Moderní způsoby kultivace

Prezentace na téma: "Moderní způsoby kultivace"— Transkript prezentace:

1 Moderní způsoby kultivace
Ing. Aleš Prell, CSc. Mikrobiologický ústav AVČR, v.v.i. Biotechnologická hala

2 moderní způsoby kultivace v bioreaktorech
submerzní kultivace v kapalině (SLC) míchané bioreaktory jednorázové kultivační vaky membránové bioreaktory kultivace na pevných půdách (SSC) proces – dynamika, řízení, optimalizace základní typy kultivačních procesů optimalizace bioprocesu

3 kultivace v bioreaktorech

4 BIOREAKTOR zařízení, kde probíhá růst buněk a tvorba produktů nebo konverze substrátu na jeden či více produktů

5 ideální bioreaktor rychlý přestup tepla, kyslíku a hmoty, rychlá homogenizace, nízké provozní náklady

6 transport živin a metabolitů
mezifázové rozhraní plyn-kapalina transport v kapalině kapalina-pevná fáze transport aglomerátem transport přes biologické membrány Sj - substráty, Pj - produkty, ∆Hv - tepelná bilance

7 rozdělení bioreaktorů / kultivací

8 podle skupenské fáze submerzní (suspenzní) – částice se volně vznášejí v kapalné fázi míchané reaktory air-lift bublané kolony imobilizované – buňky jsou ukotveny v pevné struktuře membránové – oddělení fází či komponent systému pevné lože (packed-bed) – protékání pevného nosiče fluidní lože – vznáší se v proudu na pevné fázi – médium v tomto uspořádání tvoří pevný povrch a buňky tvoří povlak čí nárůst

9 (Solid-Liquid-Cultivation – SLC) vs. kultivace s imobilizací
submerzní kultivace (Solid-Liquid-Cultivation – SLC) vs. kultivace s imobilizací kultivace na pevném substrátu (Solid-Solid-Cultivation – SSC)

10

11 rozdělení bioreaktorů podle
operačního módu vsádkový (batch) přítokovaný (fed-batch) kontinuální perfuzní měřítka laboratorní (do 30 L) čtvrtprovozní (do 100 L) poloprovozní (do 5000 L) provozní

12 výběr bioreaktoru přestup kyslíku přestup tepla
přestup hmoty požadavky na míchání nároky na energie citlivost kultury ke střižným silám reologie kapaliny - viskozita média (míchání, přestup hmoty, přestup tepla, střižné síly) minimalizace odparu kapaliny tlaková odolnost sterilita operace čištění bioreaktoru bezpečnost účelová flexibilita a kompatibilita cena zařízení a jeho provozu přestup kyslíku a tepla jsou limitující faktory pro provoz bioreaktoru a scale-up

13 živné půdy (media)

14 kultivační médium je nezbytné pro růst a metabolismus mikroorganismů
tvoří vnější prostředí, které ovlivňuje chování mikroorganismu (růst, metabolismus, fyziologie) ovlivňuje výtěžnost, rychlost tvorby produktu, složení produktu musí obsahovat dostatečné množství živin živiny – růst buněk, získání energie pro syntézu produktu a zachování buněčné integrity

15 základní typy médií KOMPLEXNÍ organický zdroj živin DEFINOVANÁ
hydrolyzáty proteinů (peptony) extrakty masa, kvasnic DEFINOVANÁ známo složení minerální soli čisté esenciální složky zdroj uhlíku a energie

16 návrh složení média je nutno znát biochemii kultivace – vliv na metabolismus a fyziologii buněčné populace účel kultivace – složení média (DSP) cena (tvoří přes 50% ceny konečného produktu), stálost jeho složení formulace média - kompromis mezi nutričními požadavky, cenou a dostupností složek média chemické složení média – určí se ze složení biomasy a produktu, výtěžnostních koeficientů a doplňkových experimentů

17 funkce živin zdroj stavebního materiálu nebo prekurzorů pro syntézu nových buněčných součástí – sloučeniny, které se stanou součástí biomasy zdroj energie - sloučeniny, které se nestávají přímo součástí biomasy, ale slouží k výrobě energie (jako donory nebo akceptory elektronů) ovlivňují složení mikrobiální buňky elementární složení všech mikrobiálních buněk je relativně podobné – možnost odhadu obecných požadavků MO na živiny a návrh média – obsah hlavních prvků (C, H, N, O, S, P)

18 fyziologické funkce média
uhlík, vodík, kyslík, dusík, fosfor, síra, kationty a stopové prvky, voda... část oxidována na CO2 (disimilace), využití takto získané energie na syntézu biomasy ze zbylé části (asimilace) poměr asimilované a disimilované části je závislý na stupni redukce C-zdroje maximální výtěžnost substrátu - čím více oxidovaný zdroj uhlíku, tím více je ho disimilováno a méně asimilováno odrazí se to v YX / S

19 hlavní elementární složky
VODÍK – hlavní zdroj je katabolický NAPDPH+ KYSLÍK – plynný, mění typy metabolismu DUSÍK – amonné soli, dusičnany, aminokyseliny, močovina, pepton, hydrolyzát kaseinu, kvasničný extrakt FOSFOR – anorganické fosfáty IONTY KOVŮ – Fe, Mg, K, Ca... definované roztoky nebo komplexní org. zdroje

20 další nezbytné složky stopové prvky – Na, Mn, Co, Ni, Cu
růstové faktory - esenciální org. sloučeniny, které si buňka neumí sama syntetizovat vitamíny – často kofaktory enzymů L-aminokyseliny – především glutamová puriny a pyrimidiny - syntéza nukleových kyselin VODA – pitná, deionizovaná, destilovaná... odpěňovadla – povrchové napětí, oleje, polyglykoly polymery (PPG)

21 pH a iontová rovnováha stabilizace pH – užití pufrů v médiích
organické kyseliny, fosfáty, peptony, TRIS, HEPES … regulace pH NaOH, NH3, H3PO4, H2SO4 iontová síla, redox – ovlivňují růst, produkci a produkty

22 příprava inokula, sterilizace, inokulace

23 příprava inokula uchování kmenů
lyofilizace, tekutý dusík, hluboké zmrazení přeočkovávání na pevných půdách revitalizace v kapalném médiu – třepání inokulační tanky poměr 1:10 až 1:20 důraz na růst, nikoli produkci, často komplexní média a převod do definovaných co nejméně inokulačních stupňů

24 aseptický proces, sterilizace

25 požadavky na aseptický proces
sterilita – nepřítomnost živých organismů odstranění veškerých živých MO ze zařízení zabránění vstupu kontaminace po sterilaci zachování sterility – ekonomika procesu, bezpečnostní hledisko sterilizace bioreaktoru a veškerého dalšího zařízení a portů (potrubí, ventily, filtry, příchozí i odcházející vzduch, vzorkovací zařízení, senzory atd.)

26 úrovně požadavků na čistotu
pro dekontaminace životního prostředí pro agrotechnologie pro krmivářství potravinářská kvalita pro biochemii, biotransformace farmaceutická a medicínská kvalita

27 kontaminace může způsobit
likvidaci producenta (bakteriofágy) produkci toxinů (bezpečnost produktu, inhibice produkčního kmene) produkci enzymů (degradace produktu) snížení výtěžnosti (spotřeba substrátu) produkci metabolitů (polysacharidy) spotřebu části substrátu (výtěžnost)

28 sterilizace média a bioreaktoru
ostrou párou min 121ºC, 0.2 MPa horkým vzduchem ºC chemicky – ethanol, chlornan sodný, fenol, formaldehyd.... UV, X-rays – většinou povrchy, prostory ultrafiltrace – plyny, roztoky velké bioreaktory in situ (SIP), malé v autoklávu

29 hodnocení sterility D-hodnota – snížení počtu zárodků na 1/10
závisí na odolnosti mikroorganismu N – počet živých zárodků, t – čas sterilizace, k -  konstanta MO pro mokré/suché teplo Bacillus subtilis D121 = min (mokré teplo) pro N0/Nt = 1012 je t = 12.D

30 sterilizace parou in situ
naplnění médiem, zapnutí přívodu páry, míchání pomalé, horní otvor otevřen, ostatní uzavřeny, zahřátí média, vypuzení vzduchu, dosažení 100ºC uzavření horního otvoru, jediná cesta – kondenzátor, sterilace filtrů (in/out), sterilace potrubí a výpustního ventilu, dosažení 121ºC, sterilace 20 minut ochlazení na kultivační teplotu nutnost sterilního vzorkování a filtrace vzduchu

31 sterilizace vzduchu a odplynů
možnost sterilizace velkých objemových průtoků: vzdušnění obvykle 1 VVM 10 m3 reaktor – za 48 h m3 vzduchu koncentrace MO ve vzduchu – 1-10/L vzduchu ultrafiltrace – splňuje všechny požadavky, používá se ke sterilizaci vzduchu, hydrofobní membránové filtry v patroně, póry 0.1 μm

32 inokulace aseptické převedení inokula do bioreaktoru vyššího stupně
sterilizovatelné potrubní spojení čerpání tlakem sterilního vzduchu sterilní inokulační jehly septa v aperturách ve víku bioreaktoru čerpání peristaltickými čerpadly inokulum nepřichází do styku s čerpadlem

33 přestup tepla, aerace a přestup kyslíku

34 přestup tepla vznik tepla - míchání (příkon míchadla 15 kJ/m3.s, aerace, činnost mikroorganismů aerobní procesy – množství uvolněného tepla proporcionální spotřebovanému kyslíku, Q(kJ/m3.s) = 0,12 . OCR(mmol O2/m3.s) Q – rychlost produkce tepla, OCR – rychlost spotřeby kyslíku 450 kJ tepla/mol utilizovaného O2 submerzní kultury 3-15 kJ/m3.s odvod tepla – chlazení, externí plášť, interní vestavby scale-up – přestup kyslíku a tepla limitující (omezená chladicí plocha – vyšší objem, menší chladicí plocha)

35 aerace (provzdušňování)
aktivní přísun vzduchu do bioreaktoru za současné účinné dispergace – velké mezifázové rozhraní stupeň dispergace Db – průměr bublin (2-3 mm), ε – plynová zádrž vvm – volume/volume/minute VG – průtok vzduchu Vr – objem reaktoru

36 přestup kyslíku rychlost přestupu kyslíku (oxygen transfer rate)
rychlost spotřeby kyslíku (oxygen uptake rate)

37 vlivy na přestup kyslíku
C*: rovnovážná koncentrace kyslíku teplota, tlak a charakter kapaliny (koncentrace solí, viskozita) C: aktuální koncentrace kyslíku geometrie nádoby - průměr, kapacita, konfigurace a velikost míchadla, příkon, zarážky aerace - velikost a umístění distributorů vzduchu, způsob operace vlastnosti kapaliny (morfologie a koncentrace MO, odpěňovací činidla) ovlivňují C velké fermentory (>5000 L) OTR < 300 mmol/L.h

38 jak zvýšit přestup kyslíku za daných podmínek
zvýšení průtoku vzduchu zvýšení otáček míchadla zvýšení tlaku v bioreaktoru zvýšení obsahu kyslíku ve vzduchu závislosti jsou nelineární

39 submerzní kultivace v kapalném médiu SLC

40 submerzní bioreaktory
kyslík - aerobní, anaerobní konstrukce míchání - mechanické, pneumatické nebo hydraulické fluidní vrstva náplňové membránové fotobioreaktory

41 hlavní funkce bioreaktoru
zajistit ideální prostředí pro růst a tvorbu produktu médium → živiny → homogenita → míchání médium → živiny → přítokování aerobní procesy → přestup kyslíku → míchání, aerace tepelná bilance → míchání, temperace regulace pH

42 míchané bioreaktory

43 míchání bioreaktoru s mechanickým mícháním
s pneumatickým promícháváním probublávané reaktory prosté s vnitřními vestavbami (air-lift) s cirkulační trubkou s vnější cirkulací fluidní lože

44 pneumaticky míchané reaktory
vstup energie pouze plynnou fází (aeračním plynem) vzduch vstupuje zespoda tryskami aerobní kultivace vhodné pro MO citlivé ke střižným silám výhody: jednoduché zařízení, neporuchové, investičně nenáročné, rychlost přenosu kyslíku vysoká nevýhody: ne pro média s vyšší viskozitou, velká spotřeba vzduchu, pěnění média

45 probublávané reaktory
cylindrická nádoba, poměr 1:2 (kolona) rozdělovač plynu obvykle naspodu reaktoru nepřítomnost speciálních difuzorů a vestaveb přestup kyslíku a míchání – dáno rychlostí proudění vzduchu a reologií kapaliny maximální rychlost míchání obvykle ≤ 0,1 ms-1 nevýhoda – obvykle malý přestup O2

46 air-lift reaktory vestavby – zarážka, cirkulační trubka
funkce vestaveb: dostatečná dispergace plynu – umožňuje obnovování mezifázového povrchu – zvyšuje přestup kyslíku organizování toku fází zvýšení doby prodlení plynu zvýšení mikroturbulence

47 air-lift reaktory - cirkulace
systémy s vnitřní cirkulací difuzor pod cirkulační trubkou, vzestupné proudění v trubce, část odplynů odchod horní částí, v mezikruhové ploše proudí kapalina zpět dolů cirkulační trubka systémy s vnější cirkulací 2 kolony spojené ve spodní a horní části aerovaná kolona – větší průměr úplná separace bublin z kapaliny v horní části reaktoru indukovaná cirkulace směruje vzduch a kapalinu v reaktoru

48 bublaná kolona a air-lift s centrální trubkou

49 reaktory s fluidním ložem I
vhodné pro imobilizované MO nebo enzymy, flokulované MO kapalina proudí vzhůru – suspendace pevné fáze podobné probublávaným reaktorům, horní část rozšířená – redukce povrchové rychlosti – pevné částice se vracejí do střední části, kapalina odchází lze probublávat vzduchem/jiným plynem – zvýšení turbulence a míchání příliš lehké částice – použití nosiče, zvýšení sedimentační schopnosti náplňové bioreaktory pevná matrice (porézní x neporézní, polymer x rigidní materiál), biokatalyzátor

50 reaktory s fluidním ložem II
přívod živin, kontinuální, proudí přes náplň, metabolity a produkty odváděny výška náplně – hustota a kompresibilita nosiče, proudění kapalin (tlak na nosič), prostor pro proudění plynů nehomogenní prostředí – změna koncentrace živin s výškou náplně, gradient pH, špatné promíchávání využití – reakce, kde se vyskytuje inhibice produktem (rozdílná koncentrace produktu podél náplně)

51 další typy bioreaktorů
fotobioreaktory fotosyntetizující kultury – mikrořasy, cyanobakterie bioreaktory pro kultivaci na pevné fázi bioreaktory pro kultivaci živočišných buněk

52 mechanicky míchané reaktory
třífázový systém: plyn-kapalina-pevná fáze účel míchání – homogenizace, dispergace koncentrační a teplotní homogenita střihové napětí – rozbíjení bublin – velká mezifázová plocha vysoká turbulence – přestup látky a tepla mechanické míchadlo (disková turbína, 4-6 listů, d asi 0.3 dT) vzdušnění zespoda zarážky pro optimální promíchávání (4-8, d asi 0.1dT) – zamezení vzniku víru aerační věnec - bubliny rozbíjeny míchadlem vrchní část - odplyny

53 mechanicky míchaný bioreaktor – tlaková nádoba I
1 - nádoba bioreaktoru 2 - plášť 3,4 - izolace 5 – přívod inokula 6 – porty pro pH elektrody 7 - míchadlo 8 – aerační věnec 9 – ucpávka 10 - převodovka 11 – motor 12 – vypouštěcí otvor

54 mechanicky míchaný bioreaktor – tlaková nádoba II
13 – chlazení pláště 14 – vzorkovací otvor s připojením páry 15 – prosklená plocha (pozorování obsahu) 16 – přívod roztoků na úpravu pH a odpěňovadla 17 – vstup vzduchu 18 – víko 19 – přívod média 20 – odvod vzduchu 21 – porty na různé senzory (O2, T,…) 22 – rozbíječ pěny 23 – přívod páry 24 – tryska

55 dispergace mícháním rozbíjení bublin – velká mezifázová plocha – vysoký přestup O2 do kapaliny vytvoření dostatečného střihového napětí nutno znát maximální střihové napětí, které mikroorganismy snáší kompromis mezi maximální dodávkou kyslíku a homogenizací a velikostí střihových sil

56 základní typy míchadel
vrtulové vysoká čerpací kapacita, menší střižné síly, axiální tok turbínové otevřená disková turbína s dělicím kotoučem, vzduch přiváděn do aeračního věnce pod míchadlem; výhody – vysoké střižné síly způsobují dispergaci vzduchových bublin, dělicí kotouč zabraňuje zkratovému toku vzduchu kolem hřídele; nevýhoda – omezená čerpací kapacita

57 mechanická míchadla nahoře: disková míchadla - různý směr lopatek
dole: a) vrtulové b) diskové s narážkami c) diskové bez narážek

58 základní konfigurace obvykle více míchadel – zlepšení homogenizace (vzdálenost D) rychlost míchání – limitace dle systému (vibrace) velikost míchadla – větší průměr – lepší míchání (D/DT =  ) zarážky – zlepšení míchání, minimalizace vzniku víru, 4 ks 0.1 DT vzdušnění – zlepšení míchání

59 příkon míchadel pro newtonské kapaliny
příkonové číslo je funkcí Reynoldsova čísla P0 – příkonové číslo, ρ – hustota, n – otáčky, d – průměr míchadla, μ – dynamická viskozita

60 důvodem pro intenzívní míchání není obvykle homogenizace, ale
přestup kyslíku

61 kultivace v jednorázových kultivačních vacích

62 charakter kultivačních vaků
stupňování požadavků na čistotu a sterilitu citlivost tkáňových kultur na střižné síly předsterilizované jednorázové plastové kultivační vaky kultivační objemy od stovek mililitrů až po tisíc litrů nedostatek kyslíku – jemná dispergace náklady na jednorázové zařízení jsou vysoké - drahé produkty

63 bioreaktory s vlnovým mícháním
1: základna, 2: čep, 3: vsádka, 4: vak, 5: výstupní filtr, 6: vstupní filtr.

64 výbava kultivačních vaků
apertury pro vstupy a výstupy médií, inokula, aeračního plynu a výdechového plynu sterilita plynů se zajišťuje mikrofiltry spoje jsou realizovány jednorázovými trubkami, hadicemi a konektory jednorázové senzory pro kultivační parametry - pH, teplotu, koncentraci rozpuštěného kyslíku

65 vaky s mechanickým mícháním
nedostatečné míchání v plastových vacích plastové nebo ocelové mechanické míchadlo pohyblivé spojení je zajištěno magnetickou spojkou, nebo různými typy plastových či keramických ucpávek vak je často umístěn v ocelové nádobě

66 Sartorius Stedim Biotech: BIOSTAT CultiBag STR Plus

67 membránové bioreaktory

68 charakter a použití MBR
charakteristická zádrž buněk nebo nosičů je možné dělení produktů katalyzovaná reakce (retězec reakcí) mimo membránu uvnitř membrány (funkcionalizovaná membrána) vhodné pro kultivace tkáňových buněk, kmenových buněk čištění odpadních vod

69 submerzní membránový bioreaktor

70 funkční dělení MBR bioreaktory se separací buněk (biomass separation membrane bioreactor, BSMBR) bioreaktory s aerací přes membránu (membrane aeration bioreactor, MABR) extraktivní bioreaktory, kde se odděluje metabolit či produkt (extractive membrane bioreactor, EMBR) bioreaktory s výměnou iontů na membráně (ion exchange membrane bioreactor, IEMBR)

71 perfuzní bioreaktory distribuce media sítí kanálů k buňkám - kontinuální výměna média

72 hollow-fibre bioreaktor
dvou-kompartmentový systém intrakapilární a extrakapilární prostor svazek dutých vláken rovnoměrný průtok pro všechna vlákna svazku svazek dutých vláken je uložen v cylindrickém pouzdře, kterým proudí extrakapilární tok semipermeabilní membrána - selektivní prostup složek média

73 kultivace na pevných půdách
SSC

74 výhody SSC jednoduchost a nenáročnost na strojní vybavení
vyšší objemová koncentrace produktů efektivnější izolace produktů jednodušší inokulace, absence tvorby pěny menším objem odpadů některé organismy se v submerzním prostředí kultivují obtížně, nebo netvoří žádané produkty (např. některé vláknité mikroorganismy, nebo tkáňové buňky adherující na pevné povrchy) uvádí se vyšší odolnost ke kontaminaci, protože SSC představují selektivnější prostředí z hlediska dostupnosti substrátu a snížené vlhkosti. je obtížnější zajistit sterilitu technicky

75 bioreaktory pro pevný substrát

76 nemíchané bioreaktory
nemíchaný a neaerovaný otevřená vana, nad kterou cirkuluje vzduch nemíchaný a aerovaný packed-bed – suchý substrát ve vertikálním loži, zespoda vháněný zvlhčovaný vzduch

77 míchané bioreaktory s aerací nebo bez
bubnové rotační, bubnové s lopatkami vertikální s oběžným míchadlem

78 Terrafors 15 L rotating drum

79

80 kultivační proces – dynamika, řízení, optimalizace

81 základní typy kultivací
vsádková (batch) uzavřený systém, není průběžný přítok živin ani odvod metabolitů přítokovaná (fed-batch) přítok média ano, odvod média ne – objem reaktoru není konstantní kontinuální (continuous cultivation) otevřený systém, plynulý přítok a odtok média, konstantní objem reaktoru

82 vsádková kultivace (batch)
uzavřený systém všechny živiny i inokulum přivedeny na počátku kultivace živiny postupně spotřebovávány, akumulace biomasy a metabolitů – činností metabolismu MO konstantní objem bioreaktoru zanedbává se změna objemu – úprava pH, odpěňování, vzdušnění

83 fáze růstu v batch režimu
lag fáze exponenciální fáze stacionární fáze fáze odumírání mezi jednotlivými fázemi tranzientní stavy požadavky: minimalizace lag fáze, prodloužení a exponenciální fáze

84 fáze růstové křivky

85 exponenciální fáze růstu
intenzivní a pravidelný růst – lze ho sledovat jako koncentraci buněk nebo biomasy T – doba zdvojení, n – počet generací

86 průběh vsádky v exp. fázi

87 maximalizace μ složení média, teplota, pH, DOT, koncentrace substrátů atd. množství vytvořené biomasy přímo úměrné množství spotřebované živiny výtěžnost (yield): rychlost růstu úměrná rychlosti spotřeby živiny a naopak hodnota YX /S za různých podmínek různá

88 řízení vsádkového procesu
produkce biomasy – maximální délka exponenciální fáze růstu produkce primárního metabolitu – prodloužení exponenciální fáze růstu za současné produkce metabolitu produkce sekundárního metabolitu – krátká exponenciální fáze, prodloužená stacionární fáze

89 přítokovaná kultivace (fed-batch)
jedna nebo více živin dávkováno do bioreaktoru během kultivace, produkt zůstává v bioreaktoru přítok média ano, odvod média ne – Vr není konstantní řízení rychlosti přítokování limitujícího substrátu řízení rychlosti spotřeby substrátu řízení reakčních rychlostí a metabolismu výhoda – řízenou změnou koncentrace živin lze ovlivnit výtěžek nebo produktivitu živiny jsou dodávány během kultivace, neodvádí se médium - objem bioreaktoru roste

90 uplatnění fed-batch substrátová inhibice (methanol, ethanol, kyselina octová, atd.) hustá kultura – vysoká koncentrace buněk glukosový efekt (over-flow metabolismus) katabolická represe – snadno metabolizovatelný zdroj (glukosa) optimalizace tvorby metabolitu – produkce AK, řízené udržování nízké koncentrace S prodloužení produkční fáze (oddělení produkční a růstové fáze) – sekundární metabolity

91 řízení přítoků I koncentrace substrátu se udržuje konstantní nebo se mění podle optimálního algoritmu pomalý konstantní přítok média – lineární růst celkové biomasy exponenciální přítok média – exponenciální růst biomasy přítokování média podle zvoleného parametru spojeného s růstem biomasy nebo produkcí (zpětnovazebná regulace)

92 řízení přítoků II podle předem daného schématu – přerušovaný nástřik podle vypočtené funkce přímo – měření koncentrace substrátu v bioreaktoru, podle toho upraven nástřik nepřímo – měření jiných parametrů, které jsou spjaté s metabolismem buňky – DOT, pH, CO2 a O2 v odplynech atd.

93 kontinuální kultivace
otevřený systém plynulé(nepřetržité) dodávání živin (média) plynulý odběr média pozměněného metabolickou činností MO i s částí biomasy rychlost přítoku = rychlost odvodu konstantní objem bioreaktoru rozmnožování za optimálních podmínek

94 typy kontinuálů - chemostat
konstantní rychlost přítoku média F (konstantní zřeďovací rychlost D, rychlost přítoku substrátu = rychlost spotřeby substrátu) mikroorganismy si podle podmínek nastaví konstantní μ a konstantní X

95 další typy kontinuálů turbidistat auxostat
konstantní turbidita (koncentrace biomasy) – mění se D (automatická regulace) auxostat konstantní parametr spjatý s růstem – mění se D (nutristat: S=konst, oxistat: DOT=konst, CO2stat: CO2=konst)

96 optimalizace bioprocesu
konstrukce/selekce produkčního kmene optimalizace složení média výběr typu kultivace podle optimalizovaného parametru, technických možností a dalších kritérií optimalizace kultivačních parametrů (pH, teplota, aerace, míchání...)

97 optimalizace složení média
kvalitativní a semikvantitativní složení baňkové pokusy, využít optimalizační metodu, např. experimentální design odvozený od Response Surface Methodology, Optimal či Central Composition Design, ke snížení počtu experimentů kvantitativní složení vychází z experimentů v laboratorním fermentoru a vhodného strukturovaného modelu s bilancí procesu, mění se v čase

98 VSTUP + ZDROJ = VÝSTUP + AKUMULACE
bilanční modelování matematický model procesu nebo zařízení vztahy popisující jeho chování v čase diferenciální rovnice, nelineární rovnice VSTUP + ZDROJ = VÝSTUP + AKUMULACE

99 identifikace modelu - konstanty
aproximace empirických dat metodou nejmenších čtverců optimalizace, extrém funkce, účelová funkce = kritérium optimalizace optimalizační proměnné, např. μ, π, YP / X, YP / S

100 optimalizace kultivačních parametrů
teplota optimální růstová teplota kmene, lze využít pro změny rychlosti růstu a produkce pH optimální růstové pH kmene, lze omezit kontaminaci, vliv složení média, indikátor metabolismu aerace (řízení DOT) podle metabolismu produkce, limitace kyslíkem v různých fázích, řízení dostupnosti energie, změny metabolismu

101 monitoring a automatizace
konstrukční součást bioreaktoru senzory a zařízení pro měření základních stavových veličin pH, teplota, DO, redox, DCO2, odplyny, X, S, P měření a řízení základních procesních parametrů otáčky míchadla, průtok vzduchu, tlak, přítoky analogové měřící a řídící jednotky DDC (Direct Digital Control) realizované PLC nadřazené monitorovací, archivační a řídící systémy

102 základní regulace pH – automatizované dávkování H+ a OH-
teplota – dvojitý plášť, pára, tepelná média DO – otáčky míchadla – asynchronní elektromotory, frekvenční měniče průtok vzduchu - kompresory, turbodmychadla, škrtící regulace podle MS měření tlak – tenzometrická čidla, regulace na výstupu podle SP přítokování - tlakové nebo peristaltické pumpy, měření nejpřesněji vážením reaktoru nebo zásobníku