Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä = biokatalyyteillä toteutettavaa teollista tuotantoa (teollista biotekniikkaa) Tärkeimmät teolliset biokatalyytit: entsyymit ja solut Biotekniikan määritelmä (EFB): Biotechnology is the integration of natural sciences and engineering sciences in order to achieve the application of organisms, cells, parts thereof and molecular analogues for products and services Biotekniikka yhdistää luonnontieteet ja insinööritieteet siten, että organismeja, soluja, solun osia tai molekyylianalogeja voidaan soveltaa tuotteiden ja palvelujen tekemiseen Solut: Mikro-organismit eli mikrobit: arkeonit* (aiemmin arkkibakteerit), bakteerit, hiivat, homeet, levät, alkueläimet, pystyvät lisääntymään erittäin nopeasti (µ = spesifinen kasvunopeus; t d = tuplaantumisaika) Kasvit, kasvisolut Eläimet, eläinsolut nisäkässolut, mammaalisolut Humaanisolut *Nimiehdotuksia 2014: Arkko, arkeeri, arkkio, arkoni, arkeobi, arkebi, muino, erkki, mörkki, narkki, tsörkki, urkki, varkki, ärkki, örkki, alkeeri, ark, arkeija, arkkeri, arkokki, arska, entiö, ikieliö, ikiö, ylieliöinen, iku, sietiö, äärikkö, ääripöpö, ääriö, äärelö, sarkko ja 10/28/2015 mikrio 1
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Soluteoria: organismit koostuvat soluista Yksisoluiset organismit: yksi solu = organismi Korkeammat eukaryootit: erikoistuneista soluista muodostuu mm. kudoksia ja elimiä Bakteerisolu Hiivasolu 10/28/2015 2
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Alemmat eukaryootit: hiivat & homeet (= fungit), levät, alkueläimet (ovat mikrobeja) Bakteerit ja arkeonit ovat prokaryootteja 10/28/2015 3
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Solujen vahvuus: aineenvaihdunta (metabolia) = entsyymien katalysoimien biokemiallisten reaktioiden verkostot solujen sisällä => valtava tuotemahdollisuuksien kirjo Solujen aineenvaihdunnassa keskeisiä reaktioita ovat hapetus/pelkistys- ja energiantuotto/-kulutusreaktiot; näissä entsyymit käyttävät apuyhdisteitä, joiden pitoisuudet soluissa ovat alhaisia, mutta ne eivät kulu vaan kiertävät (regeneroituvat yhä uudestaan; esim. NAD/NADH ja AMP/ADP/ATP) Synteesitoiminta,transportti Glukoosi 2ADP 2NAD 2 Palorypälehappo 2ATP 2NADH CO 2 2 Etanoli 2 Asetaldehydi 10/28/2015 4
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä 10/28/2015 5
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Solut ovat uusiutuvia katalyyttejä, biohajoavia, ne tuotetaan uusiutuvista raakaaineista => vaikutukset ympäristöön vähäiset (tosin solujen tuotossa muodostuu CO 2 :a ja vesistöön päästessään ne toimivat hapen kuluttajina (BHK)) Solut säätelevät metaboliaansa eri tasoilla (geeni/dna, mrna, proteiini, kuljetus, metaboliitti) ympäristönsä tilanteen mukaan Lähes kaikkia solun reaktioita katalysoivat enemmän tai vähemmän spesifiset aktiiviset proteiinit eli entsyymit ja useimmat reaktiot ovat tasapainoreaktioita (reversiibeli reaktio) Metaboliittituotteet Insinöörin näkökulma: Volumetriset nopeudet (esim. g/lh), R i Spesifiset nopeudet (esim. g/gh), r i Saannot (esim. g/g), P/ S Reaktioiden tasapainot (esim. [C]x[D]/([A]x[B]) Substraatit Reaktioiden termodynamiikka (esim. millä ehdoilla reaktio voi tapahtua) Metabolian matemaattinen mallinnus Substraatit Metaboliitit Polymeerituotteet (esim. proteiinit) Monomeerit Makromolekyylit Solumassa 10/28/2015 6 R S r S S * *: Aktiivinen tai passiivinen kuljetus/siirto R P r P * P * A+B<->C+D C+D<->F+G F+H<->I+J r A, r B, r C Sekreetio R X r X X
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Vähän enemmän metaboliaa (glykolyysi & sitruunahapposykli eli TCA-sykli) Hiilihydraatteja Aminohappoja NH 3 NAD + NADH + H + 2e - 0,5O 2 H 2 O+NAD + NH 3 Teollisia tuotteita näistä ovat mm.: sitruunahappo sukkiinihappo (meripihkahappo) palorypälehappo aminohapot (L-lysiini, L-glutamaatti ) polysakkaridit TCA Rasvoja NH 3 Energiaa (ATP) Aminohappoja 10/28/2015 7
.ja vielä enemmän. 10/28/2015 8
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Metabolia mahdollistaa monimutkaisten yhdisteiden tuottamisen yksinkertaisista lähtöaineista (esim. yksinkertaiset sokerit, epäorgaaniset N- ja P-yhdisteet) Glukoosi + N/P/hivenainelähteet L-lysiini Pseudomonas sp. B 12 -vitamiini (syankobalamiini) Schizophyllan (β-1,3-glukaani) Hydroksinitriililyaasi 10/28/2015 9
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Mitä tekemistä kuvan tuotteilla/menetelmillä on biotekniikan kanssa? Insulin Blood glucose measurement 10/28/2015 10
Soluprosessien 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 1,5 Mt/a elint., rehut (MSG,Lys,Thr) (Corynebacteria) 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 3,1 G /a pesuaineet, rehut, hiivat tärkkelys pros., lääkkeet, elint. Terapeuttiset hiivat, bakteerit, 80 G /a lääkkeet proteiinit eläinsolut Solumassat S. cerevisiae,startterit 0,5 Mt/a elintarvikkeet 10/28/2015 11
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Metabolia voidaan karkeasti jakaa aerobiseen ja anaerobiseen metaboliaan Aerobinen: tuottaa paljon enemmän energiaa soluille ja siten solumassaa, mutta myös lämpöä ja vaatii niukkaliukoista ravinnetta (happea) => aineen- ja/tai lämmönsiirto rajoittavat => energiankulutus Anaerobisessa metaboliassa C-lähteestä (esim. sokeri) otetaan elektroneja (hapetus) ja siirretään metaboliiteille (pelkistys) => muodostuu vähän solumassaa ja vähän lämpöä (tuotteita: maitohappo, biokaasu (metaani/co 2 - seos), etanoli, butanoli) => tuottonopeudet rajoittavat => isot laitteistot Luonnossa kemiallisten yhdisteiden stereokemia on tärkeä ominaisuus entsyymit ovat yleensä hyvin stereospesifisiä (= katalysoivat vain oikeiden stereoisomeerien reaktioita) ja luonnollisilla yhdisteillä on yleensä tietty stereokemiallinen muoto (ns. kiraaliset yhdisteet) 10/28/2015 12
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Yksinkertaiset sokerit (monosakkaridit) ja niiden johdannaiset ovat yleensä D- muotoa Aminohapot ovat yleensä L-muotoa L-lysiini L-arabitoli D-arabitoli D-glukoosi 10/28/2015 13
Bioreaktoriprosessit yleisesti L 10/28/2015 14
Bioreaktoriprosessit yleisesti L 10/28/2015 15
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Entsyymit ovat biologisia katalyyttejä Nopeuttavat reaktioita jopa 10 10 -kertaisesti kulumatta itse reaktiossa Lähes kaikki entsyymit ovat proteiineja (aminohappopolymeereja, polypeptidejä), joilla on juuri tietty aminohappojärjestys (aminohapposekvenssi) Kutakin entsyymiä koodaa solussa geeni, jonka emäsjärjestys määrää em. sekvenssin Aktiivinen keskus Entsyymit ovat äärimmäisen tai melko spesifisiä (suhteessa reaktioon ja/tai reagoiviin yhdisteisiin) Entsyymien toiminnan kannalta keskeistä on oikea 3-ulotteinen rakenne Selloheptaoosi Sellobiohydrolaasi (CBH) (entsyymiproteiini) 10/28/2015 16
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Entsyymit: Katalysoivat solujen reaktioita Uusiutuvista raaka-aineista tuotettavia, biohajoavia, spesifisiä, T opt, ph opt Tuhoutuvat irreversiibelisti ääriolosuhteissa Samasta entsyymistä luonnossa useita versioita (datapankit esim. BRENDA) Ovat tärkeitä bioprosessiteollisuuden tuotteita (Suomi tärkeä kehittäjä- ja tuottajamaa) Sovelluksia monilla eri teollisuuden aloilla Laktoosi Elintarvike- Metsä- Tekstiili- Pesuaine- Hygienia- Kemian- +H Rehu- 2 O Entsyymejä voidaan muokata Laktaasi => HyLa-tuotteet geenitasolla Entsyymi voidaan prosessissa kierrättää (esim. immobilisoimalla) 10/28/2015 17
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Kaupallisen entsyymin ominaisuuksien parantaminen proteiinin muokkauksella (protein engineering) [Y5 ja ST6 muokattuja, XynI alkuperäinen] xynii, Y5 enzyme activity 120 100 xynii Y5 A540/% 80 60 40 20 0 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Temp/ºC Enzymes come from nature. It s just that nature has no interest in washing machines. Act. /% 120 100 80 60 40 20 0 ph act. xynii vs ST6 L ST6/Tris ST6/sf xynii/sf xynii/tris 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 ph 10/28/2015 18
Bioprosessiteollisuus / perusteita & termistöä Spesifisyys: entsyymi vs. kemiallinen katalyytti D-fruktoosi voidaan pelkistää ( liittää vetyä tiettyyn kohtaan ) => millaiset 2 erilaista yhdistettä näin voidaan saada? Mitä spesifisyys tässä merkitsee? D-fruktoosi D-fruktoosi Ni catalyst H 2 * : mannitolidehydrogenaasi entsyymi ** : sorbitolidehydrogenaasi entsyymi 10/28/2015 19
Biotekniikan sovelluksia L 10/28/2015 Lähde: http://www.finbio.net/download/biotech-week_2013/benefits-of-biotechnology.pdf 20
Biotekniikan aikajana L Lähde: http://www.finbio.net/download/biotech-week_2013/biotech-timeline.pdf http://www.finbio.net/download/biotech-week_2013/biotech-timeline.pdf 10/28/2015 21 Käy sivustolla!!! Saat selvää ja paljon infoa.
Biotekniikan tutkimus Suomessa L 10/28/2015 Lähde: http://www.finbio.net/images/stories/suomalainen_aikajana.pdf 22
10/28/2015 23
Bioprosessitekniikan tutkimus & opetus Suomessa Yliopistot Aalto Kemian tekniikan korkeakoulu Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos Tampereen Teknillinen yliopisto Kemian ja biotekniikan laitos Oulun yliopisto Kemiallisen prosessitekniikan laitos Ammattikorkeakoulut Metropolia Bio- ja elintarviketekniikka Seinäjoen ammattikorkeakoulu Bio- ja elintarviketekniikka Teknologian tutkimuskeskus VTT (Otaniemi) L Kemira tutkimuskeskus (Suomenoja Espoo) DuPont Danisco tutkimuskeskus (Kantvik Kirkkonummi) 10/28/2015 24
Bioprosessiteollisuus Suomessa / esimerkkejä Teollisten entsyymien tuotanto Tuotantolaitoksia: DuPont / Genencor Jämsänkoski ja Hanko (tuotantoa 13 maassa) ROAL Rajamäki Maailmanlaajuinen vuosituotanto 2014 arvoltaan n. 3,1 G (23 G DKK); kasvua vuodesta 2013 n. 5 % L Markkinasegmentit Markkinaosuudet (ROAL # 5) Lähde: Novozymes/Annual Report 2014 10/28/2015 25
10/28/2015 26 Source: Novozymes/Annual Report 2014
Teollisen entsyymin tuotanto (fermentointi + jälkikäsittely) Fermentointi S/L-erotus (neste/kiintoaine) solunsisäinen tuote solujen hajotus (korkeapainehomog., lasihelmimylly) solunulkopuolinen tuote tuotteen konsentrointi (kalvosuodatus, adsorptio/desorptio L solujäänteiden erotus (separointi, suodatus) tuotteen puhdistus (kromatografia, saostus, uutto, kalvoerotus) tuotteen puhdistus (kromatografia, saostus, uutto, kalvoerotus tuotteen formulointi (standardointi, stabilointi, sterilointi 10/28/2015 27
Maltaan & oluen valmistus L 10/28/2015 Lähde: Jukka Kronlöf/Hartwall 28
Maltaan & oluen valmistus Mallastamot: Viking Malt / Polttimo yhtiöt (Lahti) ja Laihian Mallas (Laihia) Panimoliitto: Sinebrychoff, Hartwall, Olvi, Nokian Panimo ja Saimaan Juomatehdas; yht. vuosituotanto n. 400 ML Pienpanimoliitto: n. 27 panimoyritystä (enintään 10 ML); pohjoisin Seinäjoella Suomessa keskioluessa veroa 1,51 /L (Virossa 0,3 /L) Ala työllistää suoraan > 2000 henkeä, välillisesti n. 30 000 L henkeä 10/28/2015 29
Ympäristöbioprosessitekniikka L 10/28/2015 30
Alan trendejä Biojalostamot Siirtyminen fossiilisista raaka-aineista uusiutuviin (biomassat) 1-g (1. sukupolven) nestemäisten biopolttoaineiden tuotanto Etanoli ja rasvahappoesterit (FAME ja FAEE) Tärkkelys- tai sakkaroosi pääraaka-aineena 2-g nestemäisten polttoaineiden tuotanto Edelleen lähinnä etanoli ja biodiesel (NexBTL / Neste Oil) Raaka-ainepohja: lignoselluloosat, jätteet L Uudet nestemäiset polttoaineet Korkeammat alkoholit (butanoli, isobutanoli, pentanoli) ns. drop-in polttoaineet (hiilivedyt) Kemikaalien tuotanto uusiutuvista raaka-aineista esim. biopolyesterit (polylaktidi, bio-pet, polyhydroksialkanoaatit) Kemian ja polymeeriteollisuuden monomeerit Vaihtoehtoiset tekniikat (biomassan kaasutus, ei-biologiset katalyytit) 10/28/2015 31
Alan trendejä / bioetanoli / raaka-aineet Viljojen korjuutähteet (lehdet, varret/ oljet, lapakot ) Sokeriruokojäte (bagassi) L Metsätähteet ja sivuvirrat, 10/28/2015 32
Biojalostamot Carbohydrates -starch -hemicellulose -cellulose Lignin Lipids/Oils Protein bioreitti kemiallinen reitti ei reaktioita SynGas Sugar hexoses,pentoses Lignin Lipids/Oil Protein MeOH C1 C2 C3 C4 C5 C6 Aromatics Direct polymers Ethanol Glycerol Lactic acid Propionic acid Levulinic acid Furfural Lysine Gallic acid Ethers Olefins Diacids, esters Lactid Acrylate 1,3-PDO Furan THF Caprolactam Carnitine Phenolics Fuel additives Solvents Chemicals Emulsifiers PLA Polyacrylate Nylons Polyurethanes Resins Polysaccharides 10/28/2015 33
Biojalostamot Tyypillinen esimerkki: hiiva- tai bakteerikanta muokataan (metabolian muokkaus) tuottamaan hiilivetyä (isopreeni); tuotanto fermentointiprosessina; tässä kaasumainen tuote poistuu reaktorista (fermentori) poistokaasun mukana, erotetaan ja käytetään esim. polymerointiin Isopreeni Fermentori 10/28/2015 34
Alan trendejä / biotalous Despite not having the attention of decision makers, applications from industrial biotechnology already save the world 33 million tonnes of CO2 whilst emitting only 2 million tonnes per year. In summary, industrial biotechnology can enable a shift toward a bio-based economy. A bio-based economy is based on production paradigms that rely on biological processes and, as with natural ecosystems, use natural inputs, expend minimum amounts of energy and do not produce waste as all materials discarded by one process are inputs for another process and are reused in the ecosystem. L Lähde: WWFDenmark, September 2009 Authors: John Kornerup Bang, Andreas Follér, Marco Buttazzoni 10/28/2015 35
Alan trendejä / biotalous / kestävä kehitys Teollisen biotekniikan soveltamisen vaikutuksia kasvihuonekaasupäästöihin (GHG, Mt CO2 ekvivalenttia/a) L 10/28/2015 36
Alan trendejä / biotalous / kestävä kehitys Leväprosessit tuotanto per ha! Viljelypinta-alan riittävyys Kehittymätön levien prosessointitekniikka L 10/28/2015 37
http://valtioneuvosto.fi/documents/10184/321857/biotalous-ja-puhtaat-ratkaisut/77a37956-d734-4fae-afc7-96c51c2a00bb 10/28/2015 38
10/28/2015 39
Alan trendejä Biotekniikan sovellusalueet laajenevat: biotekniikan värit L 10/28/2015 40
Alan trendejä Biofarmaseuttisten (biopharmaceuticals) tuotteiden tuotanto: riskit vs. tuotot Tuotteet pääasiassa humaaniproteiineja Antibody: vasta-aine Growth factor: kasvutekijä Cytokine: sytokiini, solumyrkky Fusion protein: fuusioproteiini Vaccine: rokote Blood factors: veren hyytymistekijät G$/a!! Anticoagulants: hyytymisen L estäjät Lähde: Nature Biotechnology 29 (2011) # 12 10/28/2015 41
Alan trendejä / biopharmaceuticals Eräiden yksittäisten biofarmaseuttisten tuotteiden myyntivoluumit G$/a USAssa Tärkeimpien yritysten biofarmaseuttisten tuotteiden myyntivoluumit (G$/a) L Lähde: Nature Biotechnology 10/28/2015 29 (2011) # 12 42
Alan trendejä / biopharmaceuticals Tuotantokin on kallista: pitoisuudet pieniä, puhtausvaatimukset äärimmäiset, kehityskustannukset, viranomaismääräykset, prosessi = tuote, puhtaat ja kalliit raaka-aineet Oheisessa kaaviossa: - pystyakselilla on tuotteen tai tuoteryhmän pitoisuus prosessissa ennen jälkikäsittelyä L - vaaka-akselilla tuotteen tai tuoteryhmän hinta vuonna 1984 riippuvuus (muitakin vaikuttavia tekijöitä on) lähde: Dwyer, Bio/technology 2 (1984), 957-964 lisäyksin Utah State Univ./Biochem. Eng. 10/28/2015 43
Punainen biotekniikka vs. valkoinen biotekniikka Laitosinvestointi ja käyttökustannukset! 10/28/2015 44
Bioprosessiteollisuus Suomessa Suomen Bioteollisuus (FIB): tällä hetkellä > 60 jäsenyritystä; FIB katalogissa yrityksiä (kaikki ei jäseniä) > 100 Vain pieni osa näistä bioprosessiteollisuutta, kaikki biotekniikkaa Ei bioprosessiteollisuutta: Puhtaasti tutkimusyritykset Konsultointiyritykset Suunnitteluyritykset / insinööritoimistot Patenttitoimistot St1 Biofuels Oy 10/28/2015 45
Bioprosessiteollisuus / lisää työllistäjiä L 10/28/2015 46
DI:n tehtäviä bioprosessiyrityksissä Tuotanto (osastopäällikkö, tuotantopäällikkö, tuotannon asiantuntija, tuotantojohtaja ) Tuotannon kehitys- ja investointihankkeet (projektipäällikkö, hankintavastaava) Laitossuunnittelu (suunnittelija, asiantuntija, osastopäällikkö, suunnittelujohtaja) Tutkimus ja kehitys (tutkija, tutkimuspäällikkö, tutkimuskoordinaattori, sovellusasiantuntija, asiakaspäällikkö, tutkimus- ja kehitysjohtaja) L Verkostot, PR jne. (asiakaspäällikkö, yhteiskuntasuhdepäällikkö) HSE: health, safety & environment (ympäristöpäällikkö, työturvallisuuspäällikkö, HSE johtaja) 10/28/2015 47
Bioprosessi-insinöörin ominaisuuksia? AB Enzymes / tuotanto ABF: Associated 10/28/2015 British http://www.abenzymes.com/people/what-do-we-look-for-in-our-employees 48 Foods
Bioprosessi-insinöörin ominaisuuksia? AB Enzymes / T&K 10/28/2015 ABF: Associated British Foods 49