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Esempi di sviluppo e analisi bioprocessi Introduzione.

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Presentazione sul tema: "Esempi di sviluppo e analisi bioprocessi Introduzione."— Transcript della presentazione:

1 Esempi di sviluppo e analisi bioprocessi Introduzione

2 n Idea innovativa n Miglioramento sperimentale n Breakpoint n Realizzabilità pratica n Process simulation n Economic analysis n Profitability? Yes market; No loop

3 Piano del corso n Sistema sperimentale modello u acido lattico n Acquisizione dati in laboratorio u quaderno di laboratorio n Simulazione del processo u SuperPro Design n Punto di pareggio (Break even) n Richiesta finanziamento

4 Chimica delle fermentazioni dataorarioaula 4 ottobre15:30-17:30U ottobre15:30-17:30U ottobre15:30-17:30U ottobre15:30-17:30Lab ottobre15:30-17:30U ottobre15:30-17:30Lab ottobre15:30-17:30U ottobre15:30-17:30Lab 2026

5 Flusso della fermentazione separazione del prodotto, purificazione. n componenti non usati e intermedi e by-products: utilizzati in altro modo o smaltiti.

6 Processo Microorganismo Alcoli Acidi organici Polipeptidi Polisaccaridi complessi Lipidi Sostanze Eterogenee lignina residui cellulosici …..

7 I microorganismi sono responsabili di ogni fermentazione n complessi sistemi enzimatici n aumento produzione: si ottiene agendo su u ambiente nutritivo u opportuno sistema di fermentazione

8 Interazioni ambiente microorganismo n controllo ambientale u deve essere determinato sperimentalmente F shake flasks (nutrienti, temperatura) F bioreattori (pH, ossigenazione) n controllo genetico

9 Chimica delle fermentazioni

10 Utilities SUBSTRATO Preparazione medium Sterilizzazione Fermentazione Separazione biomassa/liquido Isolamento prodotto Purificazione Formulazione PRODOTTO Analisi Pretrattamento Acqua Mixing technology Inoculo Proliferazione production strain CO 2, gas, calore Biomassa Brodo residuo Residui fermentazione Smaltimento Residui fermentazione pH, sali N, P Energia Aria Misura & Controllo Filtrazione Separazione

11 Chimica delle fermentazioni Richiesta di utilities n Mixing (fermentation) n Aeration n Cooling n Product separation n Sterilization n Stirring, pumping n Compression, air separation n Water cooling n Centrifugation, filtration, chromatography, distillation, drying, extraction, crystallization n Steam

12 Chimica delle fermentazioni Scelta del microorganismo n Caratteristiche nutritive (substrati a basso costo) n Optimum temperatura (reduce cooling) n Caratteristiche morfologiche (interazioni con apparati e processo) n Stabilità genetica n Produttività n Facilità di recovery del prodotto

13 Chimica delle fermentazioni Conservazione ceppo n Eliminare variazioni geniche, proteggere dalla contaminazione e mantenere vitalità n Animazione sospesa u Temperatura ridotta F Agar slants (5°, -20°C; 6 mes) F Azoto liquido (-196°, glicerolo, years) u Disidratazione F Disidratazione (silica gel, anni) F Liofilizzazione (freeze-drying, latte, siero o glutammato, anni) n Quality control

14 Chimica delle fermentazioni Flusso inoculo MASTER Working bank Inoculo Fermentazione PRODOTTO Ceppo originale Collezione di lavoro Batteri % Funghi 5-10 % Spore 1-5x10 8 Liofilizzato 4-10 dd Congelato 6 h-7 dd Refrigerato 5 dd

15 Chimica delle fermentazioni Caratteristiche inoculo n in attiva crescita n buona concentrazione cellulare n privo di contaminazioni n costante capacità di formare il prodotto

16 Chimica delle fermentazioni Upstream processing n Preparazione e immagazinamento substrati e soluzioni: definire volume e composizione, sequenza aggiunte, condizioni u Mixing tank (alte conc., separazione C e N)) u Modalità conservazione (capital investiment), validated n Sterilizzazione (batch, continuo) u Filtrazione (gas, termolabili) u Calore (steam)

17 Chimica delle fermentazioni Upstream -2 n Preparazione inoculo u Ogni vial= 1 seed train, fattore 10 (capital investiment) u Il medium privilegia velocità di crescita e minimizza produzione n CIP u Acqua di processo – H3PO4 20% - acqua – NaOH (5M)-acqua u Ottimizzare tempistiche e temperature scheduling e durata processo

18 Chimica delle fermentazioni Downstream n Yield vs purity n Dipende da upstream e fermentazione n Alte concentrazioni prodotto, basse conc contaminanti n Cè sempre perdita, minimizzare gli step

19 Chimica delle fermentazioni Downstream -2

20 Schema downstream n (Lisare) n Separare n Concentrare n Purificare n Formulare n Tecniche tradizionali e specializzate

21 Lisi cellule n Meccanica (bead mills) n High pressure n Producono misture complesse, aumentano la viscosità, lasciano debris

22 Chimica delle fermentazioni Possibili ulteriori passaggi n Protein refolding n Post translational processing

23 Separazione solido- liquido n Cellule n Debris n Proteine precipitate n Inclusion bodies

24 Chimica delle fermentazioni Filtrazione n Piastre forate, sabbie, lana di vetro…

25 Chimica delle fermentazioni Rotary drum n Chiarificazione (10-40%)

26 Chimica delle fermentazioni Centrifugazione in continuo

27 Chimica delle fermentazioni Concentrazione n Evaporazione /distillazione n Ripartizione liquido-liquido n Filtrazione con membrane (Cross flow) n Precipitazione proteine u ammonio solfato, acetone, etanolo, PEG, pH n Adsorbimento (carbone attivo, resine)

28 Chimica delle fermentazioni Ripartizione liquido- liquido

29 Chimica delle fermentazioni Purificazione n Estrazione con fase organica n Distillazione n Adsorbimento n Cromatografia u Gel exclusion u Affinity u Ion-exchange u HIC u Reverse phase

30 Chimica delle fermentazioni Formulazione n Massima vita del prodotto commerciale n Metaboliti bulk: concentrati (rimozione acqua), cristallizzazione n Proteine (soluzioni, sospensioni, polveri) u aggiunta stabilizzanti (ammonio solfato, sodio cloruro, saccarosio, lattosio, sorbitolo, glicerolo, PEG, BSA) n Enzimi bulk: liquidi concentrati n Prodotti termolabili: liofilizzazione


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