessitekniikka - Johdanto
Bioteknisiä tuotteita Tuote Tuotanto-organismi Vuosituotanto (kg) Makrotuotteita: Etanoli hiivat 8 x 10 10 Aminohappoja (erilaisia) bakteerit 2 x 10 9 Sitruunahappo sieni 8 x 10 8 Antibiootit sienet ja bakteerit 5 x 10 7 Polysakkaridit bakteerit 5 x 10 7 Entsyymit sienet ja bakteerit 8 x 10 5 Vitamiinit bakteerit 1 x 10 4 Alkaloidit sienet 5 x 10 3 Mikrotuotteita: Pigmentit levät ja kasvisolut 100 Rokotteet bakteerit, virukset, hiivat ja hyönteissolu < 50 Terapeuttiset proteiinit bakteerit, eläinsolut ja hiivat < 20 Monoklonaaliset vasta-aineet hybridomasolut ja bakteerit < 20 BIOprosessitekniikka - Johdanto
Milloin biotekninen prosessi? Biotekninen prosessi kilpailee usein muiden menetelmien kanssa Tuotantoprosessi Valinnan ratkaisee esimerkiksi Hinta Tuotteen monimutkaisuus Ympäristöystävällisyys BIOprosessitekniikka - Johdanto
Soluprosessien (cell factory) tuotteita Tuote Tuottaja Tuotanto Sovellus Etanoli S. cerevisiae 80 Mt/a kemikaali,juoma,polttoaine Antibiootit Homeet,bakteerit, 25 G /a antimikrobilääkkeet (Streptomyces spp.) 20 000 t/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.) 2 G /a Orgaaniset hapot homeet, bakteerit 3 Mt/a elint., kemikaalit, muovit (citric/acetic/ 2 M /a gluconic/lactic) Paksunnos- bakteerit 0,1 Mt/a elint., kosmetiikka, aineet öljynporaus Entsyymit homeet, bakteerit 3,3 G /a pesuaineet, rehut, hiivat tärkkelys pros., lääkkeet, elint. Terapeuttiset hiivat, bakteerit, > 100 G /a lääkkeet proteiinit eläinsolut Solumassat S. cerevisiae,startterit 0,5 Mt/a elintarvikkeet Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 13
Fermentointituotteita L-lysiini Etikkahappo CH 3 COOH Nisiini 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) Entsyymit Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 14
Entsymaattisten prosessien tuotteita Tuote Entsyymi Tuotanto Sovellus Glukoosisiirappi α-amylaasi, glukoamylaasi, 12 Mt/a (dw) elintarvikkeet pullulanaasi 4 G /a Maltoosisiirappi α-amylaasi, β-amylaasi elintarvikkeet HFCS kuten glukoosisiirappi + 8 Mt/a (dw in USA) elintarvikkeet glukoosi-isomeraasi 3 G /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 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 15
Biotekniikka EU:ssa 2014-2019 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 16
Fermentointiin perustuva prosessi Upstream Production Downstream Terapeuttisten proteiinien tuotannossa jopa 80-90 % tuotantokustannuksista Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 17
Figure 3.14 FIGURE 3.14 Process flow sheet showing the major operations for production of bacitracin. Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved. 18
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. 19
Figure 3.16 FIGURE 3.16 Detailed equipment diagram for pilot-plant fermentation system. Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights Reserved. 20
Esim. fermentointiin perustuva prosessi Kasvusto petrimaljalla Siirrostuslinja (huom: tässä labrafermentoreja) Tuotantofermentorit (n. 1 500 m 3 ) Pakattu tuote Ultrasuodatusyksikkö Vakuumirumpusuodatin Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 21
Entsymaattinen prosessi (HFCS) Amylolyyttiset entsyymit Glukoosisiirappi Glukoosi-isomeraasi John S. White: Sucrose, HFCS, and Fructose: History, Manufacture, Composition, Applications, and Production Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 22
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 Bioprosessitekniikka - Solu tuotantolaitoksena 23
Tuotantoinsinöörin näkökulma 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