Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Bioprocess feedback control - a case study of the fed-batch biomass cultivation bioprocess

Ryniecki A., Wawrzyniak J., Gulewicz P., Horla D., Nowak D.

Przemysł Spożywczy

|

2018

|

T. 72, nr 8

34--39

EN

It is particularly difficult to control a biotechnological process because of significant sensitivity of living organisms cultured in bioreactors to process parameters and environmental conditions. Varying conditions of the process are also significant (a change in the chemical composition of the substrate or a change in the mass exchange conditions resulting from the modification of rheological parameters). The industrial biomass cultivation processes require the optimal biomass growth rate. In order to ensure it, it is necessary to analyze input variables, find the most representative output variables, and design an adequate automated control strategy, which should be tailored to a given bioprocess. The article analyzes selected automated control systems in fed-batch biomass cultivation bioprocesses presented in reference publications concerning bioprocess control. Open-loop and closed-loop control systems were taken into consideration. The research showed that open-loop control systems could not respond to process disturbances such as unexpected variations in input variables. Therefore, the authors analyzed closed-loop control systems in more detail, especially the feedback control systems with proportional-integral (PI) control action, which were used to stabilize the specific growth rate at a desired level. The authors presented equations which enable the online estimation of the specific growth rate on the basis of cellular metabolic heat. It has been noticed that the quality of automated control of bioprocesses can be further improved through improvement of control systems with a feedback.

PL

Kontrola przebiegu procesu biotechnologicznego jest szczególnie trudna ze względu na dużą wrażliwość hodowanych w bioreaktorach żywych organizmów – zarówno na parametry procesowe, jak i warunki środowiskowe. Nie bez znaczenia są również dynamicznie zmieniające się warunki prowadzenia procesu (zmiana składu chemicznego podłoża czy zmiana warunków wymiany masy jako efekt zmieniających się parametrów reologicznych). Procesy przemysłowej hodowli biomasy narzucają konieczność zapewnienia optymalnej szybkości wzrostu biomasy. Aby to zrealizować, niezbędne są: analiza wielkości wejściowych bioprocesu, znalezienie najbardziej reprezentatywnych wielkości wyjściowych oraz opracowanie odpowiedniej strategii sterowania automatycznego, która powinna być indywidualnie dobranado danego bioprocesu. W artykule poddano analizie wybrane systemy sterowania automatycznego procesem hodowli biomasy prowadzonej metodą okresową z zasilaniem – przedstawione w ostatnich latach w literaturze przedmiotu. Uwzględniono układy sterowania zarówno otwarte, jak i zamknięte. Stwierdzono, że sterowanie w układzie otwartym nie radzi sobie z zakłóceniami działającymi na bioprocess, takimi jak niespodziewane zmiany wartości wielkości wejściowych procesu. Dlatego autorzy z większą uwagą analizowali zamknięte układy sterowania, w szczególności te ze sprzężeniem zwrotnym wykorzystujące człon proporcjonalno-całkujący (PI), który posłużył do stabilizowania szybkości wzrostu biomasy na założonym poziomie. W pracy przedstawiono równania umożliwiające obliczanie on-line właściwej szybkości wzrostu biomasy na podstawie ciepła metabolizmu komórkowego. Zauważono, że możliwa jest dalsza poprawa jakości automatycznego sterowania bioprocesami poprzez doskonalenie systemów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.

2

Bakterie a współczesne kosmetyki

Bugla-Płoskońska G., Korzekwa K.

Laboratorium - Przegląd Ogólnopolski

|

2012

|

nr 9-10

72--74

PL

Bakterie są obecnie coraz częściej wykorzystywane w bioprocesach celem pozyskiwania produktów użytecznych w recepturze kosmetycznej. Niestety, niektóre bakterie są także często niepożądanymi gośćmi kosmetyków i linii produkcyjnych. Konieczne są więc badania produktów kosmetycznych dotyczące ich mikrobiologicznych zanieczyszczeń bakteriami Staphylococcus aureus oraz Pseudomonas aeruginosa.

EN

Bacteria are often used for bioprocess in order to get the products useful in cosmetics recipe. Some bacteria are often undesirable guest in cosmetics and the production process. Cosmetics act requires investigate microbiological contamination of cosmetics product for the most common pathogens -Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa.

3

Możliwości zastosowania bilansu populacji do wybranych bioprocesów

Cudak M.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2009

|

Nr 3

34-35

PL

Praca ta ma na celu analizę możliwości zastosowania bilansu populacji do opisu układów biologicznych. Analiza zastała przeprowadzona na podstawie opisanych w literaturze trzech wybranych bioprocesów: produkcji drożdży w bioreaktorze o działaniu ciągłym, biologicznego oczyszczania ścieków oraz produkcji antybiotyków.

EN

An analysis of potential application of the population balance to describe biological systems is presented in this paper. This analysis was carried out on the basis of described in literature three selected bioprocesses: yeast production in continuous bioreactor, biological wastewa-ter treatment and antibiotics production.

4

Możliwości zastosowania bioinformatyki w analizie bioprocesów

Cudak M.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2005

|

Nr 4s

15-16

EN

Researches concerned batch ethanol fermentation performed by yeast Saccharomyces cerevisiae V30 immobilized in aluminium alginate pellets of diameters equal to 2.5, 3.5 and 4.5 mm and hardened for 3, 6, 12, 18 and 24 hours in AlCla solution. The hardening within 12 hours did not affect the process speed whereas the same treatment within 18 and 24 hours caused the significant decrease of the fermentation rate, especially when pellets of 2.5 mm were used.

5

Consideration of mixing at the pilot plant stage in bioreactors

Nienow A.

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

|

2005

|

T. 26, z. 3

395-403

EN

This paper considers some of the recent work at University of Birmingham on biological aspects of mixing and scale-up in pilot scale bioreactors, in particular the impact of inhomogeneities and of stress on biological performance. The work takes advantage of new experimental techniques such as flow cytometry and image analysis. The bioprocesses covered are mycelial (including GMO. s), yeast and bacterial fermentations, in batch, fed-batch and chemostat conditions. Animal cell culture is also briefly considered. By using gas blending to control dissolved oxygen concentration (dO2), the impact of mechanical stresses due to agitation and aeration can be decoupled from dO2 effects. Image analysis of all the biomass shows that mycelia are generally damaged by agitation but that productivity may or may not be affected. Also, on scale-up, such damage is reduced. With yeast and bacteria, flow cytometry shows damage does not occur. On the other hand, by simulating the poorer mixing found on the plant scale that leads to locally high nutrient, low dO2 and high pH values, a change of performance compared to the well-mixed bench-scale is found. Especially interesting is the successful simulation of the lower biomass yield but higher cell viability found on the large scale in fed-batch fermentations. Similar conclusions can be drawn for animal cell culture, namely that provided the surfactant Pluronic F68 is added to prevent damage due the stresses associated with bursting bubbles, poor homogenisation is more a cause of poor performance on scale-up than stresses due to agitation. The paper will discuss these issues and also offer some practical recommendations concerning other important process parameters that can be measured at the pilot plant stage and the use of the information for improving large-scale performance.

PL

Omówiono wyniki wybranych prac wykonanych na uniwersytecie w Birmingham na temat biologicznego mieszania i powiększania skali w pilotowych bioreaktorach, ze szczególnym uwzględnieniem wpływu niejednorodności i naprężenia na funkcjonowanie układów biologicznych. Praca pokazuje korzyści wynikające z zastosowania nowych technik doświadczalnych, cytometrii przepływowej i analizy obrazu. Omówiono jednokomórkowe bioprocesy (włączając organizmy modyfikowane genetycznie) zachodzące w trakcie fermentacji drożdży i bakterii w warunkach okresowych, z okresowym zasilaniem i w procesie ciągłym. W skrócie omówiono również hodowlę komórek zwierzęcych. Wykorzystując mieszaninę gazów do kontroli stężenia rozpuszczonego tlenu (dO2), wykazano, że wpływ naprężeń mechanicznych związanych z mieszaniem i aeracją może nie być związany z efektem dO2. Analiza obrazu wszystkich biomas pokazuje, że grzyby są niszczone przez mieszanie, co nie musi mieć wpływu na ich zdolność produkcyjną. W warunkach powiększania skali obserwuje się redukcję efektu niszczenia. W przypadku drożdży i bakterii cytometria przepływowa nie wskazuje na występowanie efektu niszczenia. Z drugiej strony, w wyniku symulacji słabego mieszania w instalacji projektowej wykazano, że powoduje ono występowanie lokalnych dużych stężeń pożywki, małych stężeń dO2 i dużych wartości pH oraz zmian w funkcjonowaniu układów biologicznych w porównaniu z układami dobrze wymieszanymi w skali roboczej. Szczególnie interesujące okazało się uzyskanie symulacji mniejszej wydajności biomasy i większej zdolności do życia dla fermentacji ciągłej w dużej skali. Podobne wnioski można wyciągnąć dla hodowli komórek zwierzęcych. Po dodaniu surfaktanta Pluronic F68, którego zadaniem jest zapobieganie niszczeniu pod wpływem naprężeń związanych z rozrywaniem pęcherzyków, okazało się, że efekty związane z powiększaniem skali są raczej skutkiem braku homogenizacji niż naprężeń wywołanych mieszaniem. Wyniki tych badań będą przedmiotem dyskusji, ajednocześnie zostaną zarekomendowane ważne parametry procesowe, których pomiar w instalacji pilotowej dostarczy użytecznych informacji do funkcjonowania instalacji w dużej skali.

6

Inżynieria biochemiczna

Ledakowicz S.

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

|

2001

|

T. 22, z. 3A

65--74

PL

Przedstawiono historię rozwoju inżynierii biochemicznej. Opisano typowy bioproces, na który składają się, oprócz właściwego etapu reakcyjnego z udziałem drobnoustrojów w bioreaktorze, procesy przygotowania substratów i oczyszczania bioproduktów. Analizując zjawiska zachodzące w bioreaktorze poza komórką drobnoustroju (faza abiotyczna) oraz we wnętrzu komórki zilustrowano rozwój inżynierii biochemicznej. Poprzez stechiometryczne modele metaboliczne podano zasady inżynierii metabolicznej bazującej na analizie strumieni metabolicznych (MFA) i analizie regulacji metabolicznej (MCA). Osiągnięcia inżynierii genetycznej umożliwiły właściwe wykorzystanie wyników modelowania metabolicznego, czego przykładem może być biosynteza rekombinowanych protein. Podkreślono znaczenie inżynierii biochemicznej w przyszłości.

EN

Development of biochemical engineering has been presented. A typical bioprocess, which consists, besides the intrinsic process with the use of microorganisms, also of up- and down-stream processing has been described. The phenomena inside bioreactor in abiotic phase and inside microorganism cell have been analyzed. On the basis of metabolic stoichiometric models the principles of metabolic engineering, in particular metabolic flux analysis (MFA) and metabolic control analysis (MCA) have been given. The achievements of genetic engineering enabled proper implementation of metabolic modeling, exemplified by biosynthesis of recombinant protein. The importance of biochemical engineering for the future implementation of biotechnology has been emphasized.