BIOREAKTORIT CHEM C2310 Bioprosessitekniikka Tero Eerikäinen

BIOREAKTORIT CHEM C2310 Bioprosessitekniikka Tero Eerikäinen 21.3.2017

Bioprosessin kehitystyö

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

Eräkasvatus Ilmastus Eräkasvatus Poistokaasut Tilavuuden muutos : dv 0 dt Substraatt itase: dcs, j X V ( mx ) V dt Y V dx dt XV X / S Biomassata se:

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 i met i met i met i macro i macro i macro p f p p p i s f i s i s i s c r dt dc X r dt dx c c D X r dt dc c c D X r dt dc,,,,,,,,,, eet: Aineenvaih duntatuott Makromolek yylit: ) ( Tuotetase : ) ( itase: Substraatt V F D DX X dt dx F F dt dv out in D: Laimennosn opeus Biomassata se 0 muutos : Tilavuuden Kemostaattikasvatus Poistokaasut Ilmastus Tuote Substraatti

Bioreaktorit - fermentorit 3 perustyyppiä: CSTR (continuously stirred tank reactor; mekaaninen sekoitus) kuplakolonnireaktori (bubble column) ilmanostereaktori (air-lift ) (Tehtävät: olosuhteiden ylläpito (T, ph, pinta, homogeenisuus, pitoisuudet ) aineen- ja lämmönsiirto aseptisuus CSTR kuplakolonni Bioprosessitekniikka Fermentorit air-lift

Bioreaktorit - fermentorit 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 läpivienti (aseptisuus!) Fermentorin geometria H/T : 3 5 Kuplakolonni: Ilmastus (ja CO 2 :n tuotto) toimii sekoittimena Vähäisempi energian tarve (ilmantarve suuri) Alhaiset leikkausvoimat Ei viskooseille kasvuliuoksille Ei sekoitusakselia Paljon käytössä leivinhiivan tuotannossa Fermentorin geometria H/T : 4 10 Rushtonturbiini (6 lapainen, suljettu) Kantosiipi Lapasekoitin Ankkurisekoitin Potkuri Koveramuotoinen Bioprosessitekniikka Fermentorit 8

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 DO-anturi Lämpötila-anturi 0.22 suodatin Paineilma Ulostulo Bioprosessitekniikka Fermentorit

http://commons.wikimedia.org/wiki/file:real_life_bioreactor.png

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

Erikoisreaktoreita Suutinreaktori Suuret k L a arvot Suuret leikkausvoimat Syklonireaktori Suuret k L a arvot

Kiertoreaktorit ja solukierrätys Kuvassa yksisoluproteiinin valmistukseen käytetty 400 m 3 :n jatkuvatoiminen kiertoreaktori 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 IGV Biotech ccres aquaponics.blogspot.com Leväkasvatusallas Wave bioreaktori

600 L wave bioreaktori 10 L wave reaktori

Ilmanostereaktorit Airlift-reaktori: 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) Bioprosessitekniikka Fermentorit 21

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)

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

Teollinen bioprosessi

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