1. שלבי יסוד ומאפיינים של תהליך ייצור ביוטכנולוגי
נושא 2
ביוטכנולוגיה מתבססת על ניצול מערכות ביולוגיות (חיידקים, שמרים, פטריות, אצות- ים, תאים של רקמות בע"ח או צמחים, אנזימים, נוגדנים המופקים מהם) כדי לייצר בקנה-מידה מסחרי מוצרים המשמשים את האדם בתעשייה, בחקלאות וברפואה. הנושא כולל ארבעה תת-נושאים : 4 3 2 1
ביצוע תחשיב כלכלי וכדאיות של תהליך ייצור ביוטכנולוגי
יתרונות וחסרונות של ייצור ביוטכנולוגי
סוגים שונים של תהליכי ייצור ביוטכנולוגיים
שלושת שלבי היסוד של תהליך ייצור ביוטכנולוגי
תאים חיים (יצרנים)
חומרי גלם (מצע)
תוצרים

2. שלושת שלבי היסוד של תהליך ייצור ביוטכנולוגי - תעשייתי
שלב ראשון : הכנות לתהליך הייצור
הכנת חומרי הגלם (עיבוד ועיקור) .
הכנת תרבית המזרע (תרבית האורגניזם היצרן לאחר שעבר שינוי גנטי לפי הצורך).
שלב שני : תהליך הייצור
הכנסה למתקן הייצור את תערובת חומרי הגלם .
הכנסה למתקן הייצור את האורגניזם היצרן (לאחר שעבר שינוי גנטי לפי הצורך) .
הפעלת תנאי הייצור .
ביצוע בקרה של מדדים שונים בתהליך הייצור (טמפרטורה, pH, לחץ, ערבול, ריכוז חומרי הגלם , ריכוז התוצר).
שלב שלישי : תום תהליך הייצור
בתום תהליך הייצור, הפרדת התוצר.
הפרדה וניקוי התוצר מתוצרי לוואי ומפסולת.
הכשרתו לשיווק .
אחסון התוצר עד לשיווק או לשימוש.

3. סיכום שלושת שלבי היסוד בתהליך ייצור ביוטכנולוגי - תעשייתי1 2 3
הכנות לייצור
ייצור התוצר
הפקת התוצר
עיבוד ועיקור
חומר הגלם
הכנת תרבית
מזרע סטרילית
הפקת התוצר
והפרדתו
ניקוי התוצר
הכנה לשיווק
ביצוע בקרת
תהליך הייצור
פינוי פסולת
של הייצור

4. סוגים שונים של תהליכי ייצור ביוטכנולוגיים3 2 1
תהליך ייצור
רציף
תהליך ייצור
מנתי-מוזן (חצי-רציף)
תהליך ייצור
מנתי
תוצר
מסנן
חומר גלם
תא חי
חומר גלם
תוצר

5. ייצור בתהליך מנתי: (Batch)
הייצור מתבצע במיכל, ריאקטור מנתי, עם ערבול תמידי בעזרת מוט ערבול. מכניסים מנה של מצע המזון (סובסטרט) בתחילת התהליך + התאים היצרנים ומערבלים עד לקבלת התוצר. במהלך הייצור, מולקולות התוצר ומולקולות הסובסטרט מפוזרות בצורה אחידה בכל נפח המיכל בגלל הערבול. גידול התאים נמשך עד שמנת המזון שהוכנסה נגמרת ואז הם מתחילים למות, וייצור התוצר נפסק. בתום הייצור, מפסיקים את הערבול, משקיעים את התאים ומפיקים את התוצר. מנקים את המיכל ומכניסים, מנה חדשה של מצע+תאים ומתחילים מחזור ייצור חדש. וחוזר חלילה.
חומר גלם
תא חי
תוצר

6. ייצור בתהליך מנתי-מוזן (חצי רציף) : ((Fed-Batch
חומר גלם
תא חי
תוצר

7. ייצור בתהליך רציף : (Continuous)
הייצור מתבצע במיכל דמוי עמודה (קולונה) המכיל את התאים היצרנים. מזרימים את תמיסת מצע המזון (סובסטרט) בצורה רציפה כל הזמן, דרך מסנן בפתח התחתון, בכיוון מעלה, ללא ערבול. הסובסטרט, בדרכו למעלה, עובר דרך התאים, והופך לתוצר. מהפתח העליון, שואבים את התוצר. במיכל נוצר "מפל ריכוזים" : בחלקו התחתון, בכניסה למיכל, יש ריכוז גבוה של מצע ההולך ופוחת בכיוון מעלה. מצד שני, ריכוז התוצר אפסי בכניסה למיכל, אך ריכוזו גבוה מאוד, למעלה, בפתח היציאה מהמיכל. בתהליך רציף, התנאים קבועים במשך כל זמן הייצור. התאים ניזונים במצע טרי ללא הפסק, וייצור התוצר לא נפסק .
יציאת התוצר
כניסת חומר גלם
מסנן
חומר גלם
תא חי
תוצר

8. יתרונות וחסרונות של תהליכי הייצור השונים
תהליך ייצור מנתי
יתרונות
התהליך פשוט
יש ערבול תמידי ופיזור אחיד של חומרי המזון.הערבול מונע שקיעה של התאים
התהליך מאפשר פעולות תיקון של pH ע"י טפטוף חומצה או בסיס
התהליך מאפשר פעולות תיקון של צמיגות ע"י טפטוף חומר השובר צמיגות.
חסרונות
עבודה במחזורים (בזבוז זמן)
יעילות ייצור נמוכה
נוכחות ריכוז גבוה של תוצר עלולה ליצור משוב שלילי, כלומר הפסקת הייצור
סכנת עיכוב ע"י תוצר , במידה ויש תוצר רעיל לתאים של היצרן
בתום מנת המזון התאים נכנסים לעקה ומתים. הייצור נפסק.
מסקנות
ייצור בתהליך מנתי מתאים לייצור של תוצרים בקנה מידה קטן .

9. תהליך ייצור מנתי-מוזן יתרונות
בדומה לתהליך המנתי: התהליך פשוט ונוח לערבול, התהליך מאפשר פעולות תיקון של pH ע"י טפטוף חומצה או בסיס והתהליך מאפשר גם פעולות תיקון של צמיגות ע"י טפטוף חומר השובר צמיגות.
התהליך יעיל יותר מהתהליך המנתי , כי יש שליטה ובקרה על כמות המצע. הזרמה הדרגתית של המצע, בכמות מוקצבת, ובצורה רציפה, מבטיחה נוכחות מצע בריכוז מיטבי לאורך כל התהליך וקבלת כמות גדולה יותר של תוצר.
חסרונות
בדומה לתהליך המנתי: עבודה במחזורים, נוכחות ריכוז גבוה של תוצר עלולה ליצור משוב שלילי, כלומר הפסקת הייצור וגם סכנת עיכוב ע"י תוצר, במידה והתוצר רעיל לתאים של היצרן. כדי למנוע פגיעה בתאים יש לשאוב החוצה את התוצר הרעיל.
מסקנות
ייצור מנתי-מוזן יעיל יותר מייצור מנתי, כי מבטיח כמות תאים גדולה יותר ולכן גם כמות התוצר גדולה יותר.

10. תהליך ייצור רציף
יתרונות
חסכון בזמן ( אין בזבוז זמן כמו במחזורים)
תנאי ייצור קבועים במערכת
יעילות הייצור גדולה יותר, כי יש נוכחות תמידית של המצע ואין מצב של חוסר מצע
אין סכנה של משוב שלילי של תהליך הייצור ע"י עודף תוצר, כי התוצר נשאב
אין סכנה של עיכוב ע"י תוצר בגלל שאיבת התוצר
פחות סכנה לזיהומים
פחות תוצרי לוואי לא רצויים
התאים היצרנים מתרבים בצורה ליניארית (נמצאים בשלב לוגריתמי תמידי) .
חסרונות
אין אפשרות לערבול
לא מתאים לעבודה עם חומרים צמיגים כי יש סכנת סתימה של העמודה
לא מתאים לעבודה עם תוצרים המשנים pH כי אין אפשרות לפעולות תיקון
דורש משאבות ומערכו בקרה.
מסקנות
ייצור בתהליך רציף מתאים לייצור מסחרי בקנה מידה גדול של תוצרים.

11. יתרונות העבודה עם תאים בתהליך הייצור הביוטכנולוגי
יתרונות וחסרונות השימוש במיקרואורגניזמים (תאים) בתהליכי ייצור ביוטכנולוגיים
יתרונות העבודה עם תאים בתהליך הייצור הביוטכנולוגי
תהליך טבעי: ייצור מוצרים בתהליכים טבעיים ללא סכנה לנוכחות כימיקלים מסוכנים.
קטליזה ספציפית: הפעולה הקטליטית ספציפית לסובסטרט גם שהוא נמצא בתערובת ואין צורך בתהליכי ניקוי יקרים.
כושר ריבוי עצמי: המיקרואורגניזם היצרן מתחלק ומתרבה ומספר התאים היצרנים הולך וגדל במהלך הייצור.
כושר תיקון עצמי: אם נגרם נזק לתא היצרן יש ביכולתו לשחזר ולתקן את עצמו.

12. חסרונות העבודה עם תאים וחומרים ביולוגיים בתהליך הייצור הביוטכנולוגי
חסרונות העבודה עם תאים וחומרים ביולוגיים בתהליך הייצור הביוטכנולוגי
רגישות לטמפרטורה ו- pH: רוב הפעילויות הביולוגיות מתרחשות בטווח טמפ' מעלות ובערך pH פיסיולוגי הקרוב ל- pH=7 . ערכים קיצוניים של טמפ' ו- pH יגרמו לדנטורציה ולהרס המבנה והפעילות.
סכנת ממיס אורגני: ממיסים אורגניים כדוגמת אצטון המשמשים להמסה ולמיצוי חומרים עלולים להרוס את המבנה הטבעי ולהוביל לאובדן פעילות ביולוגית.
סכנת זיהום: חדירת זיהום של מיקרואורגניזמים אחרים למצע הגידול ולתרבית של התא היצרן עלולה להרוס ולשבש את הפעילות של החומר הביולוגי.
סכנת עיכוב: נוכחות מעכבים הפוגעים ספציפית בפעילות החומר הביולוגי (אנזימים) .
סכנת עיכול עצמי: נוכחות אנזימים לדוגמה פרוטאזות, עלולה לגרום להרס החלבון ולאובדן הפעילות.
מסקנה : בתהליכי ייצור ביוטכנולוגיים עובדים עם תאים שלמים או עם חומר ביולוגי מבודד, אנזימים, נוגדנים, וזה דורש שמירה על תנאים מתונים ומבוקרים, בגלל בעיות של יציבות ורגישות גבוהה לתנאי הסביבה וסכנת דנטורציה ואובדן פעילות ביולוגית. חשוב ליצור בריאקטור סביבה תומכת דומה לסביבה הטבעית.

13. תחשיב עלויות ייצור וכדאיות כלכלית של תהליך ייצור ביוטכנולוגי1 2 3
חומרי הגלם +
תאים יצרנים
תהליך הייצור
הפקת התוצר
עלות רכישה
עלות אחסון
עלות הובלה
עלות עיבוד ראשוני
עלות עיקור
עלות הכנת התאים
עלות הציוד
עלות מתקן הייצור
עלות תפעול
עלות מערכות בקרה
עלות אנרגיה
עלות שכר עובדים
עלות טיפול בתוצרי לוואי
עלות טיפול בפסולת
עלות טיהור שפכין
עלות הפקה
עלות הפרדה
עלות ניקוי
עלות הכנה לשיווק
עלות אריזה
עלות אחסון

14. כתבות / מאמרים / אתרים בנושא הפרק - תהליך מנתי
- תהליך מנתי - מוזן
- תהליך רציף
- סוגים של פרמנטציה בתעשייה הביוטכנולוגית