INTRODUCERE

BIOTEHNOLOGIE aplicarea integrată a ştiinţelor naturale şi inginereşti în scopul utilizării tehnologice a organismelor vii, celulelor sau a

unor părţi ale acestora pentru obţinerea de bunuri şi servicii

Chimie,

Biochimie

Biologie

moleculară

Genetică MicrobiologieInginerie

de procesTehnologie

alimentară

BiotehnologieBiotehnologie

Industrie

energetică, Mediu

Industrie

chimică

Industrie

alimentară

Agricultură,

Nutriţie

Medicină,

Diagnosticare

Biotehnologia – domeniu interdisciplinar

Biotehnologia convenţională - metode tradiţionale de ameliorare a speciilor de plante şi animale, respectiv utilizarea microorganismelor pentru a

obţine produse alimentare prin procese tradiţionale de fermentaţie

Biotehnologia modernă - utilizează ingineria genetică pentru a adapta proprietăţile microorganismelor, plantelor şi animalelor prin intervenţie

directă asupra purtătorului principal de informaţie a oricărui organism şi anume ADN:

• biotehnologia industrială (albă):

- producerea la scară industrială de substanţe chimice şi bioenergie, utilizând procese, aşa numite „curate”, cu consum

energetic redus şi generare mai redusă de deşeuri

- utilizează preferenţial, dar nu exclusiv, materii prime regenerabile, pe care le transformă cu ajutorul

microorganismelor (modificate sau nu genetic) şi a enzimelor acestora în produse şi materiale utile din domeniul

chimic, alimentar, energetic, sănătate etc

• biotehnologia roşie:

-orientată în scopuri medicale la obţinerea de substanţe de diagnosticare, vaccinuri, hormoni

• biotehnologia verde:

- modificarea genetică a culturilor şi speciilor de plante, respectiv animale, cu apicaţii în sectorul alimentar

Dezvoltarea cronologică:

Prima etapă:

- perioada anterioară anilor 1900

- principalele produse obţinute erau alcoolul etilic, oţetul, berea şi produsele lactate

- apar primele încercări de control al proceselor, prin măsurarea temperaturii cu termometre (1757) şi construcţia primelor schimbătoare de

căldură (1801)

- la mijlocul anilor 1800 este demonstrată importanţa drojdiilor în fermentaţia alcoolică

Adoua etapă:

- între 1900 şi 1940

- principalele producţii noi au condus la obţinerea biomaselor de drojdii, a acidului citric, lactic, gluconic, a butanolului şi acetonei

- dezvoltarea procesului de fermentaţie butirică, prima fermentaţie cu adevărat aseptică. Posibilitatea de contaminare a fost drastic redusă prin

utilizarea de fermentatoare, construite din oţel, care permiteau o sterilizare cu abur sub presiune.

A treia etapă:

- apare ca rezultat la necesarul producerii de penicilină din perioada celui de-al doilea război mondial

- dezvoltarea programului de imbunătăţire a tulpinilor producătoare

- perfecţionarea tehnologiilor prin punerea la punct, la scară industrială, a procedeului de extracţie a penicilinei din mediul de fermentaţie

- s-au realizat cele mai semnificative modificări în tehnologia de fermentaţie

- au apărut un număr mare de produse noi (antibiotice, vitamine, gibereline, aminoacizi, enzime etc)

A patra etapă:

- obţinerea biomaselor proteice în cantităţi mult mai mari decât a celorlalte produse de fermentaţie

- lărgirea bazei de materii prime, luându-se în considerare şi hidrocarburile ca o posibilă sursă de carbon

- apariţia unor noi tipuri de fermentatoare (air-lift, cu recirculare internă sau externă) cu funcţionare continuă

- introducerea sistemelor continue de sterilizare a mediului şi implementarea sistemului computerizat de control al procesului

A cincea etapă:

- apariţia ingineriei genetice, tehnică care permite nu numai transferul de gene între două organisme străine, dar permite şi modificări foarte

precise ale genomului unui organism

Procesele fermentative:

- utilizează materii prime ieftine şi regenerabile, care de cele mai multe ori constituie subproduse sau deşeuri ale unor ramuri industriale

- oferă posibilitatea sintezei unor structuri chimice complexe (antibiotice, vitamine etc.) în condiţii blânde de lucru, structuri a căror obţinere prin

sinteză chimică nu este posibilă, sau obţinerea este extrem de anevoioasă, necesitând un număr mare de etape de transformări chimice realizate

în condiţii drastice de operare, care de cele mai multe ori se realizează cu randamente scăzute

Produse obţinute:

• biomase (drojdii, biomase proteice)

• metaboliţi primari şi secundari (acizi organici, amino-acizi, antibiotice, vitamine)

• enzime microbiene (amilaze, lipaze, proteaze etc.)

• produse de bioconversie (transformarea unor substanţe sau grupe de substanţe în altele sub acţiunea microorganismelor, exemplu obţinerea de

steroizi)

• produse obţinute prin modificări genetice de microbi (proteine terapeutice, polipeptide, hormoni)

Procesele enzimatice (de bioconversie):

-utilizează la transformarea substratului enzime in vivo sau in vitro, libere sau imobilizate

Enzime: proteine cu activitate catalitică extrem de selectivă în condiţii normale (nu necesită temperaturi extreme, presiuni ridicate, nu

creează mediu coroziv)

Aplicaţii:

• industria alimentară: α-amilazele lichefierea amidonului

glucozeizomeraza conversia glucozei în fructoză

• producţia de surfactanţi (detergenţi) –proteaze şi lipaze descompunerea grăsimilor şi a proteinelor

• zootehnie – fitaza eliberarea de fosfat din acidul fitic (reducerea cantităţii de fosfat suplimentat în furaje, efect ecologic benefic)

• industria chimică –în procese catalitice, datorită acţiunii extrem de specifice şi de selective

Biotehnologia industrială

transformarea materiilor prime se realizează prin: procese fermentative (fermentaţii)

procese enzimatice (bioconversii)

MICROORGANISME DE IMPORTANŢĂ INDUSTRIALĂ

Bacteriile - microorganisme unicelulare, sporulate sau nesporulate, cu o structură foarte simplă, care se înmulţesc prin diviziune celulară directă

- utilizate în biotehnologia industrială pentru obţinerea de:

antibiotice vitamine

alcooli acizi carboxilici

aminoacizi proteine

enzime prepararea produselor lactate

Actinomicetele - clasă de microorganisme răspândită în natură, plasate între bacterii şi fungi, gram pozitive, formează hife, care alcătuiesc

miceliul şi generează spori rezistenţi la temperatură

- utilizate pentru obţinerea de:

antibiotice vitamine

acid folic aminoacizi

enzime pigmenţi

Fungii sau mucegaiurile - microorganisme cu formă filamentoasă, cu dimensiuni diverse, formează miceliu, se înmulţesc prin spori, au slabă

rezistenţă termică

- produc degradarea mediului în care se formează

- capacitatea de adaptare la diferite condiţii de mediu (glucide, alcooli, acizi, proteine, săruri de amoniu, nitriţi)

- capacitate mare de mutaţie

- necesită cantităţi însemnate de oxigen

- se utilizează la obţinerea de:

acizi organici antibiotice

pigmenţi lipide

enzime polizaharide

Drojdiile sau levurile - microorganisme unicelulare saprofite sau parazite;

- se utilizează:

în panificaţie la fabricarea băuturilor fermentate,

la obţinerea enzimelor obţinerea de biomase proteice

Tipul de microorganism Specia Domeniul de utilizare

Bacterii

Acetobacter Sinteză de acizi organici (acetic, formic, gluconic, lactic, succinic)

Arthrobacter Obţinere de biomase proteice

Bacillus Obţinere de antibiotice, polipeptide, enzime

Clostridium Activă în fermentaţia butirică, (obţinere de n-butanol, acetonă, i-propanol, acid butiric)

Corynebacterium Obţinere de aminoacizi

EnterobacterActivi în multe şi variate procese, cum ar fi obţinere de acizi organic, nucleotide, enzime etc.

Escherichia

Lactobacillus Activă în fermentaţia lactică, formică

Leuconostoc Obţinere de dextran

Micrococcus Obţinere de aminoacizi, oxidare de steroizi

Propionibacterium Obţinere de acid propionic, vitamina B12

Pseudomonas Obţinere de aminoacizi, oxidare de steroizi

Streptococcus Activă în fermentaţia lactică, obţinere de diacetil

Actinomicete

Mycobacterium Obţinere de proteine sintetice

Nocardia, Actinomyces Antibiotice, aminoacizi, enzime

Streptomyces Obţinere de antibiotice, enzime, vitamina B12

Drojdii

Saccharomyces Obţinerea drojdiilor de panificaţie, de bere, pentru fermentatie alcoolică

CandidaObţinere de biomase proteice din parafine

Torullopsis

Fungii

Penicillium Obţinere de antibiotice β-lactamice, enzime, proteine, vitamine, acizi organici

Aspergillus Obţinere de acizi organic (citric, gluconic) enzime etc

Gibberella Obţinere de stimulatori de crestere

MucorObţinere de acizi organici

Rhizopus

Alge

Chlorella

Obţinere de biomase proteice, utilizate in epurarea apelor rezidualeScenedesmus

Spirulina

Microorganisme de importanţă industrială

Metaboliţi primari: - molecule de dimensiuni mici, produse de celule vii şi reprezintă compuşi intermediari sau finali ai unor cicluri metabolice

- intră în compoziţia biomacromoleculelor esenţiale sau ai coenzimelor (sunt elemente constitutive ale substanţelor celulare)

la scară industrială se obţin:

aminoacizii nucleotidele

vitaminele solvenţii (n-butanol, acetonă 2,3 butandiol, alcool etilic)

polizaharidele (xanthan) acizii organici (citric, lactic, succinic, gluconic)

Metaboliţi secundari: - se produc după ce creşterea microorganismului a încetat

- nu au rol în dezvoltarea biomasei

- importanţă deosebită în alimentaţie şi în starea de sănătate umană

la scară industrială se obţin:

antibiotice bioinsecticide

agenţi antitumorali stimulatori de creştere vegetali sau animali

MATERII PRIME ÎN BIOTEHNOLOGIE

Avantajul proceselor biochimice: gamă foarte variată de materii prime, care include, pe lângă compuşii tradiţionali cu conţinut de C şi N, o serie

de produşi secundari sau deşeuri, provenind din diferite ramuri de prelucrare a materiilor prime de origine

vegetală şi animală

Microorganisme autotrofe în substanţe de creştere - necesită numai un mediu simplu (Aspergillus, Penicillium, Rhizopus, drojdiile Candida şi

numeroase bacterii)

Microorganisme heterotrofe în substanţe de creştere - necesită un mediu complex de fermentaţie (nu-şi pot sintetiza anumite substanţe necesare

creşterii, cum ar fi vitaminele, anumiţi aminoacizi)

Substrat sau mediu de cultură: ansamblul tuturor substanţelor necesare desfăşurării unui process biochimic

conţine: sursa de carbon şi energie

sursa de azot

microelemente

vitamine

SURSADE CARBON

serveşte la sinteza materialului celular şi la asigurarea necesarului de energie pentru sinteza şi întreţinerea structurii celulare

Organismele autotofe: dioxidul de carbon ca sursă de carbon, în prezenţa unei surse exterioară de energie:

radiaţie solară (microorganismele fototrofe)

rezultată în urma unor reacţii chimice (microorganismele chemolitotrofe)

Organismele heterotrofe: necesită întotdeauna ca sursă de carbon şi energie combinaţii organice:

• hidraţi de carbon: monozaharide (glucoză), dizaharide (zaharoză, maltoză, lactoză), respectiv polizaharide (amidon şi celuloză)

• alcooli: metanol, etanol, glicerină

• acizi carboxilici: acid acetic, acid succinic, acizi graşi

• uleiuri şi grăsimi

• hidrocarburi alifatice: n-parafine inferioare (metan, n-butan, n-pentan) şi superioare

• deşeuri industriale cu conţinut de zaharide: zer, leşie sulfitică, soluţii zaharoase rezultate din hidroliza lemnului, făină de porumb,

cereale şi altele

Hidraţi de carbon

Glucoza - materie primă în procesele fermentative pentru obţinerea unor produse de înaltă puritate, în special acolo unde utilizarea unor

amestecuri de zaharide necesită operaţii complexe de purificare ulterioară (proces neeconomic)

- se obţine din amidon prin hidroliză acidă sau enzimatică

- constituie sursa de carbon şi energie în producţiile de: antibiotice

aminoacizi,

steroizi

acizi carboxilici (acid butiric, tartaric, citric, itaconic)

Zaharoza: materie primă pentru obţinerea de acid citric

acid lactic (reduce semnificativ numărul operaţiilor de separare şi purificare)

Melasa de sfeclă sau trestie de zahăr - forma cea mai utilizată a zaharozei

- principala materie primă în obţinerea de: - drojdii de panificaţie

- acid citric

- butanol

- acetonă

- aminoacizi

- supliment de sursă de carbon în medii de cultură (ex. la obţinerea de antibiotice, enzime etc).

Melasa de sfeclă de zahăr - lichid vâscos de culoare maronie

- aspect şi compoziţie determinate atât de tehnologia de extracţie a zahărului, cât şi de calitatea materiei

prime (soiul de sfeclă de zahăr, climă în zona de cultură, condiţii şi durata de depozitare etc).

Melasa de trestie de zahăr - conţinut ridicat de zahăr invertit şi biotină

- conţine şi dioxid de sulf, acizi volatili, nitraţi şi coloizi (componente nedorite în fermentaţiile microbiene)

- materie primă la: - fabricarea alcoolului etilic

- obţinerea drojdiilor de panificaţie

- fermentaţia butirică

Caracteristica Melasă brută Melasă rafinată

Conţinut substanţă uscată, % 77-84 78-85

Zahăr invertit, % 52-65 50-58

Azot total, % 0.4-1.5 0.08-0.5

Cenuşă, % 7-11 3.5-7.5

Valoare pH 4.5-6.0 6.0

P2O5, % 0.6-2.0 0.009-0.07

CaO 0.1-1.1 0.15-0.8

MgO 0.03-0.1 0.25-0.8

K2O 2.6-5.0 0.8-2.2

Principalele caracteristici

ale melasei de trestie de zahăr

Caracteristica Zahăr brut Zahăr rafinat

Conţinut substanţă uscată, % 72.4 – 86.0 79.5 – 82.2

Zaharoză, % 55.7 – 69.0 50.0 – 54.6

Zahăr invertit, % 0 – 3.41 0.12 – 1.56

Rafinoză, % 0 – 4.20 1.24 – 1.54

Azot total, % 1.17 – 2.946 1.45 – 1.65

Cenuşă, % 9.83 – 19.46 11.14 – 14.33

Valoare pH 5.51 – 10.12 7.5 – 8.5

Caracteristicile

melasei de sfeclă de zahăr

Lactoza: - caracter represiv extrem de redus poate fi utilizată în mediile de fermentaţie în concentraţii mari

- asimilare lentă timpi mari de fermentaţie

- materie primă la obţinerea de antibiotice, în special a penicilinelor

- principalul component al zerului, rezultat ca subprodus în industria de prelucrare a laptelui

Zerul - se poate folosi ca atare

uscat

deproteinizat

ca permeat obţinut după ultrafiltrare

cu sau fără prelucrare ulterioară prin osmoză inversă

demineralizat prin schimb ionic

-se foloseşte la obţinerea: alcoolului etilic

drojdiilor de panificaţie

proteinelor monocelulare (SCP)

acidului citric

Maltoza: - prezentă în malţ, extractul şi infuzia de malţ (amestec de extract de malţ şi hamei)

Malţul - conţinut ridicat de amilaze se foloseşte numai la fabricarea berii

- conţinut aproximativ 70% de zahăr redus (maltoza) adaos la mediile de cultură în procesele de fermentaţie industriale

Amidonul: - cea mai importantă rezervă de hidraţi de carbon a plantelor

- sintetizat sub forma unor granule cu structură caracteristică

- amestec de două polizaharide: - amiloza, cu o structură liniară, în care moleculele de D-glucoză sunt unite 1,4 α-glicozidic

- amilopectina, în care pe lângă legături 1,4 α-glicozidice există legături 1,6 α-glicozidice

- în cartofii, făina de porumb, făină de cereale (grâu, avăz, orez).

- se foloseşte, de cele mai multe ori, sub formă zaharificată (prin hidroliză acidă sau enzimatică) pentru:

- a reduce timpul de fermentaţie, în cazul microorganismelor care au capacitatea de a-l asimila ca atare

- a-l aduce la o formă asimilabilă, în cazul microorganismelor care nu au amilaze.

Celuloza: - polizaharida cea mai răspândită în natură

- compusă din macromolecule filiforme, în care resturile de D-glucoză sunt unite 1,4 β-glicozidic

- nu poate fi asimilată de către microorganisme, fiind necesară hidroliza la forme asimilabile

Principalele materiale cu conţinut celulozic: - deşeurile lemnoase (rezultate din prelucrarea lemnului)

- deşeurile agricole (paie, stuf)

pretratare corespunzătoare naturii materialului vegetal

hidroliză enzimatică realizată cu culturi de: Cellulomonas

Trichoderma reesei

Aspergillus wentii

materialul zaharificat se poate folosi la: - obţinerea de alcool etilic în prezenţă de Saccharomyces cerevisiae

- fermentaţia butirică cu Clostridum saccharoperbutyl-acetonicum

- obţinerea de butanol şi acetonă,

- obţinerea de biomase proteice în prezenţa drojdiilor Candida

Torula

Leşia sulfitică: - deşeu al industriei de celuloză şi hârtie

pretratare (tratare cu aer fierbinte şi vapori de apă, respective neutralizare cu var şi soluţie amoniacală

în vederea descreşterii conţinutului de SO2, furfural şi acid formic)

utilizare la prepararea mediilor de cultură la obţinerea proteinelor monocelulare (SCP) în prezenţa drojdiilor Candida.

Alcooli

Alcoolul metilic: - producerea de biomase proteice în prezenţă de Methylophilus methylotrophus

- biosinteza vitaminei B12 în prezenţă de Pseudomonas

- biosinteza de aminoacizi (L-serină, L-leucină şi L-valină)

Alcoolul etilic: - fermentaţia acetică

- producerea de biomase proteice cu drojdii Candida

Glicerina: - antibiotice

- steroizi

- enzime

Acizi carboxilici

Acidul acetic, singur sau în amestec cu alcool etilic, glicerină, hidraţi de carbon (glucoză) sau materii prime cu conţinut de zaharide, la:

- obţinere de aminoacizi (L-lizină, acid glutamic, i-leucină, treonină) în prezenţa diferitelor specii de Brevibacterium

Corynebacterium

Micrococcus

- obţinerea de biomase proteice (drojdii Candida )

Acizii graşi (oleic, linoleic) şi derivaţi ai acestora: rol de: - substanţă tensioactivă

- sursă suplimetară de carbon şi uneori de precursori.

Uleiurile şi grăsimile vegetale şi animale

- surse suplimentare de carbon în combinaţie cu hidraţi de carbon

- rol de antispumant în producţiile de: - antibiotice

- steroizi

- enzime (lipase, amilaze, protease).

Hidrocarburi alifatice

Parafinele inferioare (metan, n-butan, n-pentan)

n-Parafinele superioare (C10-C20)obţinerea de: - biomase proteice

- acizi organici (acid citric, i-citric, succinic etc).

SURSADE AZOT

Azotul: - element indispensabil în procesele biochimice

- foarte puţine microorganisme sunt capabile să asimileze azotul din aer (necesită prezenţa de nitrogenază):

bacteriile Rhizobium, Clostridium şi Azobacter

algele albastre.

Săruri ale acidului azotic/azotos: - asimilate de microorganismele care au nitrat/nitrit-reductază:

bacteriile din speciile Azobacter, Pseudomonas

fungii Aspergillus, Penicillium

drojdiile Candida

Ionii de amoniu: - acceptate ca sursă de azot de aproape toate microorganismele (în special fungiile şi drojdiile)

- adăugaţi sub formă de soluţii amoniacale sau săruri de amoniu (sulfat, clorură, azotat, fosfat)

Microorganismele heterotrofe necesită pe lângă azotul anorganic şi compuşi organici ai acestuia:

Ureea: - importantă şi accesibilă sursă de azot;

- capacitate de tamponare a mediului

- utilizare limitată de stabilitatea redusă în timpul operaţiei de sterilizare termică

Produse naturale sau subproduse ale industriilor de prelucrare ale produselor de origine vegetală sau animală: - principalele surse de azot

organic în mediile de fermentaţie industriale:

Făina de cereale: - sursă valoroasă şi ieftină de aminoacizi, săruri minerale, vitamine

-utilizare în practică deseori dificilă, datorită: - aglomerării în mediul apos la prepararea mediilor de cultură;

- emulsionării proteinelor conţinute în făină în etapa de extracţie

- extracţiei simultane a grăsimilor reziduale odată cu produsul

Extractrul de porumb: - produs secundar obţinut la separarea amidonului din porumb

- utilizat ca sursă de azot datorită conţinutului său de aminoacizi, vitamine şi săruri minerale

-dezavantajul: variaţia compoziţiei, dependentă de - puterea de germinare a porumbului

- tehnologia de prelucrare

Hidrolizatele de drojdii: - bogate în proteine, azot aminic şi vitamine

- se obţin din diferite tipuri de drojdii de bere sau de panificaţie

Hidrolizate proteice de origine vegetală sau animală: - frecvent utilizate

- compoziţia diferă în funcţie de condiţiile în care se realizează

SĂRURILE MINERALE

Fosforul: - element esenţial pentru creşterea celulară şi reglarea unor procese metabolice

- o sursă foarte bună de fosfor este extractul de porumb

- în majoritatea cazurilor în mediile de cultură se adaugă săruri de fosfor (fosfaţi sau superfosfaţi)

Sulful: - importanţă asemănătoare fosforului

- înglobat în mediile de cultură sub formă de sulfaţi

Macroelemente (K, Mg, Ca, Zn şi Fe): - se adaugă sub formă de săruri (sulfaţi sau fosfaţi)

- sunt conţinuţi de materiile prime care asigură necesarul de sursă de carbon şi azot

- concentraţia în mediile de cultură este de 0,1-1 mmoli/l

Microelemente (Co, B, Cd, Cr, Cu, Mo şi Ni): - necesare în concentraţii de 0,1-100 µmoli/l

- furnizate de către materiile prime, doar în rare cazuri fiind necesară suplimentarea lor

VITAMINELE

- microorganismele heterotrofe în substanţă de creştere necesită prezenţa de vitamine în mediul de cultură

- majoritatea materiilor prime asigură necesarul de vitamine

Materia primă Vitamine, µg/g

B1 B2 B6 Biotina ac.pantotenic Niacin Inozitol Colină

Melasă sfeclă de zahăr - - - 0,0204 36 - 1280 -

Melasă trestie de zahăr 8,3 2,5 6,5 1,2 214 210 - -

Făină de soia - 3,1 - - 14,08 30,36 - 2420

Extract porumb 5,4 11 15,0 - 28 170 4950 5400

Hidroli-zat de dojdii 50 35 25 2 100 550 3000 2000

Conţinutul de vitamine al unor materii prime utilizate la prepararea

mediilor de cultură

CONSIDERAŢII ASUPRA REALIZĂRII INDUSTRIALE A PROCESELOR BIOCHIMICE

Elaborarea unui proces tehnologic:

izolarea tulpinilor de microorganisme, selecţia şi/sau modificarea genetică în vederea obţinerii unor

tulpini înalt productive

stabilirea compoziţiei optime a substratului şi a condiţiilor optime de cultură

stabilirea procedeului adecvat de separare şi purificare a produsului de biosinteză

alegerea şi proiectarea echipamentelor

Fazele procesului tehnologic:

prepararea mediului de cultură

prepararea culturii de inocul

sterilizarea mediului de cultură, a fermentatorului şi a echipamentelor conexe

fermentaţia de regim

separarea masei celulare

separarea şi purificarea produsului de biosinteză

tratarea şi eliminarea efluenţilor şi a produselor secundare

PREPARAREA MEDIULUI DE CULTURĂ

mediile de cultură: - simple sau complexe

- cu compoziţie chimică bine definită sau semidefinită

componenţii mediului de cultură: - satisface necesităţile microorganismului producător în etapele de creştere şi dezvoltare

- asigură realizarea unei productivităţi maxime

stabilirea compoziţiei mediului de cultură ţine seama de: - compoziţia elementară a microorganismelor

- necesităţile microorganismelor pentru o creştere rapidă şi eficientă

- posibilitatea apariţiei fenomenelor de inhibiţie de substrat sau de produs

criterii de selectare a materiilor prime: - asigurarea necesităţilor fiziologice ale microorganismului

- preţul de cost al materiei prime

- disponibiltatea, accesibilitatea şi constanţa calităţii materiei prime

- stabilitatea la transport şi depozitare

prepararea mediilor de cultură: în vase prevăzute cu sisteme de amestecare şi de dozare.

PREPARAREA CULTURII DE INOCUL

mediile de cultură: - simple sau complexe

- cu compoziţie chimică bine definită sau semidefinită

componenţii mediului de cultură: - satisface necesităţile microorganismului producător în etapele de creştere şi dezvoltare

- asigură realizarea unei productivităţi maxime

STERILIZAREA MEDIULUI DE CULTURĂ, A FERMENTATORULUI ŞI A ECHIPAMENTELOR CONEXE

scop: - distrugerea oricăror forme de microorganisme şi agenţi patogeni

metode:

- termice - au cele mai largi aplicaţii practice, datorită eficienţei şi simplităţii

- uscate sau umede: cu aer cald la 140-2000C necesită: - temperaturi mai ridicate

- timp de acţionare mai îndelungat

cu vapori de apă sub presiune la 120-1400C – eficienţă mare, datorită acţiunii hidratante, coagulante şi de

hidroliză a aburului asupra proteinelor microbiene

prin încălziri repetate la 70-1000C

- prin procedee discontinue sau continue

- fizice - filtrarea prin umpluturi fibroase

materiale poroase

membrane

- iradiere cu radiaţii UV, IR, raze X, γ

- chimice - utilizarea agenţilor chimici cum ar fi oxidul de etilenă

formol

fenol

azotiperită

ozon etc.

alegerea metodei de sterilizare: - funcţie de proprietăţile fizico-chimice ale materialelor ce urmează a fi sterilizate:

filtrare (pe materiale poroase, fibroase, prin membrane)

cu agenţi chimici (etilenoxid, formaldehidă, fenol, amestec formaldehidă-aer)materiale termolabile

spaţii sterile sterilizarea cu radiaţii

prepararea aseptică a mediului de cultură în cazul în care nici o altă metodă de sterilizare nu poate fi aplicată

- sub protecţia unei flăcări

- sub presiune de aer steril

bioreactoarele şi echipamentele conexe cu abur sub presiune

transvazarea aseptică cu aer steril sub presiune

însămânţarea aseptică

debit necesar mare

număr mare şi variat de microorganisme prezente

rezistenţa microorganismelor la temperatură în absenţa umidităţiiaer

fitrare pe materiale filtrante: fibră de sticlă

nitrat de celuloză

teflon, poliamidă

radiaţii

FERMENTAŢIA DE REGIM

condiţiile optime sunt determinate de: - compoziţia mediului de cultură

- natura microorganismului producător

- temperatură

- pH

- concentraţia de oxigen

- intensitatea amestecării

controlul strict al temperaturii (cu variaţii de ± 50C) în fermentatoarele de mare capacitate nu este posibilă nici nu este necesară

regimul de pH - specific fiecărui microorganism

- are în majoritatea cazurilor o tendinţă de scădere, datorită punerii în libertate a unor acizi organici

- menţinerea în limitele prescrise: - pe parcursul procesului prin dozare de substanţe cu caracter bazic

- prin regulatorii de pH conţinuţi în mediu.

SEPARAREA MASEI CELULARE

precedată de inactivarea microorganismelor prin modificări semnificative ale: - temperaturii

- pH-ului

- prin adaos de substanţe chimice

se poate face prin: - filtrare

- centrifugare

- utilizănd unităţi de separare prin membrane

SEPARAREA ŞI PURIFICAREA PRODUSELOR

influenţează semnificativ economicitatea procesului

concentraţia mică în substrat şi în multe cazuri labilitatea structurală a produsului biosintetizat

acordarea unei atenţii deosebite etapelor de separare şi purificare

alegerea operaţiilor se face funcţie de: - natura substratului

- concentraţiile elementelor din substrat

- proprietăţile fizico-chimice

- locul de obţinere (extracelular sau intracelular) al produsului

- cantitatea şi proprietăţile substratului care trebuie prelucrat

asigurarea necesarului de oxigen: - datorită solubilităţii foarte scăzute a oxigenului în apă se impune necesitatea vehiculării unui

volum foarte mare de aer prin fermentator

- pentru un contact interfazic gaz-lichid-solid cât mai eficient se utilizează diferite sisteme

constructive de barbotare, la care se adaugă amestecarea mediului

- gradul de amestecare depinde: - de tipul constructiv

- direct proporţional cu turaţia agitatorului

durata proceselor variază în limite mari de la 40-42 de ore la 8-10 zile

PROCEDEE DE STERILIZARE ÎN BIOTEHNOLOGIE

STERILIZAREA - procesul de distrugere sau îndepărtare a oricăror forme de microorganisme patogene sau nepatogene din substraturi,

instalaţii, spaţii închise, obiecte etc.

- principalele moduri în care se poate realiza sterilizarea sunt:

•metode termice

•metode fizice

•metode chimice

Denumire

microorganism

Sterilizare

uscată umedă

Temp. 0C Timp, sec Temp. 0C Timp, sec

Salmonella typhi 100 1800 65 20

Mycobacterium tuberculosis 100 2700 65 10

Spori de Bacillus anthracis 170 600 100 600

Spori nativi din sol 180 1800 120 1800

Staphilococcus pyogenes 120 1800 65 60

Performanţele sterilizării

uscate, respectiv umede asupra

unor tipuri de microorganisme

Cea mai utilizată formă de sterilizare este sterilizarea termică, care poate fi uscată sau umedă.

Sterilizarea umedă se urmăreşte în funcţie de:

- punctul termic mortal - valoarea temperaturii la care sunt omorâte toate celulele unei specii în timp de 10 minute;

- timpul termic mortal - valoarea timpului de expunere la o anumită temperatură necesară distrugerii tuturor celulelor sporulante

Spori Temperatura, 0C

80 100 110 120

Bacillus subtilis 74-75 ore 175 min. 37 min. 7,5-8 min.

Bacillus megaterium 16-17 ore 15-16 min.

Clostridium botulinicum 5,5 ore 32 min. 4 min.

Clostridium sporogenes 10 ore 90 min. 15 min.

Valorile timpului termic mortal pentru diferite microorganisme la

diferite temperaturi

Sterilizarea mediilor de cultură

- se realizează practic prin metode termice: avantaje: - simplitatea procedeului

- uşurinţa în exploatare

- siguranţa gradului de sterilizare

dezavantaje: - degradarea şi inactivarea proteinelor

- denaturarea vitaminelor şi a unor factori de creştere

- apariţia unor supraîncălziri locale (produc declanşarea unor reacţii de oxidare,

polimerizare, condensare, caramelizare a componentelor mediului)

- pentru a evita apariţia fenomenelor de degradare a hidraţilor de carbon şi a compuşilor cu azot se recomandă sterilizarea lor separată

Distrucţia termică a microorganismelor: kNd

dN

Constanta vitezei de distrucţie termică a microorganismelor: RT

Ea

ekk 0

Duratei procesului de sterilizare pentru orice valoare a gradului de sterilizare:N

N

k

0lg303,2

N - numărul de microorganisme viabile/ml mediu

k - constanta vitezei de distrugere termică, s-1

t - timpul de sterilizare, s

Ea - reprezintă energia de activare pentru distrugerea microorganismelor, kJ/kmol

R - constanta universală a gazelor, kJ/kmol K

T - temperatura absolută, K

Influenţa temperaturii asupra duratei de

distrucţie termică pentru

a) spori de Escherichia coli; b) spori de

Bacillus stearothermophilus

a) b)

Durata procesului de sterilizare a mediului de cultură influenţează randamentul reacţiei biochimice, datorită posibilităţii apariţiei unor reacţii

secundare: - între componenţii mediului de cultură

- de degradare a componenţilor mediului de cultură

Influenţa timpului de sterilizare asupra

randamentului procesului fermentativ

Sterilizarea discontinuă

- se produce în perioada de încălzire, menţinere şi răcire

- efectul total este rezultatul cumulat al efectelor obţinute în fiecare din aceste etape

- ecuaţia vitezei de distrucţie termică a microorganismelor în sterilizarea discontinuă

are forma:

NekkNd

dNRT

Ea

0

Rezolvarea se face utilizând relaţii dintre timp şi temperatură, specifice procedeului de sterilizare, redate în tabelul următor:

Diagrama timp-temperatură pentru sterilizarea

discontinuă

ti – temperatura iniţială; tf – temperatura finală; ts-

temperatura de sterilizare

Sterilizarea continuă

- se utilizează pentru debite mari

- avantaje: - conservarea mai bună a calităţii materialului supus sterilizării

- aparatură cu gabarit redus

- reducerea duratei de sterilizare

- control automat

- realizarea unor randamente superioare în faza de fermentaţie

Instalaţia de sterilizare continuă la 120-1250C:

- coloană de sterilizare alcătuită din două ţevi concentrice, în care mediul de fermentaţie staţionează 4-6 secunde;

- mediul se încălzeşte prin barbotarea prin intermediul unor fante practicate pe peretele ţevii interioare a aburului de 5 atm

- din coloana de sterilizare mediul trece în menţinător, unde timp de 15-20 minute are loc perfectarea sterilizării

- răcirea mediului sterilizat, la 35-400C, se realizează într-un schimbător de căldură tip ţeavă în ţeavă

- contribuţia etapei de încălzire, respectiv de răcire la eficienţa globală a procesului de sterilizare, este scăzută (cca. 5-6%)

a) Instalaţie de sterilizare continuă la 120-1250C;1.- coloana de sterilizare; 2.- menţinător; 3.- răcitor

b) Diagrama timp-temperatură pentru sterilizarea la 120-1250C;

Sterilizarea continuă la 135-1400C:

- se realizează în instalaţii cu injecţie de abur

în schimbătoare de cădură cu plăci

- datorită temperaturii ridicate timpul de expunere este scurt, pentru a evita degradarea termică a componentelor mediului de cultură

- răcirea trebuie realizată într-un interval de timp de ordinul secundelor

- diagramele timp-temperatura pentru cele două tipuri de instalaţii arată că fazele de încălzire, respectiv de răcire contribuie foarte

puţin (aprox. 1-2%) la performanţa procesului global

a) Instalaţie de sterilizare la 140ºC prin injecţie de abur; 1.- ventil; 2.- serpentina de menţinere; 3.-

valvă de expansiune; 4.- vas de detentă

b) Diagrama timp-temperatură pentru operaţia de sterilizare la 140ºC prin injecţie de abur

a) Instalaţie de sterilizare la 1400C prin schimbătoare de căldură cu plăci;

1.- răcitor; 2.- preîncălzitor; 3.- sterilizator; 4.- serpentină de menţinere.

b) Diagrama timp-temperatură pentru operaţia de sterilizare la 1400C

prin schimbătoare de căldură cu plăci

Sterilizarea aparaturii de biosinteză

sterilizarea cu abur saturat - cel mai eficient procedeu de sterilizare a aparaturii de biosinteză

- aburul este introdus direct în aparat

- asigură o încălzire rapidă, reducând durata globală de sterilizare.

Durata etapelor de încălzire, respectiv răcire în sterilizarea instalaţiilor de fermentaţie

a. încălzire cu abur prin manta şi serpentine; b. încălzire cu abur direct;c. răcire prin manta şi serpentine;

pentru un fermentator de: 1.- 200 l; 2.- 600 l; 3.-2 m3; 4.- 20 m3

Transvazarea mediului sterilizat, respectiv a culturii de inocul sub presiune de aer steril:

Instalaţie de însămânţare aseptică Schema de transvazare aseptică de biomasă

Sterilizarea aerului

cele mai utilizate procedee sunt cele bazate pe filtrare pe medii poroase ca:

- fibre de sticlă cu diametrul de 5-18μ

- membrane de nitrat de celuloză

- folii de teflon, singur sau în amestec cu polietilenă - caracter hidrofob

- rezistentă termică ridicată

- poliamidă - caracter hidrofob

- rezistenţă termică mare

- elasticitate

- durabilitate

Filtru cu fibră de sticlă

1.- placă perforată; 2.- plasă de sârmă; 3.-

garnitură; 4.- material filtrant; 5.- ramă

Avantaje:

- debite mari de aer

- grad avansat de purificare

- durată lungă de funcţionare

Dezavantaje:

- manopera complicată

- pierderea acţiunii de sterilizare după

umezirea materialului filtrant

Filtru disc cu membrană

1.- sită suport; 2.- membrană; 3.- carcasă

Avantaje:

- membranele utilizate sunt confecţionate din

materiale microporoase (diametru pori sub 0,2μ)

- dacă materialul membranei are caracter

hidrofob, umiditatea nu deranjează;

- permite utilizarea şi ca filtru de ieşire

Dezavantaje:

- productivitatea lor redusă, datorită suprafeţei

mici de filtrare

- durată relativ scurtă de viaţă a membranei

Filtru lumânare

1.- carcasă; 2.- membrană; 3.- ventil

de aerisire; 4.- garnituri de etanşare

Avantaje:

- durată mare de funcţionare

(până la 200 de sterilizări

termice în timp de 3,5-4 ani)

Dezavantaje:

- costuri ridicate

Schema de purificare şi sterilizare a aerului

1.- filtru; 2.- compresor; 3.- răcitor; 4.- separator de picături; 5 şi 6.- filtre cu material fibros

Caracteristicile filtrării Strat de fibre de sticlă Membrane de 0,2-0,45μ

Reţinerea absolută a contaminanţilor Nu Da

Capacitatea de îndepărtare a impurităţilor Înaltă Scăzută

Eficacitatea reţinerii particulelor mici Înaltă Înaltă

Eficacitatea reţinerii depinde de viteza de

curgere şi presiune

Da Nu

Posibilităţi de străpungere Da Nu

Performanţele sterilizării aerului prin filtrare

FERMENTAŢIA DE REGIM

FERMENTAŢIA - procesul de creştere a microorganismelor pe medii de cultură cu scopul obţinerii unor produşi de biosinteză, denumiţi

metaboliţi

- creşterea microorganismelor - rezultatul interacţiunii dintre celula individuală şi mediul de cultură

- poate fi realizată în regim discontinuu (batch) sau continuu

Fermentaţiile discontinue - culturi în sisteme închise, care conţin o cantitate limitată de nutrienţi (substrat)

- reprezentarea grafică a variaţiei numărului de celule pe parcursul unei fermentaţii permite vizualizarea curbei de

creştere, care cuprinde mai multe faze, corespunzătoare diferitelor viteze de creştere

I - faza de lag, sau faza de creştere staţionară

-fază de acomodare a microorgnismelor la condiţiile din fermentator

II - faza de creştere logaritmică (exponenţială) metaboliţii primari

xx c

d

dc

cx - concentraţia de biomasă, kmol celule/m3

τ - timpul, s

μ - viteza specifică de creştere, s-1

ecc xx 0

III - faza de descreştere (retardare) datorată consumării substratului, descrisă de relaţia:

SS

S

cK

c

max

cS - concentraţia reziduală a substratului limitativ, kmol substrat/m3

μmax - viteza maximă de creştere, reprezintăpanta segmentului de creştere exponenţială, s-1

- depinde de natura microorganismului

KS - constanta de utilizare a substratului, kmol substrat/m3

- numeric egală cu valoarea concentraţiei substratului pentru care μ = ½ μmax

- măsură a afinităţii microorganismului pentru substrat

Curba de creştere a microorganismelorIV - faza staţionară - corespunde punctului în care viteza de creştere devine nulă

- din punct de vedere fiziologic, microorganismele au încă metabolismul activ metaboliţii secundari

Obţinerea metaboliţilor primari poate fi descrisă de relaţia: xpp

cqd

dc

cp - concentraţia de produs (metabolit primar), kmol metabolit/m3

qp - viteza specifică de formare a produsului, s-1

Culturile discontinue se folosesc pentru obţinerea de:

• biomasă, caz în care condiţiile de cultură trebuie astfel alese încât să asigure o concentraţie celulară maximă

- drojdia de panificaţie

- drojdia de bere

- biomase proteice

• metaboliţi primari pentru care etapa de creştere exponenţială trebuie extinsă

- acizi organici – citric, lactic

- aminoacizi

• metaboliţi secundari –condiţiile de cultură trebuie să conducă la o etapă scurtă de creştere exponenţială şi perioadă staţionară lungă

Fermentaţiile continue - concomitent cu adăugarea de substrat se îndepărtează mediu din fermentator

- producţie constantă de celule stare staţionară

Viteza de diluţie - raportul dintre debitul de curgere în şi din fermentator şi volumul acestuia:V

FD

Modificarea netă a concentraţiei de celule în timp (acumularea): DccDcd

dcxxx

x

Ecuaţia Monod:

D

cK

cc

d

dc

SS

Sx

x max

Modificarea netă a concentraţiei substratului limitativ:

SS

S

sx

xSS

S

cK

c

Y

ccDcD

d

dc

/max0

în condiţii staţionare

sssxx ccYc 0/

D

DKc s

s

max

sistem chemostat: viteza de creştere este controlată de mediul chimic (de concentraţia substratului limitativ)

creşterea celulară determină o scădere a substratului limitativ până la o valoare la care concentraţia substratului va favoriza o viteză de

creştere egală cu cea de diluţie (μ=D)

dacă concentraţia substratului scade sub această valoare, celulele vor fi evacuate cu o viteză mai mare decât sunt produse (D > μ)

scăderea concentraţiei celulare

creşterea concentraţiei de substrat limitativ

creşterea vitezei de generare de celule (restabilirea echilibrului)

sistem turbidostat: concentraţia celulară este controlată prin reglarea debitelor, menţinând turbiditatea mediului între anumite limite

sistem biostat: monitorizarea concentraţiei de biomasă se poate realiza prin controlul concentraţiei de dioxid de carbon

sistem omogen - masa din interiorul fermentatorului are o compoziţie uniformă (amestecare perfectă)

sistem eterogen -compoziţia mediului variază în lungimea fermentatorului (bioreactoarele tubulare, considerate cu deplasare totală)

Fermentaţiile continue se pot realiza în:

sistem deschis - microorganismele părăsesc zona de fermentaţie în mod continuu, o dată cu efluentul

sistem închis - masa celulară este reţinută în zona de fermentaţie, efluentul fiind lipsit de biomasă

Comportarea unei bacterii cu afinitate mare faţă de substrat

(valoare mică KS) într-o cultură continuă

Comportarea unei bacterii cu afinitate mică faţă de

substrat (valoare mare KS) într-o cultură continuă

Caracteristicile cinetice ale unui microorganism sunt descrise de valorile numerice ale constantelor Y, μmax şi KS:

Y concentraţia staţionară de biomasă

μmax (egal cu Dcrit ) viteza maximă de diluţie ce poate fi utilizată în condiţii staţionare

KS - concentraţia reziduală a substratului (indirect concentraţia de biomasă)

- viteza maximă de diluţie

Sistemele reale au abateri semnificative de la idealitate, datorate mai multor factori, cum ar fi:

• amestecare imperfectă

• aderarea microorganismelor la pereţii fermentatorului

• aspecte fiziologice ale culturii: - consum de substrat pentru reacţii de întreţinere

- toxicitatea substratului la viteze mari de diluţie

Avantajele fermentaţiilor continue:

• reducerea timpilor morţi necesari pentru curăţire, umplere, golire, sterilizare, răcire

• reducerea volumului fermentatoarelor

• posibilitatea automatizării

• utilizarea mai eficientă a substratului şi

• obţinerea unor randamente mai mari de produs

Culturile continue se folosesc pentru obţinerea de:

• acizi carboxilici: acetic, lactic

• alcooli: etilic, 2,3 butandiol, butanol

• acetonă

• antibiotice : peniciline, streptomicină, cloramfenicol

• vitamina B12

Productivitatea culturilor - raportul dintre cantitatea de biomasă la timpul de fermentaţie.

culturi discontinue:

21

0max

xxdisc

ccP P - productivitatea, kmol/m3h,

xmax - concentraţia celulară maximă atinsă în stare staţionară, kmol celule/m3

x0 - concentraţia celulară iniţială, kmol celule/m3

τ1 - timpul în care are loc creşterea cu viteză maximă, s

τ2 - timpul de creştere cu o viteză diferită de cea maximă, care include faza de lag,

faza de retardare, respectiv fazele de amestecare, sterilizare, golire, s

TcDP xcont

31

culturi discontinue:τ3 – timpul necesar atingerii stării staţionare şi include pregătirea

fermentatorului, sterilizarea şi fazele discontinue ce preced operarea continuă, s

T - timpul de menţinere a stării staţionare, s

Productivitatea maximă de biomasă se obţine pentru o diluţie care conduce la o valoare maximă a produsului D·x.

FACTORII CARE INFLUENŢEAZĂ VITEZA PROCESELOR DE FERMENTAŢIE

Viteza reacţiilor enzimatice este influenţată de:

• compoziţia mediului de cultură şi concentraţia substratului limitativ

• temperatura şi pH-ul mediului

• concentraţia oxigenului dizolvat

• intensitatea amestecării

modificarea unui singur parametru atrage după sine modificarea celorlalţi, cu influenţă profundă asupra desfăşurării procesului

a) Influenţa concentraţiei substratului limitativ şi compoziţia mediului de cultură

Influenţa concentraţiei substratului limitativ asupra vitezei de creştere este redată de ecuaţia Monod:

ss

s

cK

c

max

1. concentraţia substratului limitativ, în mediu sau celulă, este foarte mare comparativ cu constanta de asimilare a substratului

viteza specifică de creştere este egală cu viteza maximă (egalitatea se menţine până la scăderea

drastică a concentraţiei substratului limitativ

2. concentraţia substratului limitativ are valori comparabile cu valoarea constantei de asimilare a substratului

viteza specifică de creştere este jumătate din viteza maximă

3. concentraţia substratului limitativ este foarte mică

viteza procesului fiind proporţională cu concentraţia substratului limitativ

2

max ss Kc

ss

cK

max

max

Influenţa modului de furnizarea a substratului limitativ

asupra procesului fermentativ: 1 - fără adăugare de

substrat, 2 - adăugare în trepte, 3 – adăugare continuă

adăugarea continuă de substrat :

- evită şocul provocat de adăugarea în trepte, şoc datorat inhibiţiei de substrat

- presupune folosirea unui biosenzor adecvat, care să furnizeze informaţii

referitoare la concentraţia substratului limitativ din mediu de fermentaţie

electroliţii din mediu:

- influenţează semnificativ viteza reacţiilor enzimatice

- reglează permeabilitatea membranei celulare

natura sursei de carbon şi concentraţia componenţilor mediului de cultură

influenţează: - viteza de creştere

- respiraţia

- viteza de producere de metabolit

b) Influenţa pH-ului

activitatea enzimatică este maximă la o anumită valoare a pH-ului mediului

abaterile de la valorile optime pot conduce la pierderea activităţii prin denaturarea ireversibilă a proteinelor

variaţiile mici ale pH-ului acţionează reversibil asupra activităţii

valoarea optimă este determinată de - natura enzimei

- temperatura de lucru

- compoziţia mediului

- prezenţa inhibitorilor

c) Influenţa temperaturii

Efectul temperaturii asupra activităţii enzimatice:

1 - catalaza, 2 - proteaza, 3 – incertaza, 4 - pepsina

este unul dintre cei mai importanţi parametri fizici care intervin în procesele

biochimice:

influenţează puternic activitatea microorganismelor şi a enzimelor implicate

modificările vitezei de reacţie au loc într-un interval limitat de temperaturi.

viteza reacţiilor enzimatice se poate dubla la o diferenţă de temperatură de

100C, cu condiţia ca în acest interval enzima catalizatoare să nu se

dezactiveze

reacţiile biochimice au o temperatură optimă, corespunzătoare activităţii

enzimatice maxime, temperatură care diferă funcţie de natura enzimei

temperatura optimă depinde de etapa procesului biochimic

temperaturi de lucru suboptimale pot conduce la o pierdere reversibilă a

activităţii enzimatice

temperaturile superioare valorii optime induc un proces ireversibil prin

denaturarea proteinelor ce intră în componenţa enzimelor

în cazul proceselor de bioconversie performanţele diferă pentru enzima

liberă respectiv cea imobilizată, prin imobilizare crescând stabilitatea

termică

d) Influenţa oxigenului

Oxigenul - rol esenţial în metabolismul aerob de producere a energiei, ca acceptor final de electroni şi protoni rezultaţi în urma reacţiilor

biochimice de oxidare

respiraţia celulară - totalitatea reacţiilor în trepte carea realizează transportul electronilor în final la oxigen (în cazul proceselor aerobe) sau la

unele substanţe organice (în cazul proceselor anaerobe)

fermentaţia – totalitatea proceselor biochimice redox în care diferiţi compuşi organici acţionează atât ca donori cât şi ca acceptori finali de

electroni

metabolismul energetic - se poate realiza în prezenţa sau absenţa oxigenului

- funcţie de conţinutul de oxigen al mediului, cele două forme ale metabolismului energetic (respiraţie şi fermentaţie) se

desfăşoară cu intensităţi diferite: la un conţinut de oxigen mai mic de 3% din concentraţia de saturaţie au loc numai

procese de fermentaţie, în timp ce la concentraţii mai mari de 10% numai prin respiraţie

comportarea diferitelor microorganisme faţă de oxigen depinde de tipul metabolismului energetic şi oferă indicaţii cu privire la

enzimele pe care le posedă

necesarul de oxigen de: - natura microorganismului

- natura sursei de carbon şi energie

viteza de consum a oxigenului (RO2) - cantitatea de oxigen consumată în unitatea de timp şi pe unitatea de masă microbiană sau pe

unitatea de volum de mediu de cultură

- depinde de: - natura, vârsta şi morfologia microorganismelor

- natura substratului şi condiţiile de fermentaţie

- este minimă în etapa de lag, după care, creşte atingând valoarea maximă în faza de creştere

exponenţială rămânând la această valoare până la atingerea fazei staţionare când redevine

minimă

- este accelerată semnificativ de intensificarea aerării, până la o anumită valoare, după care are

loc o stagnare sau chiar o reducere

- viteza specifică de creştere a masei celulare funcţie de concentraţia de oxigen solubilizat

(oxigenul este un substrat):

22

2

max

OO

O

CK

C

coeficientul de respiraţie (CR) - raportul molar dintre dioxidul de carbon format şi oxigenul consumat în reacţia biochimică

solubilitatea oxigenului în apă este redusă

în vederea intensificării dizolvării, barbotarea aerului se combină cu amestecarea mecanică

viteza de dizolvare a oxigenului creşte cu: - turaţia agitatorului,

- debitul de aer barbotat

turaţia agitatorului - limitată datorită pericolului de distrugere mecanică a celulelor de microorganisme

viteza cu care microorganismul consumă oxigenul dizolvat este dependentă de: - gradul de dezvoltare a biomasei

-viteza de creştere a celulelor

-compoziţia mediului de cultură

-nivelul concentraţiei de oxigen

Influenţa aerării asupra vitezei de

creştere a microorganismelor

REACTOARE BIOCHIMICE

Domeniul de utilizare Volum, m3

Epurarea biologică a apelor uzate (cu nămol activ) 25.000 - 30.000

Biomase proteice 1500 - 2000

Fabricarea berii 300 - 500

Obţinerea de acizi carboxilici (citric, lactic) 200 - 300

Obţinerea drojdiei de panificaţie 200

Fabricarea de antibiotice 100 - 200

Fabricarea iaurtului 10

Fabricarea pâinii 1

Bioreactorul (fermentatorul) - utilajul în care se realizează cultura de microorganisme sau procesul de bioconversie

Procesul biochimic: - viteze scăzute de reacţie

- concentraţii finale reduse ale produşilor

- viscozitate mare a mediului şi comportare reologică nenewtoniană

- consumuri energetice ridicate necesare prelucrării unor volume mari de lichide, amestecare, aerare etc.

Volumul bioreactoarelor

Alegerea (conceperea unui bioreactor) trebuie să:

- ţină seama de caracteristicile procesului biochimic

- permită curăţare şi sterilizare simplă şi rapidă, inclusiv pentru echipamentele conexe

- permită realizarea unui transfer de căldură şi de masă (în special pentru oxigen, în cazul proceselor aerobe) eficient

- permită un control eficient al spumării

- permită folosirea unor materiale de construcţie care să nu interacţioneze cu mediul nutritiv, material care să nu conţină elemente cu

caracter inhibitor

- fie caracterizat prin flexibilitate (posibilitatea utilizării utilajului în diferite procese)

- fie caracterizată de costuri cât mai reduse de investiţie şi operare

Clasificarea bioreactoarelor, funcţie de:

□ natura proceselor biochimice

reactoare biochimice - utilizate pentru procese de bioconversie, adică procese catalizate de enzime sau celule, libere sau imobilizate

reactoare biologice – fermentatoare - utilizate în procese de transformare a substratului în prezenţa microorganismelor

□ modul de amestecare

cu amestecare mecanică echipate cu amestecătoare (agitatoare) de diferite tipuri constructive

cu amestecare pneumatică - amestecare se realizează prin barbotarea unui gaz (aer, dioxid de carbon, metan etc.)

obioreactoare tip coloană

obioreactoare tip air-lift cu circulaţie internă sau externă

obioreactoare cu strat fluidizat

cu amestecare hidraulică – se bazează pe circulaţia sau recircularea mediului cu ajutorul pompelor

obioreactoare cu circulaţie internă sau externă

obioreactoare cu duze (jet) exterioare şi interioare (înecate)

obioreactoare cu pulverizare

obioreactoare cu strat fluidizat

obioreactoare cu contact multiplu

cu amestecare mixtă

□ necesarul de oxigen

aerobe

anaerobe

□ modelul de curgere

cu amestecare perfectă - în orice punct din interiorul mediului parametri procesului (concentraţi, temperatură, pH) au aceeaşi valoare

cu deplasare totală în care valorile parametrilor variază pe direcţia de curgere

□ modul de funcţionare

discontinue - lucrează în şarje

semicontinue - unul sau mai mulţi componenţi ai mediului de alimentează în mod continuu, în limita volumului util al vasului

continue - recomandate pentru cantităţi mari de mediu, funcţionează în regim staţionar

cu recirculare - realizează o creştere a gradului de asimilare a substratului şi asigură un transfer termic şi de masă eficient

□ regimul termic

izoterm

adiabat

neizoterm, neadiabat

□ volumul utilajului

de laborator - cu volume mai mici de 50 l

pilotcele - cu volume cuprinse între 50 l şi 5 m3

industriale - utilajele care depăşesc ca volum 5 m3

BIOREACTOARELE CU AMESTECARE MECANICĂ

unele dintre cele mai utilizate tipuri de bioreactoare

alcătuire: - recipient cilindric (virolă) din OL, inox sau sticlă cu fund şi capac elipsoidal

- agitator simplu sau multiplu

- şicane

- manta

- serpentină interioară

- barbotoare de aer (bioreactoarele aerobe)

Bioreactor cu amestecare mecanică

datorită degajării de CO2, spumarea este inevitabilă în procesele fermentative şi

chiar şi în unele procese enzimatice

spumarea este mai pronunţată în sisteme aerobe cu amestecare intensă sau cu

culturi de microorganisme care prezintă un metabolism activ

apariţia spumei atrage după sine o serie de efecte nedorite:

reducerea volumului util al bioreactorului

creşterea riscului de contaminare, datorită posibilităţii de revărsare a

conţinutului prin racordul de evacuare a gazelor

pierderea de mediu prin revărsare

creşterea timpului de reţinere a bulelor de aer în spumă şi recircularea lor

scăderea concentraţiei de oxigen (scade gradul de aerare real)

dacă spumarea este abundentă se adaugă substanţe tensioactive cu acţiune

antispumantă: - alcooli superiori

- uleiuri vegetale

- uleiuri siliconice

Indicator

Bioreactor

discontinuu continuu

costuri de investiţie reduse ridicate datorită aparaturii AMC

costuri de operare mari, număr mare de personal reduse datorită automatizării

flexibilitate ridicatăredusă, datorită variaţiei parametrilor

de operare în limite restrânse

volum mare relativ mic

pericol de contaminare redus, prin sterilizare după fiecare şarjă ridicată

calitate materie primă variabilă de la o şarjă la alta constantă

conversie substrat mare redusă

grad de uzură ridicat, datorită sterilizării repetate redus

Analiză comparativă a bioreactoarelor cu amestecare mecanică cu funcţionare continuă şi discontinuă

Bioreactor cu recircularea unei porţiuni de biomasă

Procesele de fermentaţie în regim continuu cu recircularea unei porţiuni din

biomasă:

- consum mai eficient de elemente nutritive, rezultând conversii superioare de

substrat

- productivitate mai mare la acelaşi volum util şi conversii finale ale substratului

- volum util mai redus

Bioreactor cu agitator tip elice şi difuzor

Bioreactoarele cu agitator elice:

omogenizare mai bună decât agitatoarele turbină, la forţe de forfecare

mai reduse

aerul poate fi barbotat:

- la partea inferioară (a)

- printr-un cilindru amplasat în centrul reactorului (difuzor) (b),

crescând eficienţa datorită timpului de reţinere mai mare al

bulelor de aer în interiorul cilindrului central.

S-au realizat noi tipuri constructive în scopul:

- intensificării transferului de masă şi căldură

- obţinerii unui randament superior de transformare a substratului

- reducerii efortului de forfecare asupra microorganismelor (reducerea pericolului de liză

mecanică a celulelor)

Bioreactoare cu aerare prin aspiraţie:

cu agitatoare elice sau turbină

aspiră aerul de la suprafaţa mediului prin formarea unui turbion central

(folosit pentru volume mari) (a)

cu agitatoare tip turbină cu aspirarea aerului printr-un tub central (b)

Bioreactoare cu aerare prin aspiraţie

Bioreactoarele cu mai multe trepte de amestecare:

bioreactoare la care între trepte fluxul de mediu este mai puţin

intens:

- bioreactoare turn cu plăci perforate şi deversoare între trepte, cu

funcţionare în contracurent (a)

- bioreactoare turn cu plăci perforate şi deversoare între trepte, cu

funcţionare în echicurent (b)

Avantajele :

concentraţie mare de biomasă în efluent

pierderi minime de substraturi volatile

bioreactoare la care între trepte se produce un flux puternic de mediu:

- cu agitatoare multiple şi circulaţie interioară (a);

- cu agitatoare multiple şi circulaţie exterioară (b).

Bioreactoare cu mai multe trepte de amestecare

Bioreactoare cu mai multe trepte cu plăci perforate

BIOREACTOARELE ORIZONTALE

Avantaje:

productivitate ridicată cu o conversie optimă al substratului

tipurile de amestecare specifică elimină apariţia zonelor stagnante

raportul suprafaţă liberă/volum este mare viteze superioare de transfer a oxigenului

consum energetic inferior

degajarea CO2 nu conduce la perturbarea curgerii cu deplasare totală

presiunea hidraulică nu inhibă procesele biochimice

aderarea şi dezvoltarea biomaselor (aderarea unor produşi macromoleculari pe pereţi) sunt mai uşor de controlat

se evită liza mecanică a bacteriilor şi spumarea abundentă.

Bioreactoarele tubulare: - drepte sau spiralate

- orizontale sau uşor înclinate

se folosesc la: - tratarea biologică a apelor reziduale

- fermentaţia berii

au productivitate mare

puritate avansată a produsuluiBioreactoare tubulare

Bioreactoarele orizontale cu biofilm:

se folosesc la epurarea biologică a apelor reziduale

conţin o serie de discuri dispuse pe un ax, pe suprafaţa cărora se dezvoltă

un strat de celule de microorganisme (biofilm)

Bioreactor orizontal cu biofilm (biodisc)

Bioreactoarele orizontale cu amestecare multiplă:

formate din compartimente interconectate printr-un canal de curgere

amestecarea se realizează prin combinarea acţiunii mecanice cu prezenţa

şicanelor

se folosesc pentru: - culturi de fungi

-obţinere de biomase proteice din fracţii petroliere, etc

Bioreactor orizontal cu amestecare multiplă

Bioreactoarele orizontale inelare (cu film): se folosesc în procese în care spumarea NU este abundentă

amestecarea se face cu ajutorul unui tambur rotitorBioreactoare orizontale rotative

Bioreactor orizontal cu tambur rotativ

Bioreactor orizontal pneumatic

Bioreactoarele orizontale pneumaticeutilizate la epurarea apelor reziduale

amestecarea se realizează prin barbotarea aerului pe întreaga

lungime a bioreactorului

BIOREACTOARELE PNEUMATICE

aplicaţii: - epurarea biologică a apelor reziduale

- obţinerea de biomase proteice

se pot prelucra cantităţi ridicate de mediu

amestecarea se realizează exclusiv prin barbotarea unui gaz (aer, dioxid de carbon, metan)

Tipuri de bioreactoare pneumatice:

a) bioreactor tip coloană

b) bioreactor cu contact multiplu

c) bioreactor cu amestecare statică

d) bioreactor tip bazin

e, f) bioreactoare air-lift cu circulaţie interioară

g, h) bioreactoare air-lift cu circulaţie exterioară

i) bioreactor în strat fluidizat

Avantaje:

construcţie simplă şi costuri relativ reduse

volume mari

posibilitatea înlocuirii compresoarelor fără golirea reactorului

întreţinere uşoară

datorită tipului de amestecare se diminuează considerabil posibilitatea lizei mecanice a microorganismelor sau a biocatalizatorului

eficienţă sporită la dispersarea aerului

Bioreactor tip bazin (Bayer Tower Biotechnology)

Bioreactoarele pneumatice tip coloană

barbotarea aerului se face cu injectoare

este prevăzut cu decantoare de biomasă, nămolul separat fiind

recirculat

pentru a reduce consumul de energie a pompelor care realizează

recircularea biomasei, decantoarele sunt astfel operate încât lichidul

din interior să fie aproximativ la acelaşi nivel cu cel din bioreactor

Bioreactoarele “air-lift”

utilizare: - obţinerea proteinelor microbiene pe diferite substraturi

- obţinerea de antibiotice, vitamine

- epurarea biologică a apelor reziduale

circulaţia mediului este indusă prin diferenţa de densitate între zonele doar cu mediu şi cele în care în mediu se barbotează gaz

traseul de circulaţie al mediului este determinat de elementele constructive ale reactorului

în epurarea biologică a apelor reziduale se folosesc:

bioreactorul tip puţ cu tub central - distribuţia aerului se face în cilindrul interior, fiind dirijat în jos

- la pornire se barbotează aer suplimentar în spaţiul inelar în sens ascendent

bioreactorul tip puţ cu perete despărţitor - căderea de presiune este inferioară tipului anterior (forţe de frecare mai mici pe traseu)

- necesită barbotare de aer suplimentar la pornire;

bioreactorul tip bazin - nu necesită barbotare de aer suplimentar

Bioreactor tip puţ cu perete despărţitor cu tub central tip bazin

Bioreactor air-lift Biohoch

bioreactorul cu nămol activ (Biohoch- Hoechst AG)

- format din două camere separate de o placă perforată

- în camera inferioară are loc epurarea biologică propriu-zisă,

iar în cea superioară limpezirea apei

- este prevăzut cu decantoare secundare, care conţin agitatoare

rotative sub formă de greblă.

Bioreactor Scholler-Seidel

bioreactorul air-lift cu circulaţie externă (Scholler Seidel):

- folosit la obţinerea de biomase proteice pe mediu de leşie bisulfitică

- funcţionează pe principiul pompei Mamut, conţinând 10-12 trasee

externe de circulaţie care sunt dispuse simetric şi care se alimentează

cu mediu şi aer

- microorganismele se dezvoltă pe traseele de circulaţie mediu-aer

BIOREACTOARELE HIDRAULICE

funcţionează pe principiul inducerii circulaţiei mediului cu ajutorul pompelor

clasificare:

tip coloană cu circulaţie internă sau externă - asemănătoare cu cele pneumatice, gazul se introduce simultan cu lichidul

cu jet exterior sau interior înecat - recircularea se face prin pompe amplasate deasupra sau în interiorul mediului

cu contact multiplu - echipate cu talere sită sau plăci perforate prevăzute cu preaplin (determină nivelul de lichid de pe fiecare taler)

cu strat fix - sau cu pulverizare:- faza lichidă se pulverizează peste un strat cu umplutură care conţine microorganisme sau

biocatalizatori; circulaţia fazei lichide şi gazoase se face în echicurent sau contracurent

cu strat fluidizat

Bioreactoare hidraulice

a) bioreactor cu jet; b) bioreactor cu jet interior; c)

bioreactor cu contact multiplu; d) bioreactor cu strat

fix; e) bioreactor cu strat fluidizat

Bioreactoare hidraulice cu biofilm în strat fluidizat

a) particulele solide au dimensiuni între 1-4 mm; concentraţia de

biomasă este de 60-70 kg/m3; biogazul rezultat induce o circulaţie

suplimentară, antrenând particulele solide (zonă de degazare)

b) bioreactor în strat fluidizat cu recirculare parţială;

c) prezintă caracteristicile reunite ale tipurilor a) şi b), şi poate

funcţiona în condiţiile unei încărcări mari a apelor reziduale cu

compuşi organici, ape din industria alimentară, farmaceutică,

chimică

d) este format din 2 unităţi de tip a) suprapuse; în primul

compartiment se consumă cea mai mare parte din poluanţi. Gazul

separat în prima zonă generează o circulaţie “gaz-lift” în

compartimentul superior. După degazare particulele de biofilm

(nămol activ) circulă descendent prin conducta centrală

avantaje:

permit prelucrarea unor volume mari de medii diluate

folosesc populaţii mixte de microorganisme

permit conducerea proceselor la concentraţii ridicate de

biomasă fără a fi necesară separarea şi recircularea

viteză mare de depunere a fazei solide, eliminând operaţiile

de separare a fazelor;

funcţionează cu concentraţii mari de biomasă

asigură arii interfaciale de transfer ridicate

durată mare (de câteva săptămâni) de viaţă a biomasei

dezavantaje:

durate mari de pornire

control dificil al grosimii biofilmului

dezvoltarea excesivă de biomasă determină desprinderea de

pe suport

dificultatea realizării unei fluidizări uniforme

costuri ridicate pentru realizarea fluidizării

Bioreactoarele hidraulice cu strat fix

operare, întreţinere simplă, cheltuieli reduse

se evită liza mecanică a celulelor dezvoltate pe suportul inert

stratul de umplutură inertă are rol de fixare şi dezvoltare a celulelor microbiene sau de imobilizare pentru biocatalizatori (enzime)

Biofiltru pentru tratarea apelor reziduale

Bioreactor Sulzer

- biofiltrul conţine drept umplutură materiale cu granulaţie mare: - zgura de furnal

- cocs

- materiale plastice

- microorganismele se fixează şi se dezvoltă pe suport sub forma unui strat

mucilaginos, consumând poluanţii organici

- pulverizarea fazei lichide se face prin duze fixate pe un ax care execută o mişcare

de rotaţie deasupra stratului

- aerul se aspiră din partea inferioară a biofiltrului prin orificiile din stratul solid

Bioreactorul Sulzer (cu amestecare statică):

- circulaţia fazelor este în echicurent

- se realizează un consum mai mare de poluanţi din ape decât în cazul biofiltrelor

- funcţionează pe principiul „air-lift-ului” cu circulaţie interioară a mediului prin

stratul de umplutură

BIOREACTOARE MEMBRANARE

utilizate în: - industria alimentară, chimică şi farmaceutică

- tehnologiile de protecţia mediului

Configuraţii ale bioreactoarelor membranare

bioreactor cu unitate externă de separare bioreactor cu unitate internă de separare

Avantaje şi dezavantaje ale configuraţiilor bioreactoarelor cu membrane

Configuraţie Avantaje Dezavantaje

Unitate de

separare externă

- eficienţă ridicată (arie mare pentru un

volum dat al reactorului)

- posibilitatea înlocuirii modulului de

filtrare în timpul operării

- creşterea productivităţii micro-

organismului prin asigurarea unei mai

mari densităţi celulare combinată cu

adăugarea lentă de nutrienţi

- riscul limitării de oxigen în bucla de

recirculare

- apariţia problemelor legate de sterilizarea

circuitului extern de recirculare

- scăderea în timp a fluxului prin

membrană, până la colmatare

- viscozitatea crescută (în unele cazuri) a

mediului de fermentaţie

- stres suplimentar ca rezultat al recirculării

mediului asupra microorganismelor

- volum mare de reacţie conduce la apariţia

de neomogenităţi în circuitul de

recirculare şi în reactor

Unitate de

separare internă

- nu este necesară recircularea mediului

de reacţie

- operare simpă

- creşterea productivităţii micro-

organismului prin asigurarea unei mai

mari densităţi celulare combinată cu

adăugarea lentă de nutrienţi

- sistem inflexibil

- scăderea în timp a fluxul membranei

- arie de separare limitată / volum

- viscozitatea mediului de reacţie poate

contribui la apariţia fenomenului de

polarizare a concentraţiei

SEPARAREA ŞI PURIFICAREA PRODUSELOR DE BIOSINTEZĂ

scopul procesărilor ulterioare fermentaţiei:

- îndepărtarea substanţele străine (impurităţile)

- reducerea volumului total, concomitent cu concentrarea produsului util

- purificarea produsului

alegerea operaţiilor se separare şi purificare se face ţinând cont de:

criterii tehnologice - natura şi proprietăţile fizico-chimice ale produsului

- locul de obţinere al acestuia (intra- sau extracelular)

criterii economice

Schema generală de separare şi purificare a metaboliţilor din mediile de fermentaţie

SEPARAREA BIOMASEI

centrifugarea - în cazul în care produsul se obţine intracelular

filtrarea - în cazul produşilor extracelulari

flocularea - pentru a creşte dimensiunile particulelor solide

flocularea

flotaţia

-tratarea apelor reziduale

- producerea de biomase proteicetehnici curent utilizate în

FILTRAREA

•este operaţia cea mai comună de separare a unui sistem eterogen lichid-solid sau gaz-solid

•constă în reţinerea particulelor solide aflate în suspensie pe o structură poroasă

•alegerea echipamentului adecvat trebuie să ţină seama de o seri de factori:

• proprietăţile sistemelor disperse ce urmează a se separa: - vâscozitatea

- densitatea

• natura fazei solide: - forma şi dimensiunile particulelor

- distribuţia granulometrică

- caracteristica de vrac

• raportul solid/lichid

• faza care se recuperează: - lichidă

- solidă

- ambele

• volumul ce urmează să fie separat

• modul de operare: -continuu

- discontinuu

• necesitatea sau nu a condiţiilor aseptice

• necesitatea creării de suprapresiune sau depresiune pentru a asigura o viteză adecvată de filtrare

Filtrul presă

• funcţionare discontinuă

• suprafaţă mare de filtrare concentrată într-un volum de dimensiuni relativ reduse

• operaţia de filtrare este accelerată prin trimiterea suspensiei sub presiune de 3-4 at

• precipitatul rămâne presat pe pânza filtrantă iar filtrul se scurge prin canalele prevăzute în plăci

Materiale filtrante:

• straturi granulare – nisip

– cărbune

– kieselguri

• straturi fibroase: – azbest

– fibră de sticlă

– bumbac

• ţesături: – bumbac

– lână

– fibre sintetice (PE, PP, teflon, etc.)

• site metalice

• plăci poroase: – cuarţ

– sticlă

– grafit

– carborund (carbură de siliciu)

• membrane: – anorganice compozite

– polimerice

– schimbători de ioni

Filtru presă

Avantaje:

•obţinerea unui precipitat cu conţinut mic de umiditate

•flexibilitatea condiţiilor de operare

•suprafaţă mare de filtrare

•posibilitatea protejării împotriva coroziunii

•costuri de investiţie scăzute

Dezavantaje:

•manoperă voluminoasă

•uzură rapidă a pompelor filtrante

•spălarea defectuoasă a precipitatului

Filtrul nuce

• funcţionare discontinuă

• format dintr-un recipient cilindric sau paralelipipedic cu/fără capac

• prevăzut la bază cu un grătar sau placă poroasă pe care se fixează pânza filtrantă

• filtrarea se produce datorită diferenţei de presiune create între partea superioară şi cea inferioară

care poate rezulta datorită:

o presiunii hidrostatice a lichidului

o pompării soluţiei

o realizării de vid la partea inferioară

Filtru nuce

Avantaje:

• îndepărtarea avansată a lichidului din precipitat (desecare

avansată)

• construcţie simplă şi exploatare uşoară

Dezavantaje:

•manoperă voluminoasă în special la descărcare şi spălare

•spălare defectuoasă (posibilitatea apariţiei de fisuri în precipitat)

Filtrul celular cu discuri orizontal sau vertical

• pot fi operate ca filtre de presiune sau de vid

• constructiv se poate realiza ca una sau ambele feţe ale discurilor să fie

acoperite de mediu

• pe parcursul filtrării discurile sunt statice dar pot fi rotite la final, facilitând

evacuarea lichidului

Filtrul celular cu discuri orizontal

Filtrul celular cu discuri vertical

Filtre rotative cu tambur

• funcţionare continuă

• funcţionează cu vid

• folosesc în special la filtrarea maselor celulare

• asigură: – suprafaţă mare de filtrare

– posibilitatea de spălare a miceliului pe filtru

- este format dintr-un tambur rotativ compus din doi cilindrii orizontali coaxiali

- cilindrul exterior este perforat şi acoperit cu material filtrant

- spaţiul dintre cilindrii este împărţit în 10-12 celule etanşe, fiecare funcţionând succesiv şi independent ca filtru nuce

- legătura dintre celule şi conductele de vid (sau presiune, cu aer comprimat) se realizează prin intermediul capului de distribuţie iar

îndepărtarea precipitatului de pe tambur se face cu ajutorul unui cuţit răzuitor

- suprafaţa tamburului este împărţită în mai multe zone ce au roluri diferite: - de filtrare

- de uscare

- de îndepărtare a precipitatului

- tamburul are un grad diferit de scufundare în suspensia ce se filtrează

Filtru celular Oliver: 1-tamburul filtrului, 2-celule, 3-pânză filtrantă, 4-tuburi de legătură între

celule, 5-arbore, 6-conductă pentru alimentarea suspensiei, 7-cuţit pentru desprinderea

precipitatului, 8-cuvă, 9-agitator pendular, 10-conductă pentru apa de spălare

CENTRIFUGAREA

• este esenţială atunci când:

filtrarea se realizează cu dificultate şi are durată mare (suspensii greu filtrabile)

celulele sau alte materiale aflate în suspensie trebuie să se obţină în stare cât mai uscată

este necesară separarea continuă şi în condiţii igienice avansate

nu se admit pierderi de lichid în precipitat

• se caracterizează prin:

intensitate variabilă datorită modificării vitezei şi distribuţiei faţă de axa de rotaţie

direcţie radială a câmpului de forţe

• factorii care influenţează viteza de sedimentare în câmp centrifugal sunt:

viteza unghiulară de rotaţie

diferenţa de densitate dintre celule şi faza lichidă

diametrul (dimensiunea) celulelor

vâscozitatea fazei lichide

Centrifuga cu camere

• ideală pentru separarea suspensiilor cu până la 5 % fază solidă, cu dimensiuni

ale particulelor de 0,1 – 200 µm

• suspensia se alimentează central şi parcurge un traseu printre camere, solidul

fiind colectat pe feţele exterioare ale fiecărei camere

• particulele cele mai mici se colectează în camerele exterioare unde sunt

supuse unor forţe foarte mari

• necesită o perioadă destul de mare pentru realizarea îndepărtării şi curăţirii

centrifugii (manoperă)laborioasă)

Centrifuga cu camere

Centrifuga elicoidală orizontală

• utilizată la separarea continuă a materialelor precum nămolurile

• suspensia este alimentată printr-o conductă centrală

• faza solidă ce se depune pe pereţi este raclată de către nucleul

rotitor şi dirijată spre capătul conic, a cărui pantă facilitează şi

desecarea (eliminarea lichidului)

Centrifuga elicoidală orizontală

Centrifuga cu talere

• ideală la separarea de emulsii, drojdii, etc.

• suspensia se alimentează central, suferă o primă separare în

tambur şi separarea se definitivează în spaţiul dintre talere

• sedimentul formează un nămol ce poate fi evacuat continuu prin

intermediul unor orificii situate pe peretele rotorului sau

evacuarea se realizează intermitent prin deschiderea rotorului

Centrifuga tubulară (supercentrifuga)

• alcătuită dintr-un tub central de d<150 mm şi înălţime ~ 700 mm, care

se roteşte cu viteză mare (8000-45000 rpm)

• realizează separări avansate nu numai de sisteme eterogene lichid-solid,

dar şi lichid-lichid sau lichid-lichid-solid

• faza solidă se depune pe pereţii tubului central (de diferite tipuri

constructive) în timp ce faza lichidă se separă în lichid dens şi uşor,

care se captează separat

Avantaje: - realizarea unor forţe centrifugale mari

- realizarea unei desecări avansate şi curăţare uşoară

Dezavantaje: - capacitate limitată pentru faza solidă

- scăderea eficienţei separării pe măsura reumplerii

Centrifuge decantoare cu talere

Centrifuga

tubulară

MICROFILTRAREA

• este operaţia de separare cu membrane a: - soluţiilor coloidale

- suspensiilor de particule de dimensiuni cuprinse între 0,02 şi 10µm: -virusuri

- bacterii

- drojdii

• membranele de microfiltrare sunt în general materiale polimerice cu structură cristalină

• în funcţie de modul în care se reţin particulele din suspensie se disting:

filtrarea de suprafaţă – prin membrane cu diametrul porilor mai mic decât diametrul particulelor

filtrarea în adâncime – prin membrană cu diametrul porilor mai mare decât diametrul particulelor solide

– prin material filtrant cu o structură fibroasă sau granulară cu interstiţii de dimensiuni

mai mari decât diametrul particulelor

Microfiltrarea tangenţială: - variantă a filtrării centrifugale

- permite separarea de microparticule cu dimensiuni cuprinse între 2 – 02 µm

- se foloseşte la: - limpezirea sucurilor de fructe

- purificarea primară a extractelor vegetale/animale

ULTRAFILTRAREA

• permite separarea de molecule de dimensiuni mai mari (ex. zaharuri) din soluţie

•se aplică la: - filtrare lapte în scopul separării lactozei

- separarea acidului lactic din medii de fermentaţie în fermentatoarele cu recirculare externă

DISTUGEREA MEMBRANEI CELULARE

METODE FIZICO-MECANICE

• măcinarea lichidă umedă (forfecare lichidă):

suspensia de celule este supusă unei presiuni în interiorul unei valve unidirecţionale şi

traversează un canal îngust după care are loc o detentă datorită lărgirii secţiunii de

curgere

se lucrează la presiuni mari şi în multe cazuri este necesară recircularea materialului

pentru a obţine o distrugere de maxim. 90%

pentru a preveni pierderea din activitatea enzimatică datorită încălzirii suspensiei pe

traseu, se impune răcirea acesteia la temperaturi de 0 – 4 ºC

• măcinarea uscată (forfecare solidă):

extrudarea sub presiune a microorganismelor îngheţate la -25ºC printr-un orificiu foarte mic pentru obţinerea de enzime sau

de membrane celulare

distrugerea peretelui celular se datorează efortului combinat al forfecării lichide prin curgere printr-un orificiu îngust şi

prezenţa cristalelor de gheaţă

se poate realiza o distrugere de 90 % a membranelor celulare la o singură procesare

• măcinarea cu materiale abrazive (agitarea cu abraziune):

distrugerea membranelor celulare se realizează într-un dezintegrator ce conţine elemente rotative (discuri) şi peretele de sticlă

activitatea enzimatică nu este afectată

• îngheţare-dezgheţare:

cicluri repetate de îngheţ-dezgheţ aplicate unei paste de celule microbiene cu formarea de cristale de gheaţă, urmată de topire

cu distrugerea într-o oarecare măsură a membranelor celulare

procedeu lent, cu eliberare limitată a materialului intracelular

se foloseşte în combinaţie cu alte tehnici

METODE CHIMICE

• distrugerea membranei celulare cu detergenţi:

o serie de detergenţi degradează lipoproteinele membranei celulare eliberarea compuşilor intracelulari

se pot folosi:

săruri cuaternare de amoniu

lauril sulfat de sodiu

produşi neionici

detergenţii pot produce şi denaturarea unor proteine şi necesită îndepărtarea lor înaintea aplicării următoarelor etape de purificare

• tratarea alcalină:

se poate folosi la hidroliza materialelor peretelui celular microbian în cazul separării unor enzime:

separarea L-asparaginazei, pH=11-12, timp de 30 min

• tratarea enzimatică:

o serie de enzime hidrolizează legături specifice în peretele celular la un număr limitat de microorganisme:

lizozime

extracte enzimatice separate din - leucocite

- specii de Streptomyces

- Penicillium

- Trichoderma

- Micromonospora

dezavantaje: - este cea mai scumpă

- prezenţa enzimei sau a enzimelor complică etapele ulterioare de purificare

• şoc osmotic:

provocat de modificarea bruscă a concentraţiei saline distrugerea multor tipuri de celule

efectul asupra celulelor microbiene este minim

SEPARAREA PRODUSELOR UTILE

pentru a se putea alege procedeul de separare adecvat, este necesară cunoaşterea:

- proprietăţilor fizico-chimice ale metaboliţilor

• solubilitatea - în soluţii apoase de electroliţi sau apă

- în solvenţi polari, nepolari sau slab polari

• stabilitatea în soluţie: funcţie de: - pH, temperatură

- efectul soluţiilor tampon

- prezenţa solvenţilor organici

- efectul liofilizării

• stabilitatea în stare solidă: - efectul temperaturii

- efectul oxigenului şi a umidităţii

• proprietăţile fizico-chimice în soluţie: - posibilitate de adsorbţie

- migrare în câmp electric

- sedimentare la ultracentrifugare

- stabilitate la acţiunea unor enzime sau agenţi chimici

- comportării acestora în anumite condiţii de mediu ambiant

SEPARAREA ŞI PURIFICAREA INIŢIALĂ

PRECIPITAREA

se foloseşte precipitarea ca metodă de separare primară la:

• obţinerea tetraciclinelor – adăugarea unei sări cuaternare de amoniu cu masă moleculară mare conduce la formarea unui precipitat

insolubil, din care se poate apoi pune în libertate antibioticul

• obţinerea acidului citric sub formă de citrat de calciu

• obţinerea acidului L-glutamic sub formă de glutamat de sodiu

agenţi de precipitare pentru proteine: - polimeri cu masă moleculară mare (dextran, polietilenglicol, etc)

- metanol, etanol, acetonă

separarea proteinelor sub fomă de sare este o metodă larg utilizată pentru recuperarea şi fracţionarea acestora

EXTRACŢIA CU SOLVENŢI (LICHID-LICHID)

este o operaţie de separare a amestecurilor lichide omogene, bazată pe diferenţa de

solubilitate a componenţilor într-unul sau mai mulţi dizolvanţă corespuzător aleşi

Principiul pentru o singură unitate de extracţie:

A+B – amestec binar omogen; S – solvent în care

se solubilizează componentul B şi parţial A

E – extract format din soluţia B în solvent, R –

rafinat (conţine majoritar compusul A)

etape:

• contactarea amestecului de separat cu dizolvantul în vederea realizării

transferului de solut din solventul A în solventul S

• separarea celor două faze

• recuperarea dizolvantului

criterii la alegerea solventului:

• să prezinte selectivitate pentru compusul ce urmează a fi separat

• să aibă proprietăţi fizice (densitate, viscozitate) care să permită o dispersie

uşoară a fazelor

• posibilitatea recuperării în vederea recirculării

• siguranţă în exploatare (toxicitate, inflamabilitate redusă), impact ecologic

• costuri reduse

extracţia reactivă

procedeu în care solubilizarea produsului de biosinteză într-un solvent organic se realizează ca urmare a unei reacţii chimice cu un

agent de extracţie (extractant, agent purtător)

extractanţii: compuşi chimici organici cu structuri voluminoase, solubili, de regulă, în fază organică, capabili să reacţioneze cu

metaboliţii şi să formeze compuşi solubili la rândul lor în fază organică

performanţele extracţiei reactive sunt superioare comparativ cu extrcţia fizică

extracţia cu fluide supercritice permite:

evitarea degradării produşilor extraşi, datorită condiţiilor blânde în care se realizează

extracţia rapid şi complet la temperaturi moderate

eficienţa sporită, datorită proprietăţilor fazei de solvatare în condiţii supercritice

sisteme de extracţie bifazice apoase - pentru separarea a moleculelor proteice

ADSORBŢIA

procesul prin care unul sau mai mulţi componenţi ai unui mediu omogen sunt reţinuţi pe un adsorbant (structură solidă)

este o operaţie de separare datorită selectivităţii adsorbantului, fracţionând amestecul iniţial în efluent şi reţinut pe solid

reţinutul pe solid se îndepărtează prin desorbţie nedestructivă: - cu vapori supraîncălziţi

- cu aer cald

- prin încălzire sau detentă

destructivă: calcinare

alegerea adsorbanţilor se face în funcţie de:

o suprafaţa specifică: raportul dintre suprafaţa reală de contact şi masa solidului

o capacitate de adsorbţie: proprietatea unui adsorbant de a reţine pe suprafaţa sa o cantitate determinată de substanţe – adsorbit

tipuri de adsorbanţi:

- cărbune activ - cărbune de oase

- silicagel - pământuri decolorante

- alumină (Al2O3) - magnezie activă (MgO 90%, MgCO3 10 %)

SCHIMBUL IONIC

fac parte din categoria reacţiilor de dublu schimb care au loc în sisteme eterogene:

L – S (soluţie de electrolit – schimbător de ioni)

L – L (soluţie de electrolit – schimbător de ioni lichid).

ionii din soluţia de electrolit înlocuiesc ionii de acelaşi tip din structura moleculară a schimbătorului de ioni

funcţie de natura ionilor schimbătorii se clasifică în:

o cationiţi RH sau RNa - tipuri: - anorganici naturali sau sintetici: aluminosilicaţi, zeoliţi

- cărbuni fosili: turbă, lignit, sulfonaţi

- cationiţi pe bază de lignină, celuloză

- răşini - fenolice sau poliesterice sulfonate

- carboxilice

o anioniţi ROH -tipuri: - răşini aminice, melaminice

- răşini pe bază de celuloză, lignină modificate

aplicaţii în biotehnologie

o separarea streptomicinei pe sulfocationiţi puternic acizi şi eluarea cu soluţie de acid sulfuric sulfat de streptomicină

PROCEDEE DE CONCENTRARE ŞI PURIFICARE FINALĂ

EVAPORAREA

operaţia prin care se concentrează o soluţie formată dintr-un dizolvant volatil şi un component, lichid sau solid, nevolatil prin

îndepărtarea unei părţi din dizolvant

spre deosebire de distilare vaporii rezultaţi sunt formaţi dintr-un singur component (unul din componenţi fiind are volatilitate scăzută)

trecerea în stare de vapori se poate face prin:

o evaporare superficială – la temperaturi mai mici decât temperatura de fierbere corespunzătoare presiunii de deasupra lichidului

o fierbere – concentrarea se realizează în întreaga masă a lichidului

scopul evaporării: - obţinerea substanţelor considerate nevolatile, care se găseşte dizolvată într-un lichid

factori care influenţează evaporarea:

o capacitatea de evaporare – reprezintă cantitatea de dizolvant evaporată raportată la unitatea de timp şi de suprafaţă de transfer

o concentraţia soluţiei – soluţiile concentrate fierb la temperaturi mai mari

o presiunea de lucru – determină temperatura de fierbere

o labilitatea termică a soluţiei; mulţi metaboliţi se caracterizează prin labilitate termică, care se manifestă prin:

- volatilizare

- descompunere

- pierderea proprietăţilor organoleptice (degradarea)

DISTILAREA, RECTIFICAREA

procedeele de separare a componenţilor unui amestec lichid omogen, bazat pe diferenţa dintre temperaturile de fierbere ale

componenţilor amestecului

este practic o operaţie dublă – de fierbere a amestecului lichid, urmată de condensarea vaporilor rezultaţi

operaţia multiplă de fierbere – condensare se numeşte rectificare; se realizează în vederea obţinerii de separări mai avansate

în biotehnologie distilarea se aplică:

o rareori pentru separarea sau concentrarea de metabolit

- separarea solventului în fermentaţia butirică

o pentru recuperarea solvenţilor organici utilizaţi în operaţii de separare/purificare

SEPARĂRI ŞI PURIFICĂRI CU MEMBRANE

domeniile de utilizare s-au extins în special spre sfera industriei – alimentare, biochimice, biomedicale

- de tratare a efluenţilor industriali

membrana - zonă de discontinuitate interpusă între 2 medii, având rolul de a permite trecerea preferenţială a unui component dintr-un

amestec (acţionează ca o barieră selectivă)

membranele pot avea structuri poroase sau dense şi pot fi confecţionate din materiale organice, anorganice, biologice, unele cu

posibilităţi de schimb ionic

permeaţie - procesul de transport al unui component printr-o membrană

mecanismul permeaţiei este determinat de forţa motoare responsabilă de transportul prin membrană:

o diferenţa de presiune, p (ultrafiltrare, microfiltrare, osmoză inversă)

o diferenţa de temperatură, t (termoosmoză, distilare cu membrane)

o diferenţa de concentraţie, c (pervaporaţie, permeaţie de gaze, dializă, membrane lichide)

o diferenţa de potenţial chimic, (electrodializă, electroosmoză)

avantaje:

o consum energetic redus;

o posibilitatea separării continue;

o condiţii simple de operare;

o posibilitatea cuplării cu procedeele tradiţionale;

o costuri reduse de investiţie şi separare.

cele mai utilizate în domeniul biotehnologiei sunt:

o microfiltrarea;

o ultrafiltrarea;

o electrodializa

electrodializa

permite modificarea compoziţiei sau concentraţiei soluţiei unor compuşi ionizabili prin migrarea selectivă a ionilor sub acţiunea

câmpului electric

membranele de electrodializă trebuie să posede grupe ionizabile (membrane schimbătoare de ioni)

intensificarea fluxului de substanţă prin membrană

suprapunerea peste diferenţa de concentraţie a unei diferenţe de potenţial datorat câmpului electric (U)

SEPARĂRI ŞI PURIFICĂRI CROMATOGRAFICE

tehnica cromatografică se utilizează la izolarea şi purificarea unor metaboliţi

este de fapt o adsorbţie-desorbţie selectivă a unor substanţe prezente întrr-o soluţie care se realizează la trecerea soluţiei prin

coloana cromatografică

funcţie de mecanismul prin care compuşii se reţin selectiv pe umplutura cromatografică, tehnicile cromatografice se pot clasifica

în:

cromatografie de adsorbţie

bazată pe adsorbţia fizică prin legături slabe de tip Van der Waals

cromatografie de schimb ionic

proces reversibil de schimb ionic între faza lichidă respectiv cea solidă

nu este însoţită de modificări structurale radicale ale fazei solide

cromatografia de permeaţie de gel

separă moleculele pe baza dimensiunilor lor

moleculele de dimensiuni mici pătrund în structura gelului iar la eluţie, moleculele de dimensiuni mari vor fi cele care vor fi

eliminate la început

cromatografia de afinitate

tehnică de separare cu multiple aplicaţii, putând fi utilizată la separarea şi purificarea majorităţii moleculelor biologice pe

baza funcţiunii sau structurii lor chimice

tehnica se bazează pe interacţiunile specifice dintre materialele biologice şi suportul cromatografic

s-a utilizat la început la izolarea şi purificarea proteinelor, enzimelor, dar s-a extins şi pentru diferite substanţe de

diagnosticare, anticorpi, acizi nucleici

APLICAŢII ALE BIOTEHNOLOGIEI ÎN DOMENIUL PROTECŢIEI MEDIULUI

TRATAREA APELOR REZIDUALE

Apele reziduale industriale şi municipale se caracterizează prin conţinut relativ ridicat de impurităţi organice/anorganice, care prin

descompunere formează compuşi gazăşi cu miros neplăcut şi reduc conţinutul de oxigen dizolvat afectând viaţa acvatică.

solide suspendate nămoluri

- compuşi organici biodegradabili - în mare parte - proteine

- hidraţi de carbon

- grăsimi

- germeni patogeni - provoacă îmbolnăviri ale omului şi animalelor

- îngrăşăminte (cu N şi P) - conduc la o dezvoltare excesivă a florei (algelor) provocând

un dezechilibru prin sărăcirea apei în oxigen dizolvat

- poluanţi organici - benzen

- hidrocarburi clorurate

- acţiune cancerigenă, mutagenă, etc

- organici refractari (nebiodegradabili):

- substanţe tensioactive (surfactanţi)

- fenoli, pesticide

- adesea nu se îndepărtează prin procedee convenţionale de

tratare a apei

- metale grele

- anorganici: calciu, sodiu, SO4-

- provenite din mediul casnic

Principalii contaminanţi ai

apelor reziduale

Etapele tratării apelor reziduale

TRATAREA BIOLOGICĂ

poate fi aerobă/anaerobă

alegerea metodei se realizează funcţie de:

o - concentraţia de substanţe organice biodegradabile

o - volumul ce urmează a fi tratat

procese de tratare aerobe:

se bazează pe reacţia generală:

compus organic + O2 + N + P celule noi + CO2 + H2O + produşi microbiali solubili

o parte a compuşilor organici se oxidează la CO2 şi apă, o altă parte se utilizează în obţinerea de biomasă

celule, microorganisme

epurarea cu nămol activ: dezvoltată încă din 1914, se desfăşoară conform schemei:

aerarea are loc uniform pe toată lungimea reactorului (reactor orizontal) ceea ce nu este optim, deoarece necesarul de oxigen este mai

mare la intrare, unde concentraţia de impurităţi este mai mare.

soluţii:

o o reducere treptată a gradului de aerare

o alimentarea cu apă reziduală pe toată lungimea bioreactorului

o bioreactoarele orizontale pot fi înlocuite cu bioreactoare cu biofilm, care facilitează dezvoltarea biofilmului pe suprafeţe

solide, rămânând astfel în în incinta reactorului

eliminarea azotului şi fosforului:

eliminarea N se bazează pe două procese diferite:

- nitrificarea, în prezenţa oxigenului

NH4+ + 2 O2 NO3

-

- denitrificarea, realizată în prezenţa compuşilor organici biodegradabili (metanol), în absenţa oxigenului şi necesită un reactor

suplimentar (la fel şi în cazul eliminării fosforului):

6 NO3- + 5 CH3OH 3 N2 + 6 HO- + 5 CO2 + 7 H2O

epurarea anaerobă:

prezintă câteva avantaje faţă de epurarea aerobă:

- formarea unor cantităţi mai mici de nămol

- obţinerea de gaz cu putere calorică ridicată (metan – denumit biogaz)

- costuri reduse

dezavantaj:

- gradul de reducere a impurităţilor organice este inferior celui realizat prin epurarea aerobă

Principalele tipuri de reactoare folosite în epurarea anaerobă:

reactoarele cu amestecare: – mecanică

– cu recirculare (pneumatică)

– hidraulică, prin injecţie de gaz inert lipsit de O2

reactoare hidraulice su strat: – fix

– fluidizat

Tip apă Reactor Domeniu de utilizare

apă cu 0,5 – 25 kg/m3 impurităţi

uşor degradabile, hidraţi de

carbon inferiori

- cu amestecare

- conversie 80 – 95 %

- distilerii;

- industria chimică (celuloză şi

hârtie);

- industria alimentară;

apă cu 0,5 – 25 kg/m3 impurităţi

uşor degradabile, carbohidraţi

superiori, proteine

- hidraulic;

- în strat fluidizat;

- cu biofilm

- conversie 95 %

- industria amidonului;

- industria alimentară;

- bere;

apă cu 25 – 200 kg/m3 impurităţi

greu degradabile

- conversie 90 – 98 % - fermentaţii;

- industria alimentară.

se realizează cu ajutorul unui complex de microorganisme care transformă materialul organic în metan şi dioxid de carbon în trei

etape:

OBŢINEREA DE BIOCOMBUSTIBILI

BIOGAZ - produs biodegradabil rezultat din fermentarea culturilor energetice si reziduurile organice

- amestec de gaze - majoritar: metan şi dioxid de carbon în proporţii variabile

- în cantităţi foarte mici: hidrogen sulfurat, azot, monoxid de carbon, etc.

Materia primă utilizată pentru

producţia de biogaz

Tehnicile de generare a biogazului

- fermentare umedă: - adecvată pentru un conţinut de substanţa uscată (TS) mai mic de 10%

- fermentare uscată: - lucrează cu biomasă cu un conţinut de substanţa uscată (TS) mai mare de 25%

etapele de procesare: - prelucrarea substratului

- producerea biogazului (fermentaţia/ digestia anaerobă)

- depozitarea resturilor de la fermentare

- depozitarea de gaze în acumulator

- utilizarea gazelor

- tratamentul deşeurilor de fermentare

- tipul procesului: - criofil, temperatura de fermentare <20 °C (nu este necesară energie suplimentară pentru încălzirea reactorului)

- mezofil, temperatura de fermentare 32-42 °C

- termofil, temperatura de fermentare 50-58 °C (este necesar un consum mare de energie sub forma de căldură)

Biochimia procesului

carbohidraţi

proteine

grăsimi

zaharuri

amino acizi

acizi graşi

glicerină

acizi organici

alcooli

H2, CO2

BIOGAZ

(CH4, CO2, H2O)

Hidroliză Acidogeneză

Acetogeneză Metanogeneză

Homoaceto-

geneză

acid carbonic

alcooli

acetat

H2, CO2

Microorganisme utilizate

- bacterii hidrolitice (descompun materii prime organice complexe în zaharuri şi

aminoacizi)

Bacteroides, Lactobacillus, Propioni-bacterium,

Sporobacterium, Megasphaera

- bacterii acidogene (participante la hidroliză)

Clostridium, Paenibacillus, Ruminococcus

- bacterii acetogene şi homoacetogene (transformă compuşii cu carbon în H2, CO2 şi

acid acetic)

Desulfovibrio, Aminobacterium, Acidaminococcus

- bacterii metanogene (produc biogaz din H2, CO2 şi acid acetic)

Methanosarcina, Methanothrix,

Methanobacterium, Methanospirillum

Model de operare Schema de principiu Caracteristici

procesare în şarje

- substratul este alimentat dicontinuu în

bioreactor

- producţie în şarje

- procedeu scump

procesare cu

reactoare

interschimbabile

- substratul este alimentat alternativ în cele două

bioreactoare

- producţie constantă de biogaz

- sterilizare eficientă

- costuri mari (bioreactoare de dimensiuni mari)

procesae continuă

- substratul este alimentat continuu în bioreactor

- utilizare eficientă a volumului bioreactorului

- costuri moderate

- construcşie compactă

- omogenizare deficitară a substratului

- substratul este alimentat continuu

- nu este necesară omogenizarea

procesare continuă

cu acumulare

- substratul este alimentat continuu, dar golirea

bioreactorului se face în şarje

- costuri relativ scăzute

- randamet mare la obţinerea de biogaz

- proces modern

procesare cu

acumulare - substratul este alimentat continuu, dar

fermentaţia şi evacuarea se fac în şarje

- costuri reduse

Schema operaţiilor principale a unui proces combinat de fermentare uscată şi umedă a reziduurilor biologice

BIOETANOL

- etanol produs din biomasă- productia mondiala de bioetanol se situeaza in jurul valorii de 26 mil. t/an

- materie primă utilizată diversă, in mare parte subproduse sau deşeuri ale diferitelor industrii de prelucrare a materiilor prime de naturăvegetală sau animală:

- materii prime zaharoase

sfecla şi trestia de zahăr

melasa

struguri, fructe

- materii prime amidonoase

cereale

cartofi

- materii prime celulozice

deşeuri din lemn

leşii bisulfitice

Producţia mondială de bioetanol , x106 l

Efectul utilizării bioetanolului asupra nivelului emisiilor

poluante

Avantajele valorificării superioare a deşeurilor lignocelulozice (paie

tulpini de porumb, rumeguş, frunze, stuf):

- diminuarea emisiilor de gaze cu efect de seră cu 85% faţă de cele

emise prin arderea benzinei

- protejarea resurselor alimentare

- reducerea impactului asupra mediului prin protejarea biodiversităţii

Microorganisme producatoare: Drojdii

• Saccharomyces cerevisiae

• Saccharomyces uvarum (carlsbergensis)

• Kluyveromyces

Bacterii

• Clostridium sporogenes

• Zymomonas mobilis

• Clostridium sphenoides

Schema operaţiilor principale de

obţinere a etanolului din diverse

materii prime

Schema tehnologică de obţinere a alcoolului etilic prin fermentaţia melasei

Instalaţie de obţinere a etanolului din cereale sau

cartofi prin procedeul fără fierbere sub presiune

SC – Schimbător de căldură; R – Blaz; P – Produs;

MP – Materie primă; AS – Apă de spălare; AR – Apă

reziduală; 1 - Transportor elicoidal; 2 – Cântar; 3 –

Moară; 4 – Fierbător; 5 – Zaharificator; 6 –

Reactor; 7 - Coloană de distilare; 8 - Coloană de

rafinare; 9 - Rezervor CO2; 10 - Rezervor enzime

fluidificare; 11 - Rezervor enzime zaharificare; 12 -

Rezervor plămadă drojdie.

BIOMETANOL

- se poate obţine din deşeuri de biomasă bogate în pectine prin procedee biotehnologice:

- hidroliza enzimatică utilizând pectinmetilesteraza

- materii prime: - rumeguş

- tărâţe de orez

- pulpa rămasă de la sfecla de zahăr după extragerea zahărului

- randamentele sunt destul de scăzute (sub 50%), procedeele nefiind încă fezabile economic

- datorită cifrei octanice foarte mari, poate fi utilizat în amestec cu benzina în proporţie de 10-20% fără a fi necesare modificări ale

motorului

- este utilizat mai eficient în componenţa celulelor de combustie

- utilizarea ca biocarburant pur este limitată de faptul că este un compus foarte toxic, inclusiv la contactul cu pielea

BIOBUTANOL

- are proprietăţi similare cu ale benzinei

- se poate folosi în motoarele cu ardere internă fără a se face modificări constructive ale acestuia

- este mai puţin higroscopic comparativ cu etanolul, absorbind mai puţină apă din aer

- se obţine prin procedee biotehnologice utilizând ca substrat de fermentare biomasă bogată în glucoză

- microorganisme utilizate: specii de Clostridium

BIOHIDROGENUL

- hidrogen obţinut din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor

- arderea se face fără emisii poluante

- metode de obţinere: - fermentarea anaerobă a deşeurilor organice cu obţinere directă de hidrogen

- microorganisme utilizate: Cyanobacteria, Clostridia

- fermentarea anaerobă a deşeurilor organice cu obţinere de metan, urmată de conversia catalitică a acestuia cu

vapori de apă

microorganisme utilizate: Rhodobacter, Enterobacter

- fotosinteza – alge verzi şi albastre

- procedeele de obţinere sunt foarte costisitoare