Biotechnologická syntéza antibiotik

Transkript

1 Biotechnologická yntéza antibiotik. Úvod 2. Růt biomay ve vádkovém ytému 3. Přeno hmoty v bioreaktoru 4. biotechnologického proceu 5. Separace biomay Růt biomay ve vádkovém ytému Fáze růtu: I: lag-fáze II: exponenciální III: tacionární IV: odumírání Rychlot tvorby biomay: přírůtek počtu jedinců populace, nebo přírůtek jejich koncentrace v čaovém intervalu, nebo přírůtek hmotnoti biomay v čaovém intervalu dn dm dc d d d n počet jedinců populace m hmotnot biomay c koncentrace biomay Růt biomay ve vádkovém ytému Vliv podmínek na růt biomay Teplota: závilot pecifické růtové rychloti na teplotě E a max a exp RT E K d exp o RT E a aktivační energie růtu biomay E d aktiv. energie denaturace biomay ph (vliv ph není jednoznačně objaněn) závilot pecifické růtové rychloti na ph max * max c K H 2 K c H c H koncentrace vodíkových iontů Bioreaktor = vícefázový reaktor (biomaa, g a l fáze) Přetup kylíku z plynné do kapalné fáze Rychlot přetupu kylíku: c l konc. kylíku v l fázi dc c * * l rovnovážná konc. kylíku v l fázi k a c c dt k l koeficient přetupu kylíku a měrný povrch mezifáz. rozhraní l-g (rychlot proceu je limitována odporem přetupu kylíku v kapalné fázi) Veličiny ovlivňující rychlot tranportu kylíku: K l a - hodnota je podmíněna velikotí bublin plynu a charakterem kapalinového filmu (c l* -c l ) - hnací íla Schéma přetupu kylíku do kapalné fáze v bioreaktoru

2 Velikot bublin: Průměry bublin bývají někdy velmi malé (0,- mm), za velké jou považovány bubliny průměrem > 6 mm Rozměr bublin závií na jejich tvorbě v ditributoru plynu Závilot koeficientu přetupu hmoty na průměru bubliny pro ytém voda- kylík Rozputnot kylíku ve vodě: (c l* -c l ) - hnací íla tranportu kylíku c l* -rovnovážná koncentrace rozpuštěného kylíku (viz Henryho zákon) Rozputnot kylíku ve vodě kleá teplotou Typická rovnovážná rozputnot kylíku ve fermentačním médiu je přibližně 0,25 mmol/l (při 20 C) Rozputnot kylíku výrazně závií i na ložení fermentačního média C lk kritická koncentrace rozpuštěného kylíku (tj. minimální koncentrace kylíku, pod kterou je růt mikroorganimů přímo závilý na koncentraci rozpuštěného kylíku) Určení objemového koeficientu přetupu kylíku Určení k l a - experimentálně - pomocí korelačních vztahů Přetup kylíku z bubliny vzduchu do protředí vlatnotmi blízkými vodě: Sherwoodovo čílo Laminární režim (Re ) Sh = 0,39Gr /3 Sc /3 Turbulentní podmínky (Re ) Sh = 2,0 +0,6Re /2 Sc /3 Grahof Reynold Schmidt V probublávaném reaktoru je charakteritickým geometrickým rozměrem průměr bublin plynu a rychlot pohybu bubliny. V reálných bioreaktorech je však ituace mnohem ložitější, protože e zde vytvářejí hluky bublin různých průměrů. př. vztahu pro výrobu antibiotik ve vádkovém bioreaktoru turbínovým míchadlem: 0,45 0,65 3 0, N v g m 4.0 k a l V V H / D N výkon míchadla V objem reakční měi v g rychlot průtoku plynu D průměr reaktoru H výška kapalné měi m S počet ekcí míchadel Přeno hmoty a tepla v bioreaktorech Určení mezifázové plochy Určení měrného povrchu pro kulovité bubliny plynu: 6 Z a d b Z zádrž plynu Přetup tepla Všechny aerobní fermentační pochody jou pojené produkcí tepla. Výměna tepla mezi obahem vádkového bioreaktoru a chladící nebo vyhřívací outavou je obvykle neutálený děj X izotermní děj (odvádí e pouze generované teplo) Přeno tepla v bioreaktorech Nueltovo čílo promíchávané kapaliny (nucená konvekce): Nu f Re, Pr D. Nu Re m Pr 2 d m n Reynold c p Prandtl Nu Re m m b m empirická kontanta D vnitřní průměr nádoby α oučinitel přetupu tepla λ tepelná vodivot d m průměr míchadla n otáčky μ vikozita c p pecifické teplo e c Pr w 2

3 Přeno tepla v bioreaktorech Stanovení hodnoty koeficientu přetupu tepla na traně temperačního média (proudění v trubkách) turbulentní proudění pro Re 2300 Nu 0,027 Pro probublávané reaktory přetup tepla ze upenze biomay na těnu zařízení závií na mimovrtvové rychloti plynu a prakticky nezávií na geometrických parametrech ytému. empirická rovnice Re 0,8 0,4 / 3 Nu,86 Gz w Pr / 3 0,4 w Graetzovo krit. 0,35 0, 25 w 939 v Hydrodynamické podmínky Předpoklad: limitující ložka je do ytému trvale dodávána, její přeno k vnějšímu povrchu buněk je v rovnováze úbytkem způobeným bioyntézou. k ( c c ) 2 n c max k c k 2 koeficient dílení hmoty jednotkovou plochou fázového rozhraní bezrozměrné veličiny: x x koncentrace: x = c / c D x a parametr: = k / c Damköhlerovo čílo: Da= max / k 2 c (charakterizuje míru vlivu difuze na rychlot proceu) Faktor účinnoti hydrodynamiky: ( = kutečná rychlot proceu / rychlot bez vlivu odporu proti přetupu hmoty) x x x( ) x Pokud převládá vliv difuze na rychloti proceu, pak D a (o rychloti proceu rozhoduje přeno hmoty a rychlot proceu nezávií na parametrech kinetické rovnice a rovněž vliv teploty a ph je nevýrazný). Veličiny fyzikální povahy Teplota, tlak, hmotnot, výška hladiny, výška pěny, otáčky a příkon míchadla, vizkozita, průtok vzduchu, průtok kapaliny, Veličiny chemické povahy ph, redox potenciál, koncentrace rozpuštěného kylíku, parciální tlak kylíku a CO 2 ve výdechových plynech, koncentrace některých iontů, ethanolu, methanolu, glukoy, Veličiny biologické povahy celkové množtví a koncentrace biomay, primární a ekundární metabolity, nukleotidy, DNA/RNA, aminokyeliny, celkové množtví proteinů, ATP/ADP, lipidy, Odvozené veličiny Objemový koeficient přetupu kylíku k L a, rychlot potřeby kylíku, rychlot vývoje CO 2, pecifická rychlot růtu biomay, 3

4 Měření fyzikálních parametrů Teplota - termitor, platinový odporový teploměr, termočlánek; Tlak - membránový nímač převodem na elektrický ignál, tenzometry; Hmotnot - tenzometrické nímače, vážení; (hmotnot vádky lze určit z diference údajů membránových manometrů) Výška hladiny - kontaktní čidla - vodivotní či kapacitní onda; Výška pěny - kontaktní čidla - vodivotní či kapacitní onda, nímač hydrotatického tlaku zabudovaný do těny nádrže; Otáčky míchadla - indukčně citlivé prvky (tachodynamo), pulní čítače, dynamometr; Příkon míchadla - torzní dynamometr, tenzometr zabudovaný na hřídel míchadla; Průtok vzduchu - rotametr převodníkem, který pokytuje elektrický ignál (optický, indukční, nebo odporový nímač), clonka vyílačem tlakové diference; Průtok kapalin - podobné nímače jako při měření průtoků plynů; Měření chemických parametrů ph - kleněné elektrody; Redox potenciál - platinová elektroda v kombinaci referentní elektrodou; Obah rozpuštěného kylíku - galvanické (potenciometrické) a polarografické (ampérometrické) elektrody; Rozpuštěný CO 2 - iontově elektivní elektrody opatřené membránou proputnou pro plyny, tepelně terilované elektrody e zakrytou membránou; Anorganické ionty - iontově elektivní elektrody; Analýza plynů - paramagnetická rezonance, IČ - pektrometrie, měření tepelné vodivoti, hmotové pektrometry; Měření fyziologických veličin Nejdůležitější údaje o tavu a vývoji proceu z hledika optimálního řízení. Většina veličin není průběžně měřitelná (koncentrace biomay, produktu, ubtrátu; pecifické a abolutní rychloti růtu biomay, tvorby produktu). Měření fyziologických veličin Metody založené na nových principech měření: optoelektronika a užití optických vláken (měření větelné aborpce, fluorecence, reflexe, barvy, turbidity, luminicence) Polovodičové křemíkové enzory - iontově elektivní enzory na bázi iontově elektivních FET (Field Effect Tranitor) Enzymové elektrody - tanovení některých organických loučenin (glukoa, laktoa, maltoa, aminokyeliny, ethanol, methanol, acetaldehyd, penicilin, ) 4

5 Řízení biotechnologického proceu Řídící ytémy: ytémy řízení pro tabilizaci podmínek kultivace, nebo potupnou změnou kultivačních podmínek podle zadané trajektorie regulační myčky teploty, ph, tlaku, míchání, aerace, rozpuštěného kylíku a odpěňování; ytémy řízení aplikací tzv. pokročilých algoritmů řízení algoritmy již vyžadují znalot dalších tavových veličin jako je koncentrace biomay, produktu, ubtrátu a umožňují konkrétní proce optimalizovat; Regulace základních kultivačních podmínek Regulace teploty Regulace pře duplikátor teploměným médiem cirkulujícím v uzavřeném temperačním okruhu. Chlazení e zajišťuje zaváděním chladící cody z rozvodu do temperačního okruhu, ohřev pak průtočným elektrickým topidlem nebo přiváděním páry do okruhu. Regulace ph Regulace e provádí přídavkem kyeliny, nebo záady ze záobníku. Problémem je značná nelinearita mezi elektrickým ignálem ph elektrody a regulačním záahem. Obah rozpuštěného kylíku (regulace je možná 4 způoby) změna k L a (objemový koeficient přetupu hmoty v ytému) - změny ve frekvenci otáčení míchadla změna průtoku kylíku - mění e buď poměr kylíku k inertnímu plynu dodávanému do fermentoru, nebo průtok vzduchu změna přívodu ubtrátu změna tlaku - zvyšováním pracovního tlaku dojde ke zvýšení rozputnoti kylíku ve fermentačním médiu Odpěňování Tvorba pěny je nežádoucí (z tenkých kapalinových filmů je kylík rychle buňkami vyčerpán a neúčinná pěna zaujímá značný protor v reaktoru). Pěna trhávaná výtupním vzduchem zanáší terilizační filtry a zvyšuje možnot zarůtání mikroorganimů v potrubí, nebo dokonce jejich nežádoucí únik do okolí. Metody odpěňování: Mechanické - rozbití pěny rotačním pohybem peciálně tvarovaného kotouče, odpěňování ultrazvukovými vlnami, zrychlený průtok pěny zúženým otvorem; Chemické - odpěňovací protředky vytěňují povrchově aktivní látky způobující pěnění; Separace biomay Mikroorganimy tvoří kultivačním protředím v bioreaktoru uzpenze Používané chemicko-inženýrké operace: Filtrace Sedimentace Odtřeďování Ultrafiltrace 5