Kultivační techniky a modelování bioprocesů sylabus předmětu 1. ročník magisterského studijního programu, zimní semestr, přednáška/cvičení/laboratoře počet hodin týdně 1/2/4, klasifikovaný zápočet, 7 kreditů kapacita předmětu: 30 studentů HARMONOGRAM 1. Úvodní lekce - posluchačská laboratoř (místnost 122), začátek v 9:00 h - úvodní informace o předmětu a jeho organizaci, rozdělení do pracovních skupin, seznámení s požadavky na přípravu úlohy, rozdávání návodů na první úlohy, rozdělení speciálních úloh, školení bezpečnosti práce v laboratořích Základní úlohy - začátek vždy od 9 h v laboratoři 117 - každý týden budou studenti v jednom dni řešit základní úlohy 1-4 podle aktuálního rozpisu pro daný akademický rok 2. Základní úloha 1 (7 h) Příprava médií a uchovávání produkčních kmenů 3. Základní úloha 2 (7 h) Stanovení koeficientu kyslíku a příprava bioreaktoru na kultivaci 4. Základní úloha 3 (7 h) Vsádková a přítokovaná kultivace 5. Základní úloha 4 (7 h) Kultivace na pevném substrátu Speciální úlohy - cvičení speciálních úloh bude probíhat dle aktuálního rozpisu pro daný akademický rok - každá ze skupin si vylosuje dvě speciální úlohy, pro každou z nich jsou vymezeny 2 týdny - vyučované úlohy + jejich popis viz níže 6. 1. speciální úloha (7h + odběry vzorků během týdne; skupiny cvičí vybrané téma) 7. 1. speciální úloha (7h + odběry vzorků během týdne; skupiny cvičí vybrané téma) 8. 2. speciální úloha (7h + odběry vzorků během týdne; skupiny cvičí vybrané téma) 9. 2. speciální úloha (7h + odběry vzorků během týdne; skupiny cvičí vybrané téma) Přednášky a cvičení - vedoucími tohoto bloku jsou Ing. Martin Halecký, Ph.D. a Ing. Jana Finkeová, CSc. 10. Přednášky + cvičení: Inženýrský úvod, modelování bioprocesů(7 h) 11. Přednášky + cvičení: Modelování a simulace (7 h)
12. Přednášky + cvičení: Řízení a regulace bioprocesů (7 h) Samostatný projekt a jeho prezentace - každá skupina si vylosuje jednu z dříve řešených úloh (základní nebo speciální), k této úloze si sežene naměřená data od ostatních skupin, které dané téma řešily - členové skupiny po té SPOLEČNĚ zpracují všechna data a připraví 15 min prezentaci, ve které se soustředí zejména na: a) stručný a výstižný teoretický úvod k danému tématu b) krátké shrnutí metodiky práce c) souhrnnou prezentaci všech naměřených výsledků d) jasné závěry z naměřených dat e) porovnání naměřených dat s literárními údaji - prezentovat budou VŠICHNI ČLENOVÉ SKUPINY, ne pouze jeden zástupce - po ukončené prezentaci bude následovat diskuze - členové skupiny tak musí mít o prezentované problematice přehled a být připraveni odpovědět na otázky členů komise i svých kolegů 13. Samostatný projekt 14. Prezentace projektů ZÁKLADNÍ POŽADAVKY PRO ABSOLVOVÁNÍ PŘEDMĚTU: Aktivní účast na cvičeních (připouští se 2 omluvené absence). Včasný příchod do laboratoří, při pozdním příchodu překračujícím 10 min nebude student vpuštěn do laboratoře, úloha bude klasifikována stupněm F. Připravenost na cvičení před začátkem každé úlohy student absolvuje krátký písemný test, případně ústní přezkoušení, nedostatečná připravenost vylučuje studenta ze cvičení a je klasifikována stupněm F. Po 2 nedostatečných je student z laboratoří vyloučen. Z každého cvičení se odevzdává krátký protokol (úvod, metodika, zpracované výsledky). Jeden vylosovaný úkol každá skupina prezentuje na závěrečné hodině, vyžaduje se spolupráce s kolegy a aktivní účast všech členů skupiny.
Vyučovaná základní cvičení 1. Příprava médií a uchovávání produkčních kmenů V rámci této úlohy si studenti osvojí teoretické znalosti a praktické dovednosti spojené s přípravnou fází bioprocesů. Cvičení bude zaměřeno na up-stream procesy biotechnologických výrob, tj. správnou formulaci složení kultivačního média na základě nutričních požadavků použitých mikrobiálních producentů, správnou sterilaci média (tzn. pro teplotně stabilní složky média lze použít tepelnou sterilaci při 120 C po dobu 20 min, teplotně labilní složky média musí být sterilovány filtrací a poté asepticky přidány k vychladlé základní směsi), aseptickou kompletaci a vhodné uchovávání médií. Dále bude práce zaměřena na různé způsoby dlouhodobého skladování produkčních kultur běžně používaných v biotechnologických provozech (např. příprava hluboce zmrazených konzerv s glycerolem jako kryoprotektantem, příprava lyofilizovaných kultur, uchovávání kultur na agarových plotnách, uchování ve formě sporových konzerv ). Seznámí se s technikami přípravy inokula a tím, jaký vliv má kvalita a množství inokula na průběh kultivačního procesu. 2. Stanovení koeficientu kyslíku a příprava bioreaktoru na kultivaci Cílem cvičení bude jednak stanovení objemového koeficientu přestupu kyslíku pomocí dynamické a gassing-out metody, výpočet celkové spotřeby kyslíku a rovnovážné koncentrace kyslíku; a také stanovení doby homogenizace vsádky v míchaném reaktoru. Během této úlohy se studenti seznámí se základními stavebními prvky míchaného bioreaktoru a jejich funkcí včetně prvků měřícího a regulačního systému bioreaktoru a prakticky si osvojí, jak bioreaktor připravit před zahájením kultivace. Kromě kalibrace jednotlivých měřících prvků (elektrody, čerpadla, ), bude provedena i sterilace bioreaktoru včetně všech přístupových cest (přívod sterilního vzduchu, aseptický odvod plynů z bioreaktoru) a bioreaktor bude takto připraven na následující úlohu věnovanou vsádkové a přítokované kultivaci. 3. Vsádková a přítokovaná kultivace V rámci řešení této problematiky se studenti teoreticky seznámí s jednotlivými typy kultivací (vsádková, přítokovaná, kontinuální), ujasní si vztah mezi dostupností substrátu a růstovou rychlostí mikrobiální kultury, naučí se navrhnout vhodné přítokování substrátu na základě dat získaných z vsádkové kultivace a naučí se oba procesy bilancovat. V praktické části práce studenti připraví inokulum produkční kultury, zkontrolují jeho kvalitu a asepticky jej zaočkují do bioreaktoru, který se naučí uvést do provozu, zvolit měřené regulované proměnné a u regulovaných veličin nastavit vhodné parametry. Poté budou ve vsádkové kultivaci hodnotit
nárůst biomasy, spotřebu substrátu a produkci zvoleného metabolitu, zároveň si vypočtou vhodný profil přítokování média a po spotřebování substrátu zahájí přítokovanou kultivaci. 4. Kultivace na pevném substrátu Úloha je zaměřena na kultivaci plísně Monascus purpureus na povrchu pevného škrobnatého substrátu (rýže, kroupy, jáhly, otruby případně jiný škrobnatý materiál). Studenti se tak seznámí s odlišnostmi tohoto typu kultivace oproti submerzním systémům. Cílem kultivace je produkce, izolace a stanovení barevných pigmentů, které se v asijských zemích běžně používají k barvení potravin. Vyučované speciální úlohy 1. Sladařství Studenti si v rámci cvičení sami vyrobí světlý slad plzeňského typu. Celý sladovací proces budou praktikovat na mikrosladovacím zařízení. V průběhu úlohy se tak seznámí s technologickými kroky máčení a klíčení ječmene a hvozdění zeleného sladu a dále se budou zabývat rozborem ječmene a sladu s využitím metod, které jsou běžně využívány v praxi. 2. Pivovarství Úloha zahrnuje technologii výroby piva v poloprovozním měřítku, včetně samostatné přípravy surovin, volby vhodného postupu a průběhu várky. Studenti budou věnovat pozornost procesu vystírání, rmutování, chmelovaru a scezování. Vyhotoví příslušný varní list s poznámkami o odchylkách procesu nebo případných problémech. Provedou rozbor mladiny a zakvasí ji várečnými kvasnicemi (mikrobiologická kontrola) v požadovaném množství. V hlavních parametrech budou sledovat proces hlavního kvašení a dokvašování a seznámí se se základními rozbory hotového piva. 3. Kontinuální kultivace a kinetika úbytku substrátu podél výšky lože náplňového reaktoru Měření degradace různě degradovatelných polutantů plynů podél výšky lože umožňuje sledování preferencí jednotlivých polutantů buňkami. Pochopení těchto dějů vede k možnosti účinnější regulace provozu biofiltru a tím k vyšší účinnosti procesu. Určení řádu reakce a řídícího děje (přestup hmoty vs. biodegradace) umožnuje aplikace vhodných matematických modelů na změřená data. To pak značně rozšiřuje úroveň znalostí a možnosti regulace celého procesu.
4. Fotobioreaktor - vsádková a vícestupňová kontinuální kultivace jednobuněčných řas Kultivace jednobuněčných řas (např. Chlorella vulgaris) ve fotobioreaktorech umožňuje experimentálně pozorovat a následně zpracovat jinou než exponenciální (např. lineární) kinetiku růstu v důsledku vzrůstající limitace světlem. Studenti se dále seznámí s možností sklízení řas pomocí flokulace za definovaných podmínek a zaměří se také na charakterizaci povrchových vlastností sklizených buněk metodou stanovení kontaktních úhlů s cílem zaznamenat rozdíly dané odlišným složením kultivačních médií. 5. Charakteristika toku fází, rozložení dob prodlení, ideální tok, pístový tok, neideální tok v náplňovém bioreaktoru Cvičení bude probíhat na různých typech míchaných a probublávaných reaktorů s/bez pevné fáze v průtočném uspořádání. Cílem bude zaznamenat výstupný signál (ph, konduktivita, absorbance) po nástřiku stopovací látky a následně zaznamenané údaje matematicky zpracovat pomocí známých modelů a vyhodnotit. Inženýrský úvod, modelování bioprocesů Přednáška začíná úvodem do bilancování procesů (aplikace zákona zachování hmoty a energie) Následuje popis jednotlivých kultivačních technik vsádková kultivace, vsádková kultivace s postupným živením a kontinuální kultivace z hlediska biologického činitele i bilancí (definování bilančního systému, hranic, bilančního období a jednotlivých složek bilance vstup, zdroj, výstup a akumulace). Na to navazuje kompletní odvození diferenciálních rovnic pro jednotlivé bilancované veličiny celková hmota, biomasa, substrát a produkt spolu s definováním počátečních a okrajových podmínek diferenciálních rovnic a možnostmi řešení této soustavy diferenciálních rovnic. Modelování a simulace V přednášce budou vysvětleny základní pojmy a postupy: - deterministické a stochastické modely; - dynamický systém; - obecný postup vytváření modelů. Dále se vyučující bude věnovat vytváření matematických modelů na základě bilancí, jejichž klíčovými pojmy jsou: - bilancovaný systém; - rozhraní; - bilancovaná veličina;
- bilanční interval; - bilanční rovnice. Probírány budou také principy numerického řešení diferenciálních rovnic: - Eulerova metoda; - stabilita řešení; - zaokrouhlovací chyba. Navazující úlohy: Kinetika chemické reakce; Vsádková kultivace; Identifikace parametrů modelu. Řízení a regulace bioprocesů Studenti budou seznámeni se základními pojmy, tj. řízení a regulace. V případě pojmu řízení budou probírány úkoly, charakteristiky, hierarchická a hardwarová struktura moderních řídicích systémů. S pojmem regulace pak souvisí další klíčová slova, která budou podrobněji a názorně vysvětlena, a těmi jsou: regulační obvod, dvoupolohová regulace, spojitá regulace a regulační pochod. Na vysvětlení základních pojmů bude navazovat téma logického řízení, v jehož rámci budou probírány logické proměnné, základní logické funkce a kombinační a sekvenční řízení. Navazující úlohy: Dvoupolohový regulátor teploty; Řízení sterilace.