פרק 2 תהליכים בביוטכנולוגיה עמוד 1 פרק 2

מטרות הגדרת הביוטכנולוגיה מבוא לתהליכי ייצור ביוכימיקלים סוגי תהליכים מאפיינים טכנולוגיים מקומם של תהליכי ההפרדה בתזרים התהליך מבוא לתהליכי ביו-הפרדות ייחוד לעומת ההליכים בתעשייה הכימית עמוד 2 פרק 2

מהי ביוטכנולוגיה? ניצול מערכות ביולוגיות (חיידקים, שמרים, פטריות, אצות, תאים או קטעי רקמה, אנזימים וכד') לייצור או לאנליזה בתעשייה, ברפואה ובחקלאות. הביוטכנולוגיה היא רב תחומית: מדעי החיים (ביוכימיה, גנטיקה, מיקרוביולוגיה, אימונולוגיה) כימיה (הפרדות, אנליזה, זיהוי מבנים) הנדסה (פיתוח ריאקטורים, גמלון) כלכלה עמוד 3 פרק 2

היה היה... יין, אפייה, הכנת גבינה, החמצת ירקות המאה ה-17: אנטוני ואן-לבנהוק - קשר בין התססת סוכר ונוכחות שמרים סוף המאה ה 19: תהליכי תסיסה לא-סטרילית, כגון ייצור אתנול וחומצת חומץ. אמצע שנות הארבעים: ראשית ההנדסה הביוכימית, מתקני תסיסה מבוקרים וניתנים לעיקור שנות השבעים ואילך: ביוטכנולוגיה מודרנית - הנדסה גנטית, ייצור נוגדנים עמוד 4 פרק 2

מיקרואורגניזמים אנזימים מבודדים “מכונות הייצור” תאים מיצורים עילאיים נפח ריאקטור טיפוסי אנזימים מבודדים תאים מיצורים עילאיים עמוד 5 פרק 2

תהליכי תסיסה (פרמנטציה) Fermentation ההגדרה ה”קלאסית”: תהליך מטבולי שבו מיקרואורגניזמים מנצלים תרכובות אורגניות בתנאים אנאירוביים לקבלת אנרגיה זמינה ... תהליך המתפתח מהוספת מיקרואורגניזמים למצע מזון וערבולם בכלי גידול בתנאים מבוקרים סווג תוצרי תהליך תסיסה: ביומסה: התוצר הוא התאים עצמם תוצר מעובד: מצע התסיסה אשר בהרכבו חלו שינויים תוצרי ביוסינתזה: מטבוליט ראשוני או שניוני ביופולימרים: חלבון, אנזים, רב-סוכר עמוד 6 פרק 2

סכמה כללית של תהליך תסיסה הכנת המצע עיקור פחמן זרחן חנקן יסודות קורט תרבית מוצא בקבוק מטלטל פרמנטור מזרע ראשוני ריאקטור ביולוגי (פרמנטור ייצור) הפקת התוצר ובידודו תהליכי “מורד הזרם” Downstream processing עמוד 7 פרק 2

ייצור ביומסה שמרים (Saccharomyces) ייצור עולמי של שני מליון טון לשנה (1999). שימושים: “שמרים לחים”: אפייה, בירה, יין “שמרים יבשים לא-פעילים”: תוספי מזון “שמרים יבשים פעילים”: הפקת אנזימים ותוצרים תוך-פעילים עמוד 8 פרק 2

ייצור ביומסה - שמרים לחים חומרי גלם למצע 150 - 200 m3 10 - 20 hr תרבית מוצא בקבוק מטלטל פרמנטור ייצור פרמנטור מזרע ראשוני פרמנטור מזרע שניוני פרמנטור ייצור ראשוני 3.5% - 5% ריכוז תאים שמרים לחים דחוסים אריזה עיבוד מכני הרחקת עודפי מים נפחי ייצור גדולים, ריכוז מוצקים בריאקטור נמוך, תהליך הפרדה פשוט יחסית עמוד 9 פרק 2

ייצור ביומסה - תהליך ICI מיקרואורגניזמים כמקור מזון עתיר חלבון (עד 80% ממשקל יבש, לעומת כ-40% בקמח סויה) פוטנציאל לסילוק פסולת (כגון תוצרי לוואי של תעשייה פטרוכימית) וניצולה כמקור פחמן מתאים בעיקר לבע”ח - תכולה גבוהה של חומצות גרעין רעילה לבני אדם תהליך ICI (שנות ה 80) : ייצור חלבון מהחיידק Methylophilus methylotrophus הניזון ממתנול ואמוניה עמוד 10 פרק 2

ייצור ביומסה - תהליך ICI חומצה זרחתית, מלחי סידן אשלגן ומגנזיום, יסודות קורט המתת התאים והשראת יצירת צברי תאים עיבוד מכני מתנול 1,500 m3 ייבוש 30 hr אמוניה + אוויר 3% ריכוז תאים טחינה ואריזה אבקת חלבון כופתאות חלבון נפחי ייצור גדולים, ריכוז מוצקים בריאקטור נמוך, תהליך הפרדה פשוט יחסית עמוד 11 פרק 2

תוצרים מעובדים ייצור בירה תירוש מיחזור שמרים ~1000 m3 בירה סרכוז אכסון להשבחת טעם אריזה סינון נפחי ייצור גדולים, תהליך הפרדה פשוט יחסית עמוד 12 פרק 2

ייצור מטבוליטים תוצרי ביוסינטזה מטבוליט שניוני Secondary metabolite: מופיע בתלות בתנאי הסביבה אנטיביוטיקה, ויטמינים מטבוליט ראשוני Primary metabolite: חיוני למהלך חיי התא אתנול, חומצות אמינו, חומצות אורגניות רוב התוצרים חוץ-תאיים חומצת לימון חומצת חומץ חומצה לקטית פניצילין עמוד 13 פרק 2

ספיחת זיהומים על פחם פעיל ייצור חומצת לימון מיצוי בסביבה חומצית מיצוי בעזרת מים סינון פטרייה Asperigillus niger חילוף יונים ספיחת זיהומים על פחם פעיל ~100 m3 ייבוש סירכוז גיבוש נפחי ייצור גדולים, תהליך הפרדה יותר מורכב עמוד 14 פרק 2

ייצור ביופולימרים דוגמא: ייצור וטיהור אינסולין תוצר שאריות תאים סירכוז סינון טיפול כימי שבירת תאים דיאליזה Cyanogen bromide ~10 m3 מיצוי תוצר כרומטוגרפיה שיקוע דיאליזה סולפונציה רוב התוצרים תוך-תאיים נפחי ייצור קטנים, תהליך הפרדה מורכב מאוד עמוד 15 פרק 2

האנזים ככלי טכנולוגי ביוקטליזטורים אנליזות, בפרט לדיאגנוסטיקה רפואית בטבע ישנם עשרות עד מאות אלפי אנזימים רק מספר אלפי אנזימים בודדו ותוארו בספרות המקצועית ישנם מאות אנזימים מבודדים הניתנים לרכישה ממקור מסחרי בשנת 1998 כעשרים אנזימים נסחרו בכמויות גדולות (חביות) עמוד 16 פרק 2

האנזים ככלי טכנולוגי אנזימים חוץ תאיים אנזימים תוך - תאיים דוגמאות לשימושים תעשייתיים שם האנזים מקור שימושים פפאין פפאיה ריכוך בשר, תרופות עמילאז פטריה ייצור גלוקוז מעמילן רנין פטרייה שיקוע חלבון החלב מגבינות פרוטאזה חיידקים פרוק כתמי חלבון (אבקות כביסה “ביו”) עמוד 17 פרק 2

אנזימים מקובעים Immobilized Enzymes כיצד לעשות שימוש רב-פעמי באנזים? קישור כימי יציב, אין רגישות ל pH או חוזק יוני מורכב, עלול להיות שינוי באנזים ספיחה פשוט, זול, אין הפרעות סטריות, שמירת מבנה האנזים שינוי pH או חוזק יוני עלול לנתק את האנזים שמירת מבנה האנזים דיפוזיה משפיעה על קצב התגובה, חשש לזליגת האנזים כליאה בקופסית כליאה בג’ל עמוד 18 פרק 2

תרביות תאים מיצורי על - תאים אנימליים קשיים טכנולוגיים יישומים תכשירי חיסון הורמון גדילה אינטרפרון קצב התרבות קטן (ימים, לעומת שעות למיקרואורגניזמים) מצע מוצק לתאחיזה מצע גידול מגוון בקרת אוורור, טמפ’ וערבוב קפדנית מניעת זיהומים נפחי ייצור קטנים (לכל היותר כמה מאות ליטרים) עלויות גבוהות עמוד 19 פרק 2

תרביות תאים מיצורי על - תאים אנימליים מתקן “בקבוקים סובבים” (Roller Bottle) תאים מקובעים: ראקטורים תעשייתיים חשיבות רבה לתנאי הבחישה והאוורור עמוד 20 פרק 2

הנדסת רקמות Tissue Engineering עמוד 21 פרק 2

שיבוט Cloning עמוד 22 פרק 2

תרביות תאי צמחים ריבוי מקטעי רקמה זעירים (Micropropagation) פרח של צמח הבננה הכנת תרחיף תאים השראת יצירת צמחון עמוד 23 פרק 2

הנדסה גנטית Genetic Engineering ייצור חלבונים בתהליך תסיסה הנדסת חלבונים אינסולין, גורמי קרישה, תרכיבי חיסון זיהוי גן רצוי החדרה ל DNA של מיקרואורגניזם (למשל E. Coli או שמר) ייצור בתהליך תסיסה הפרדת התוצר עמוד 24 פרק 2

מה אפשר למצוא בחיידק E. Coli חומצות אורגניות, חומצות אמינו מבוא לביו-הפרדות מאפייני ה“מרק” fermentation broth תרחיף, ריכוז נמוך של התוצר הרצוי קנה מידה קטן (קשה למצוא פרטי ציוד תעשייתי) דרישות נקיון חמורות רב-מרכיבי חלק מהמרכיבים דומים כימית לתוצר רגישות לתנאי התהליך מה אפשר למצוא בחיידק E. Coli 3000 סוגי חלבונים 1000 סוגי חומצות גרעין 50 סוגי פחמימות 40 סוגי ליפידים חומצות אורגניות, חומצות אמינו יונים... עלות גבוהה עמוד 25 פרק 2

סווג תהליכי ביו-הפרדות סווג תהליכי ביו-הפרדות שבירת תאים סינון סירכוז (צנטריפוגציה) אין שינוי בריכוז או איכות התוצר הפרדת פרקציות בלתי מסיסות לא ספציפי הגדלת ריכוז התוצר ספיחה מיצוי בידוד התוצר כרומטוגרפיה אלקטרופוריזה שיקוע שיטות זיקה טיהור התוצר ספציפי הגדלת ריכוז ואיכות התוצר גיבוש ייבוש גימור עמוד 26 פרק 2

עלות שלב ההפרדה מוצר עלות הפרדה אתנול 25% פניצילין 50% אנזימים 80% מוצר עלות הפרדה אתנול 25% פניצילין 50% אנזימים 80% עמוד 27 פרק 2

סיכום תהליכי ייצור ביוכימיקלים פרמנטציה אנזימים מבודדים תאים מיצורי על ה”מרק” כחומר גלם: מיהול, ריבוי מרכיבים, רגישות סווג תהליכי ביו-הפרדות הפרדת מוצקים, בידוד, טיהור, גימור עמוד 28 פרק 2