Bioinženýrství I sylabus k předmětu BIOINŽENÝRATVÍ I Problematika biotechnologie a bioinženýrství Interdisciplinární charakteristika, souvislosti a návaznosti jednotlivých oborů, definice biotechnologií, ekonomické aspekty vývoje, biologická, chemická a inženýrská problematika.typy a využití technologických produktů. Úloha bioinženýrství v biotechnologiích a jeho definice. Bioinženýrské využití biologických poznatků praktické příklady průmyslových aplikací. Struktura bioprocesu, rozdělení na základě jednotkových operací, přehled zařízení. Bioinženýrské využití biologických poznatků Rozbor obecného biotechnologického procesu, vysvětlení návazností a integrace jednotlivých kroků s ohledem na charakteristiku produktu pro semiaseptické a aseptické typy výrob, využití surovin s proměnlivým složením versus chemicky čistých surovin. Vysvětlení souvislostí jednotlivých procesů s aparáty a zařízeními nezbytnými pro jejich provádění. Rozbor náplně bioinženýrství z hlediska jednotkových operací a strojně-technologického vybavení s ohledem na typ použitého biokatalyzátoru a specifické požadavky biotechnologických výrob. Struktura a funkce buňky. Biomembrány a buněčný transport Stavba buňky, uspořádání prokaryotní a eukaryotní buňky, souvislost s přenosem hmoty, energie a informace. Struktura a schopnosti biomembrán, uspořádání molekul v membráně a jejich pohyb, funkce biomembrán. Typy a mechanismus buněčného transportu (usnadněná difuse, pasivní přenašečový transport, aktivní přenašečový transport). Kinetika enzymových reakcí Odvození základní rovnice Michaelis-Mentenové, význam kinetických konstant, grafický průběh, řád reakce, stanovení kinetických konstant z experimentálních dat. Modulace a regulace enzymové aktivity inhibice kompetitivní, akompetitivní, nekompetitivní, smíšená, ireversibilní, substrátová. Allosterická regulace, aktivace. Faktory ovlivňující rychlost enzymových reakcí (chemické, fyzikální). Kinetika růstu buněk a tvorby produktu Model růstu a množení buněk, doba zdvojení, růstová rychlost, platnost exponenciálního růstu, růstová křivka a její rozbor, vliv koncentrace živiny na rychlost růstu, kinetika růstu buněk, stanovení kinetických konstant z experimentálních dat jednorázových kultivací. Diauxie příčiny vzniku, průběh kultivace, výpočet provozních veličin, lineární růst buněk. Inhibice substrátem příčiny, ovlivnění růstu buněk, základní matematické modely popisu, vyhodnocení kinetických konstant z experimentálních dat, technologické důsledky.
-2- Inhibice produktem příčiny, ovlivnění růstu buněk, základní matematické modely popisu, vyhodnocení kinetických konstant z experimentálních dat, technologické důsledky. Kvantitativní charakteristika bioprocesu Stechiometrie a hmotová bilance bioprocesu, stupeň redukovatelnosti zdroje uhlíku a energie, bilance dostupných elektronů, výpočet spotřeby kyslíku u aerobních procesů. Výtěžnosti procesu druhy, jejich význam a stanovení z experimentálních dat jednorázových kultivací. Metabolické kvocienty jejich význam a způsoby určení. Produktivita procesu definice, rozměry, způsob výpočtu z dat jednorázové kultivace, faktory ovlivňující produktivitu procesu, jde-li o biomasu, primární metabolit, sekundární metabolit. Typy kultivačních systémů Vysvětlení pojmů a odlišnosti provádění submersní a povrchové kultivace buněk, kultivace na tuhém substrátu, kultivace mikrobních, rostlinných a tkáňových buněk specifické odlišnosti (biologické, chemické, technické problémy), odlišnosti kultivace čisté a směsné mikrobní populace (aplikace, výhody, nevýhody), růst buněk na nosičích (tvorba biofilmu) aplikace, výhody, nevýhody. Submersní batch kultivace, fed batch kultivace, semikontinuální kultivace U každého typu: odvození pro homogenní systém, základní průběhy, způsob provádění, charakteristika procesu, měřené veličiny, výpočty parametrů kultivace z experimentálních dat, výhody a nevýhody, praktické aplikace. Kontinuální kultivace buněk v submersním systému Průběh v jednostupňovém homogenním systému, postup provádění, zavedení základních pojmů, transientní stav, ustálený stav, princip dynamické rovnováhy, shift-up, shift-down, hmotové bilance, grafické zobrazení hlavních parametrů odvozených z bilančních rovnic pro chování bioreaktoru v transientním stavu a ve stavu dynamické rovnováhy. Mezní a kritická zřeďovací rychlost, určení maximální hodnoty specifické růstové rychlosti z transientního stavu, výpočty hlavních parametrů kontinuálního procesu z experimentálních dat. Chemostat, turbidistat. Průběh v jednostupňovém homogenním systému. Význam těchto pojmů, bilanční schéma, grafické zobrazení, principy regulace obou systémů, změna koncentrace biomasy v reaktoru, charakteristické vlastnosti obou systémů a jejich odlišnosti, podmínky pro dosažení stavu dynamické rovnováhy (steady state), odhad řídící reakce v obou systémech, provozní rozsahy zřeďovací rychlosti eliminující riziko vyplavení buněk. Odchylky od teoretického průběhu: biologické příčiny, technické příčiny, způsoby pro zabránění těchto nežádoucích efektů. Popis chování průtočného reaktoru pomocí matematických modelů.
-3- Možnosti dosažení násobných stavů dynamické rovnováhy v případě procesu, kdy dochází ke kinetice inhibice matematický rozbor, určení provozní stability kontinuálního bioreaktoru. Speciální typy kultivací buněk v jednostupňových systémech Homogenní submersní kontinuální kultivace s recirkulací buněk interní recykl, externí recykl. Schéma a popis zařízení včetně použitých aparátů, transientní stav, dosažení stavu dynamické rovnováhy, provozní stabilita systému, porovnání se systémem bez recirkulace buněk, výhody a nevýhody, příklady průmyslových aplikací. Heterogenní batch kultivace buněk na tuhém substrátu. Schéma a popis zařízení včetně použitých aparátů, specifické požadavky na přípravu substrátu, instrumentální vybavení, měřené a regulované parametry, výhody a nevýhody, praktické aplikace (využití odpadních zemědělských surovin, bioremediace půdy, kultivace rostlinných a tkáňových buněk na nosičích). Heterogenní kontinuální kultivace buněk na nosičích. Tvorba biofilmu, měřené a regulované veličiny, výhody a nevýhody, praktické aplikace (biokonverse, biodegradace v kapalné a plynné fázi). Vícestupňové kultivační systémy Jednoproudový homogenní systém bez recirkulace nebo s recirkulací média. Schéma, konfigurace reaktorů, bilanční rovnice, výpočet hlavních parametrů procesu, výhody a nevýhody, praktické aplikace. Víceproudový homogenní systém schéma, konfigurace reaktorů, bilanční rovnice, výpočet hlavních parametrů procesu, výhody a nevýhody, praktické aplikace. Víceproudový kombinovaný homogenní a heterogenní systém schéma, konfigurace reaktorů, bilanční rovnice, výpočet hlavních parametrů procesu, výhody a nevýhody, praktické aplikace. Jednoproudový homogenní systém s mezistupňovým zpětným tokem schéma, konfigurace reaktorů, bilanční rovnice, výpočet hlavních parametrů procesu, výhody a nevýhody, praktické aplikace. Víceproudový homogenní systém s mezistupňovým zpětným tokem schéma, konfigurace reaktorů, bilanční rovnice, výpočet hlavních parametrů procesu, výhody a nevýhody, praktické aplikace. Ekonomické porovnání batch a kontinuální kultivace buněk (homogenní systémy) Porovnání pro proces, jehož cílem je tvorba biomasy, rozbor jednoho pracovního cyklu batch kultivace, porovnání na základě produktivity procesu, specifikace zjednodušujících předpokladů odvození, jejichž důsledkem je určitá nepřesnost srovnání. Způsob návrhu jednostupňového a vícestupňového homogenního kontinuálního kultivačního procesu z experimentálních dat batch kultivace hmotové bilance, odvození rovnic pro popis stavu dynamické rovnováhy kontinuálního procesu, grafické znázornění, vysvětlení principu, verifikace vypočteného odhadu parametrů pomocí experimentálních dat, zdůvodnění příčin
-4- nepřesnosti předběžného odhadu, význam uvedené metody pro návrh uspořádání procesu a provozních podmínek v kontinuálním reaktoru. Specifikace problémů a poruch a jejich rozbor při průmyslovém provádění batch a kontinuálních kultivačních procesů. Možnosti předcházení jednotlivých poruch. Rozbor nezbytných technologických opatření prováděných v průběhu poruchy a po jejím odstranění (závislost na druhu poruchy a délce jejího trvání). Míchání v biologických procesech Míchání v kapalném prostředí, rozdělení typů míchání podle způsobu vnášení energie do kapaliny. Mechanické míchání hlavní typy míchadel a jejich rozdělení podle různých hledisek (frekvence otáčení, směr proudění kapaliny, velikosti smykových napětí, samonasávací míchadla, vibrační míchadla). Typy a velikosti míchadel používané při kultivacích buněk (pro mikrobní buňky, speciální typy pro kultivace rostlinných a tkáňových buněk). Funkce míchadel. Turbínová míchadla s dělícím kotoučem typy, charakteristiky, odlišnosti. Hydraulické analogie. Vrtulová míchadla a lopatková míchadla - charakteristiky, odlišnosti od diskových turbínových míchadel, vysvětlení funkce, charakteru proudění v nádobě, volba vhodné velikosti míchadla, popis parametrů míchadla. Teorie míchání, rozměrová analýza, vliv geometrie reaktoru, umístění míchadla v reaktoru, fyzikálních vlastností míchané kapaliny. Podrobnosti, význam kriteriálních vztahů. Postup výpočtu příkonu míchadla a návrhu jeho pohonu pro submersní kultivaci buněk (tvar reaktoru je/není předem dán) pro tyto podmínky: Newtonské médium, aerobní/anaerobní podmínky. Nenewtonské médium, aerobní podmínky. (Proces vyžaduje/nevyžaduje dodržení aseptických podmínek). Vliv aerace na příkon míchadla, míchací narážky jejich funkce, počet, umístění v reaktoru. Použití násobných míchadel důvody, konfigurace míchadel v reaktoru. Problematika smykového napětí při kultivacích buněk. Riziko poškození/destrukce mycelia, tvorba druhy pellet, faktory ovlivňující poškození mycelia a možné technologické důsledky. Nezbytnost kompromisu při návrhu míchacího zařízení pro růst mycelárních mikroorganismů. Analogie pro kultivace rostlinných a tkáňových buněk.
-5- Charakteristika míchání v batch a kontinuálním reaktoru Čerpací kapacita míchadla. Obecná funkce popisu, průtokové číslo, experimentální metody pro stanovení čerpací kapacity, parametry míchadla ovlivňující hodnotu čerpací kapacity, porovnání turbínového a vrtulového míchadla z hledisky čerpací kapacity. Charakteristika míchání batch procesu (micromixing). Doba homogenizace, stupeň homogenizace, experimentální stanovení doby homogenizace, stopovací látky a jejich vlastnosti, vliv umístění snímacího čidla vůči míchadlu na vyhodnocované parametry, odezvové křivky, střední doba primární cirkulace. Způsoby korelace experimentálních výsledků doby homogenizace, postup při praktickém provádění měření. Charakteristika toku v průtočných reaktorech (macromixing). Zavedení základních pojmů, cíle, přenosová charakteristika systému, rozložení doby zdržení částic kapaliny v systému, popis experimentálního provedení, stopovací látky, odezva na impulsní (Dirac) vstupní signál, odezva na skokový vstupní signál, základní matematický popis. Vyhodnocení naměřených odezvových křivek střední hodnota rozložení, druhý moment kolem střední hodnoty (míra rozptylu), základní modely toku kapaliny v systému, kombinované modely pro popis reálných reaktorů, význam volby hraničního bodu na přesnost výsledků. Praktický příklad vyhodnocení toku v téměř ideálně a značně neideálně míchaných reaktorech a v případě vícestupňové reaktorové konfigurace. Hydrodynamická charakteristika trickle bed reaktoru (dynamická zádrž kapaliny v loži reaktoru). Aerace a přenos kyslíku v biologických procesech Úloha dispergace vzduchu v přenosu hmoty cíl, způsoby docílení dispergace, matematický popis stupně (kvality) dispergace. Vliv velikosti bublin, efekty na mezifázovém rozhraní, intensita míchání, viskosita, povrchové napětí, Sauterův střední průměr bublin. Experimentální metody pro měření vlastností dispersí. Proudění kapaliny a bublin v míchané nádobě. Zádrž dispergované fáze a její experimentální měření a vyhodnocení. Jev koalescence bublin, příčiny, parametry ovlivňující rychlost koalescence, praktické příklady koalescentních a nekoalescentních systémů. Korelační vztahy pro výpočet parametrů disperse. Omezení dispergační funkce míchadla korelační vztahy. Zahlcení míchadla plynem. Mechanismus přenosu kyslíku ukázka na modelu dvoufilmové teorie. Obecná rovnice přenosu kyslíku v biologickém reaktoru zavedení základních veličin včetně jejich rozměrů, rychlost dodávky kyslíku, rychlost spotřeby kyslíku, Henryho zákon. Parametry ovlivňující přenos kyslíku typ a velikost míchadla, intenzita míchání, typ distributoru vzduchu, velikost aerace, teplota, parciální tlak kyslíku, fyzikální a fyzikálně-
-6- chemické vlastnosti kultivačního média. Vztahy pro výpočet objemového koeficientu přenosu kyslíku z podmínek míchání a aerace doporučené hodnoty jednotlivých příkonů míchadel v praxi. Funkce kyslíku v buňkách. Faktory ovlivňující rychlost spotřeby kyslíku buňkami druh mikroorganismu, fysiologický stav buněk, složení živného média, ph média, rychlost dodávky kyslíku, specifická růstová rychlost. Vztahy charakterizující požadavky buňek na kyslík. Kinetika spotřeby kyslíku, kritické koncentrace rozpuštěného kyslíku. Metody stanovení koncentrace rozpuštěného kyslíku experimentální, výpočetní. Typy kyslíkových elektrod, jejich konstrukce, použité materiály, elektrolyty, membrány. Výhody, nevýhody nekrytých/krytých O 2 elektrod včetně praktických aplikací. Metody experimentálního stanovení objemového koeficientu přenosu kyslíku v bioreaktorech popis a vysvětlení jednotlivých metod, výhody a nevýhody. Vyhodnocení měření provedených jednotlivými metodami. Doporučená literatura: Rychtera M., Páca J.: Bioinženýrství kvasných procesů, skriptum VŠCHT Praha, MON, 1987 Rychtera M., Uher J., Páca J.: Lihovarství, drožďářství a vinařství, skriptum VŠCHT, SNTL, Praha 1991 Krumphanzl V., Řeháček Z.: Mikrobiální technologie, Academia, Praha 1987 Weide H., Páca J., Knorre W. A.: Biotechnologie, Fischer Verlag, Jena 1991 Kaprálek F.: Fyziologie bakterií, SNP, Praha 1986 Sikyta B.: Metody technické mikrobiologie, SNTL, Praha 1978 Strek F.: Míchání a míchací zařízení, SNTL, Praha 1977