Transcript BIOPROCESNO IN*ENIRSTVO

NAČINI
VODENJA
BIOPROCESOV
Šaržni proces
Šaržni proces z dohranjevanjem
Kontinuirni proces
Kontinuirni proces z reciklom
Šaržni proces
 Rast
celic
 max S
dX
rX 
 X 
X
dt
KS  S
 Poraba
substrata
max S X
dS
X
rS 


dt
YX / S
K S  S YX / S
 Produkt
1
X
1
qp 
X
qp 
dP
 YP / X  g   g  
dt
 max S
dP


dt
KS  S
Nestrukturni, nesegregirani modeli
 Slabosti:






Ne upoštevajo in ne prepoznavajo poznavanja
celičnega metabolizma in regulacije
Ne vključujejo lag faze
Ne dajej vpogleda v variable, ki vplivajo na rast
Predpostavljajo „črno skrinjo“ oz angl. „black box“
Predpostavljajo, da so za dinamičen odziv celic
ključni notranji procesi, ki imajo časovni zamik v redu
velikosti odzivnega časa
Za večino procesov se predpostavlja, da so prehitri
(psevdo stacionarno stanje) ali prepočasni, da bi
vplivali na opazovan odziv
Nestrukturni
nesegregirani modeli rasti biomase
 Model

Inhibicija s substratom – nekompetitivna
g 

z inhibitorji rasti
max
S
 K s 
1 
1  
S  K I 

Če je KI » KS:
g 
max S
2
Ks  S  S K
I
Inhibicija s substratom - kompetitivna

max S

S
K S 1    S
 KI 
Modeli z inhibicijo rasti
 Inhibicija
s produktom
Nekompetitivna inhibicija s produktom

max
P 
 K S 

1

1



S  K P 

Kompetitivna inhibicija s produktom

max S

P 
  S
K S 1 
 KP 
Modeli z inhibicijo rasti
 Inhibicija
s strupenimi (toksičnimi) snovmi –kinetika
kot pri encmih
Nekompetitivna

Kompetitivna
 max
 KS
1 
S

I


1


 K I




Akompetitivna


I
K S 1 
 KI

  S

Z upoštevanjem celične smrti
 max S


KS
I

 S 1 
 (1  I / K I )
 K I
max S




 max S
KS  S
 k d'
Rast nitastih organizmov
 Model
– ni omejitev s prenosom snovi
dR
 k p  konst .
dt
R - radij flokule celic, peleta ali kolonije
Hitrost rasti biomase (M) lahko zapišemo kot:
dM
2 dR
  4R
 k p  4R 2
dt
dt
1/ 3
ali
Kjer je:   k p (36)
dM
1
𝛾∙𝑡
𝛾∙𝑡
 M 2 / 3
𝑀 = (𝑀03 + 3 )3 ≈ ( 3 )3
dt
Filamentozni organizmi
 Po
integraciji dobimo:
 1/ 3 t   t 
M   M0     
3 3

3
 M0
3
je ponavadi zelo majhen, zato:
M t
 Model
3
potrjujejo eksperimentalni podatki.
Šaržni proces z dohranjevanjem
d( CV )
dC
dV
dC
V
C
V
 CFV( t )
dt
dt
dt
dt
FV( t )
D
V( t )
d(XV)
dt
=XV
d(SV)
dt
= F SV + rs V
d(PV)
dt
= rp V
Kontinuirni bioproces
Tipi kontinuirnih obratovanj
Glede na metodo nadzora:
 Kemostat - reguliran na osnovi nadzora
koncentracije limitnega hranila
 Turbidostat - reguliran na osnovi nadzora biomase z
uporabo optične gostote (fotoelektrična celica)
 Biostat - reguliran na osnovi sistema za nadzor
biomase, ki ne temelji na optični gostoti (npr.
proizvodnja CO2)
Uporaba kontinuirnih procesov

Industrija
Biološke čistilne naprave
 Proizvodnja „single-cell“ proteinov
 Kontinuirna proizvodnja piva
 Kontinuirna proizvodnja amino kislin
 Kontinuirna proizvodnja organskih kislin
 Kontinuirna proizvodnja etanola

Uporaba kontinuirnih procesov

Raziskave
Fiziološke in biokemijske študije za nadzor hitrosti rasti
Vpliv dejavnikov okolja/ procesnih parametrov na rast in tvorbo
produkta

Indukcija, represija, hitrost rasti, vpliv temperature, pH itd.

Mikrobna ekologija
Izbor populacij, ki rastejo počasi
Interakcije žrtev-plenilec
Kompetitivnost (npr. plasmidi +/-)

Kinetične študije
Izračun rastnih konstant, podatki o fermentacijah
Snovne bilance – kontinuirni
proces
 za
biomaso (X):
dX
FX
 X  X -D X
dt
V
 za
substrat (S):
FS
dS F S V

 rS 
 D( S V  S )  rS
dt
V
V
 za
produkt (P):
FP
dP
 rP 
 rP  D P
dt
V
Kemostat
 Stacionarno
 Biomasa:
stanje
0  X -D X
 D
 Substrat:
0  D( S v  S )  rS
 Ks
S
 max  
X  YX / S S V  S
S
D Ks
 max  D
Kemostat – tvorba produkta
DPF  P  YP / X    X  0
Če je PF =0
YP / X X
P
D
Uporaba kontinuirnih procesov
VR 
dS
1
1
 F  S F  F  S  VR   g  X  M  VR  qP  X 
dt
Yx / S
YP / S
YxM/ S ...maksimalni izkoristek X/S
Če ni tvorbe produkta + stacionarno stanje:
D  (S F  S )   g  X 
1
YxM/ S
D  (S F  S )  ( D  kd )  X 
D   g  kd  
1
YXM/ S
0 /:X
k
S S  D
D F
/:D
  M  Md  0
 X  YX / S YX / S
k
m
1
1
1
 M  Md
 M  S
AP
Y X / S YX / S YX / S  D YX / S D
mS 
kd
YXM/ S
Uporaba kontinuirnih procesov
Kemostat z reciklom celic
FR, XR
F, X2
F, X0
V, X1
F+FR, X1
F – pretok napajalne raztopine
V – volumen reaktorja
X1 – koncentracija biomase v reaktorju
X2 - koncentracija biomase v iztoku
XR - koncentracija biomase v reciklu
FR – pretok recikla
Kemostat z reciklom celic
Snovna bilanca za biomaso:
dX 1
F X0 + FR XR - (F+ FR) X1 + VX1 = dt V
FR, XR
F, X2
F, X0
V, X1
F+FR, X1
Kemostat z reciklom celic
Definicije
 = FR/F
C = XR /X1
Izpeljava
 F + FR = (1 + )F
 FRXR člen
FR = F
XR = CX1
FRXR = CFX1
dX 1
F X0 + FR XR - (F+ FR) X1 + VX1 =
V
dt
dX 1
F X0 + CFX1- (1 + )F X1 + VX1 =
V
dt
Kemostat z reciklom celic
 Predpostavke

Stacionarno stanje:

Sterilni vtok: X0 = 0
dX 1
dt
=0
(C - 1 -)F + V = 0
Če je D = F/V, velja za recikel:
 = D(1+ (1 -C))
Kemostat z
reciklom
lahko
če je C > 1 (konc. celic), potem je (1 - C) < 0 deluje pri
in je  < D
D  max
Bilanca za substrat- Recikel
X 1
dS
FS0  FS  V
 (1   ) FS  V
YX / S
dt
V
stacionarnem stanju in menjavi D za :
YX / S ( S0  S )
X 1  YX / S ( S0  S ) 

(1    C )
D
Bilanca za substrat- Recikel
 Upoštevamo
kinetiko Monoda
K S D(1    C )
S
 max  D(1    C )

YX / S
K S D(1    C ) 
X1 
S0 

(1    C ) 
 max  D(1    C ) 