ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ

Αρχή διατήρησης της μάζας Ισοζύγια μάζας Συσσώρευση στο σύστημα Είσοδος στο σύστημα Έξοδος από το σύστημα Παραγωγή μέσα στο σύστημα Κατανάλωση μέσα στο σύστημα = - - + - Ένα ισοζύγιο μάζας είναι ο ισολογισμός των ποσοτήτων μάζας που ρέουν μέσα από τα όρια ενός συστήματος ή που υφίστανται αλλαγές μέσα στο σύστημα.

Απλοποίηση της εξίσωσης ισοζυγίου μάζας Σταθερή κατάσταση Συσσώρευση στο σύστημα Είσοδος στο σύστημα Έξοδος από το σύστημα Παραγωγή στο σύστημα Κατανάλωση στο σύστημα = - + - Είσοδος στο σύστημα Παραγωγή στο σύστημα Έξοδος από το σύστημα Κατανάλωση στο σύστημα + = +

Το πρόβλημα του σχεδιασμού Σε μια συγκεκριμένη βιοδιεργασία πρέπει να γίνει επιλογή για τον: τον τύπο βιοαντιδραστήρα τον τρόπο λειτουργίας που μεγιστοποιεί το κέρδος Δεδομένων: του κόστους των πρώτων υλών του κόστους των προϊόντων του κόστους του κεφαλαίου του κόστους της ενέργειας τις απαιτήσεις για ασφάλεια τις απαιτήσεις για έλεγχο της ρύπανσης.

Ερωτήματα: 1. Ποια η σύσταση του θρεπτικού μέσου; Υπάρχει δυνατότητα επιλογής της ή καθορίζεται από την παραγωγή κάποιας άλλης διεργασίας; 2. Τι ποσότητα παραγωγής απαιτείται; 3. Ποιος τύπος βιοαντιδραστήρα είναι ο πιο κατάλληλος; 4. Ποιος ο καλύτερος τρόπος λειτουργίας; 5. Τι σχήμα και μέγεθος αντιδραστήρα απαιτείται; 6. Τι λειτουργικές συνθήκες (θερμοκρασία, pH, πίεση, ανάδευση, αερισμός) απαιτούνται; 7. Ποιες οι ενεργειακές απαιτήσεις; 8. Μήπως είναι επιθυμητό να έχουμε ανακυκλοφορία;

Διαδικασία Σχεδιασμού Συνήθως επιλέγεται αναδευόμενος αντιδραστήρας, σε θερμοκρασία και pH που συνήθως είναι οι βέλτιστες για την ανάπτυξη των οργανισμών, οπότε απομένει να επιλεγεί ο τρόπος λειτουργίας. Στη συνέχεια το βασικότερο ερώτημα είναι η απαίτηση σε όγκο (διαστασιολόγηση). Η απάντηση με την χρήση των ισοζυγίων μάζας που περιλαμβάνουν την κινητική της βιοαντίδρασης. Μετά μπορούμε να υπολογίσουμε : τις ενεργειακές ανάγκες (με ισοζύγιο ενέργειας) τις ανάγκες αερισμού και ανάδευσης το συνολικό κόστος του βιοαντιδραστήρα. Τέλος εξετάζουμε με ποιες μεταβολές θα μπορούσαμε να βελτιώσουμε την διεργασία.

ΡΥΘΜΙΣΗ pH Το pH ρυθμίζεται με προσθήκη διαλυμάτων βάσεως (συνήθως NaOH) ή οξέος (συνήθως HCl) Συνήθως απαιτείται προσθήκη βάσεως για να διατηρηθεί το pH στο επιθυμητό επίπεδο Αυτό οφείλεται στο ότι η μικροβιακή ανάπτυξη συνήθως συνοδεύεται από παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα το οποίο υπάρχει σε διάλυμα υπό τις μορφές, CO2, H2CO3, HCO3- και CO32-

Οι σχέσεις ισορροπίας: Δίνουν: όπου co η συγκέντρωση διαλυμένου διοξειδίου (πρώτες δύο μορφές). Μόνο η πρώτη μορφή μεταφέρεται στην αέρια φάση. Το πόσο διοξείδιο μεταφέρεται στην αέρια φάση επομένως εξαρτάται από το pH του διαλύματος, με μέγιστη μεταφορά όταν το διάλυμα είναι αλκαλικό. Όταν ο ρυθμός μεταφοράς είναι μικρότερος από τον ρυθμό παραγωγής, το pH του διαλύματος μειώνεται και απαιτείται προσθήκη βάσεως για να ρυθμιστεί στα επιθυμητά επίπεδα.

Εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα συχνά παράγονται και διάφορα οξέα ως μεταβολικά προϊόντα με αποτέλεσμα πάλι την μείωση του pH εκτός αν προστεθεί βάση. Στην παρασκευή του θρεπτικού διαλύματος συνήθως συμπεριλαμβάνουμε και άλατα όπως KH2PO4 τα οποία παίζουν ρυθμιστικό ρόλο (buffers).

ΡΥΘΜΙΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Είναι η παραγόμενη θερμότητα κατά την ανάπτυξη Η θερμότητα συνήθως δεν επαρκεί για να διατηρήσει την θερμοκρασία στο επιθυμητό επίπεδο. Επίσης το θρεπτικό μείγμα συνήθως είναι σε χαμηλότερη θερμοκρασία από την επιθυμητή, ενώ υπάρχουν και απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον. Τέλος στην κατάστρωση του ισοζυγίου ενέργειας είναι σημαντικό να εκτιμηθεί και η παραγωγή θερμότητας λόγω ανάδευσης.

π.χ. η απαίτηση για θερμότητα για αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας είναι ίση με την απαίτηση για θέρμανση του θρεπτικού μέσου στην επιθυμητή θερμοκρασία συν την απαίτηση για αναπλήρωση απωλειών από την εξωτερική επιφάνεια μείον την παραγόμενη θερμότητα λόγω ανάπτυξης και λόγω ανάδευσης:

ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΑΝΑΔΕΥΣΗ Eξαρτώνται από: τις φυσικές ιδιότητες του ρευστού την πυκνότητα ρ το ιξώδες μ τον ρυθμό περιστροφής του αναδευτήρα Ν (στροφές/χρόνο) τη διάμετρο D και τον συντελεστή τριβής που με την σειρά του εξαρτάται από τον αριθμό Reynolds Re. Για τυρβώδη ροή η ισχύς είναι ανάλογος του γινομένου Ν3D5 Για στρωτή ροή είναι ανάλογος του γινομένου N2D3. Για αεριζόμενους αντιδραστήρες η απαιτούμενη ισχύς για ανάδευση είναι μικρότερη.

Στις φαρμακοβιομηχανίες και στις βιομηχανίες τροφίμων χρησιμοποιούνται μία ή περισσότερες από τις ακόλουθες βασικές μεθόδους αποστείρωσης: (α) υγρή θέρμανση (ατμοί) (β) ξερή θέρμανση (κλίβανοι) (γ) μικροβιοκτόνοι παράγοντες όπως χλώριο, οξείδιο του αιθυλενίου και φορμαλδεύδη (δ) ακτινοβολία (ε) διήθηση Μία κατάλληλη επεξεργασία φέρνει την επιθυμητή απομάκρυνση μικροοργανισμών χωρίς να προκαλέσει βλάβες στα προϊόντα. Η πιο συνηθισμένη διεργασία είναι η χρήση υπέρθερμων ατμών.

Κινητική αποστείρωσης

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΗΜΙΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ Προσθήκη μέρους ή όλου του θρεπτικού μέσου κατά την διάρκεια της βιοαντίδρασης όταν θέλουμε: να προσθέσουμε κάποια συστατικά (π.χ. διεγέρτες) αφού έχει επιτευχθεί κάποια σημαντική συγκέντρωση βιομάζας να διατηρήσουμε χαμηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος προκειμένου να αποφύγουμε παρεμπόδιση υποστρώματος ή καταστολή καταβολιτών παρατεταμένη λειτουργία στην στάσιμη φάση που είναι βέλτιστη για την παραγωγή ορισμένων μεταβολικών προϊόντων όπως αντιβιοτικών κ.λ.π.

ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΩΝ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Ταξινόμηση του Gaden ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΩΝ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Τύπου Ι: προϊόντα του πρωτογενούς ενεργειακού μεταβολισμού. Τύπου ΙΙ: έμμεσα προϊόντα του ενεργειακού μεταβολισμού, όπως κιτρικό οξύ. Τύπου ΙΙΙ: πολύπλοκα προϊόντα που δεν σχετίζονται με τον ενεργειακό μεταβολισμό (δευτερογενείς μεταβολίτες).

ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ

ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΕΙΔΙΚΟΣ ΡΥΘΜΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ

ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ αν αγνοήσουμε την κατανάλωση υποστρώματος για συντήρηση και παραγωγή μεταβολικού προϊόντος, καθώς και τον ενδογενή μεταβολισμό, και μας ενδιαφέρει να προσδιορίσουμε τον ρυθμό αραίωσης που μεγιστοποιεί την παραγωγή βιομάζας ανά μονάδα όγκου και χρόνου, δηλαδή P = D x

Βέλτιστος ρυθμός αραίωσης

ΑΕΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ α: διεπιφάνεια αέριας/ υγρής φάσης είναι, Kl : ο ολικός συντελεστής μεταφοράς μάζας cl : η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου cl* :η συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου που θα ήταν σε ισορροπία με το οξυγόνο στην αέρια φάση Ο ρυθμός μεταφοράς του οξυγόνου είναι:

Όταν η συγκέντρωση είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη (περίπου 3Κο) τότε η ανάπτυξη περιορίζεται ουσιαστικά από κάποιο άλλο θρεπτικό συστατικό. Τυπικές κρίσιμες τιμές της συγκέντρωσης είναι 0,003 έως 0,05 mmole/l ή 0,1 έως 10% της τιμής κορεσμού. Η παραπάνω σχέση πρέπει να χρησιμοποιηθεί επομένως για να εκτιμηθεί εάν και κατά πόσο το οξυγόνο περιορίζει την ανάπτυξη. Η απαίτηση σε οξυγόνο για καλλιέργεια με ειδικό ρυθμό ανάπτυξης μ και συγκέντρωσης βιομάζας x είναι:

Oxygen uptake rate in microbial processes: An overview Felix Garcia-Ochoaa, Emilio Gomeza, Victoria E. Santosa, Jose C. Merchukb Biochemical Engineering Journal 49 (2010) 289–307