Raport nt. innowacyjnego bioreaktora do intensyfikacji produkcji biomasy mikroorganizmów probiotycznych

  • 23.12.2014
  • 4844
  • Źródło: RCIiTT ZUT w Szczecinie

Priorytetem w procesach realizowanych z wykorzystaniem mikroorganizmów żywych jest uzyskanie w jak najkrótszym czasie odpowiedniej ilości biomasy. Prowadzi to do poszukiwania i opracowywania nowych metod realizacji procesów z udziałem materii ożywionej. Poszukiwanie jak najlepszego sposobu realizacji procesu biotechnologicznego wiąże się bezpośrednio z intensywnymi pracami badawczymi w obszarze konstrukcji aparatury zapewniającej realizację procesu z zapewnieniem wysokiej efektywności prowadzonego procesu przy uwzględnieniu optymalnych kosztów eksploatacyjnych.

 

Opis wynalazku

Urządzeniami umożliwiającymi efektywne prowadzenie procesów mikrobiologicznych, skonstruowanymi
w sposób umożliwiający pomiar i regulację parametrów, kontrolę procesu produkcyjnego i jego optymalny przebieg, w warunkach maksymalnego ograniczenia możliwości zakażeń są bioreaktory. Należy podkreślić, że wzrost zainteresowania praktycznym wykorzystaniem mikroorganizmów w procesach przemysłowych wiąże się z licznymi wymaganiami co do jakości otrzymywanego produktu oraz koniecznością wdrażania nowych rozwiązań konstrukcyjnych, które mają na celu poprawić funkcjonowanie bioreaktorów. Alternatywą do tradycyjnych metod intensyfikacji produkcji biomasy jest zastosowanie różnego typu pól siłowych (np. magnetycznego, elektrycznego, ultradźwięków). Szczególnie interesującym oraz mającym potencjalnie duże zastosowanie praktyczne może być wykorzystanie różnego typu pól magnetycznych (PM) do stymulacji wzrostu mikroorganizmów.

 

W chwili obecnej zespół badawczy dysponuje dwoma stanowiskami badawczymi, wyposażonymi w bioreaktory wspomagane wirującym polem magnetycznym (WPM). Uzyskane, częściowe wyniki opracowano w formie publikacji naukowych:

- Fijałkowski K., Nawrotek P., Struk M., Kordas M., Rakoczy R. (2014). Effects of rotating magnetic field exposure on the functional parameters of different species of bacteria. Electromagnetic Biology and Medicine doi: 10.3109/15368378.2013.869754;

- Fijałkowski K., Nawrotek P., Struk M., Kordas M., Rakoczy R. (2013). The effects of rotating magnetic field on growth rate, cell metabolic activity and biofilm by Staphylococcus aureus and Escherichia coli. Journal of Magnetism 18: 1-8;

- Nawrotek P., Fijałkowski K., Struk M., Kordas M., Rakoczy R. (2014). Effects of 50 Hz rotating magnetic field on the viability of Escherichia coli and Staphylococcus aureus. Electromagnetic Biology and Medicine 33: 29-34.

 

W jednej z prac udowodniono, że jednogodzinna ekspozycja na pole magnetyczne o częstotliwości 50 Hz
i indukcji magnetycznej 20 mT powoduje znaczący wzrost (ponad 20%) hodowli bakteryjnej E. coli i S. aureus oraz wyraźnie zwiększa aktywność metaboliczną (o ponad 40%) tych mikroorganizmów w porównaniu do bakterii kontrolnych, inkubowanych w standardowych (optymalnych dla siebie) warunkach (Fijałkowski et al., 2014; Nawrotek et al., 2014). W innych badaniach, analizowano wpływ WPM o różnej częstotliwości i indukcji magnetycznej (B = 25–34 mT, f = 5–50 Hz) na szybkość wzrostu, aktywność metaboliczną oraz wytwarzanie biofilmu przez różne gatunki drobnoustrojów (Fijałkowski et al., 2013).

 

Wyniki badań pokazały, że ekspozycja na WPM działała stymulująco na badane parametry komórkowe u większości uwzględnionych w doświadczeniu bakterii (Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Serratia marcescens, Streptococcus mutans, Cronobacter sakazakii, Klebsiella oxytoca and Staphylococcus xylosus). Udowodniono tym samym, że WPM, zależnie od częstotliwości i indukcji magnetycznej może modulować parametry komórkowe różnych gatunków mikroorganizmów. Podobne wnioski można sformułować dla najnowszych prac dotyczących wpływu WPM na różne gatunki drożdży, w tym szczególnie szczepów istotnych dla przemysłu alkoholowego.

 

Stymulujący wpływ WPM na tempo wzrostu, aktywność metaboliczną i zdolności do tworzenia biofilmu przez mikroorganizmy może mieć związek z efektem wywieranym przez WPM na biociecz. Stwierdzono, że WPM może powodować mieszanie się biocieczy na poziomie cząsteczkowym. Takie mikromieszanie może wpływać na procesy transportowe pomiędzy powierzchnią komórki a cieczą (podłoże hodowlane) w której komórka ta znajduje się. Ponadto WPM może powodować względne ruchy pożywki hodowlanej.

 

Uważa się także, że w wyniku działania pola magnetycznego w pożywce hodowlanej mogą być indukowane wewnętrzne prądy elektryczne, ponieważ pożywka hodowlana zawiera różne elektrolity, np. Na+, K+, Mg2+, NH4+ i związane z nimi aniony, na przykład siarczan, fosforan i chloran, oraz komórek bakterii, które zawierają różne składniki, w tym jonowe roztwory białek i lipidów, które są wrażliwe na działanie indukowanego pola elektrycznego lub magnetycznego.

 

Podkreślić należy, że duża liczba przebadanych przez nasz zespół gatunków mikroorganizmów oraz fakt, że dla większości z nich ekspozycja na WPM działała stymulująco na badane parametry pozwala założyć, że podobne efekty powinny zostać osiągnięte w przypadku większości mikroorganizmów. Na tej podstawie można oczekiwać, że WPM może poprawić efektywność wielu różnych procesów biotechnologicznych w których wykorzystuje się mikroorganizmy.

 

Jednym z takich procesów może być produkcja biomasy bakteryjnej do przygotowania preparatów probiotycznych. Otwiera to możliwości komercyjnego zastosowania zaprojektowanych bioreaktorów nowego typu oraz opracowana technologii bazującej na zastosowaniu bioreaktorów wspomaganych magnetycznie do realizacji procesów przemysłowych z udziałem materii ożywionej.

 

W wyniku prac zespołu badawczego przygotowano i uzyskano następujące zgłoszenia patentowe:

1) Rakoczy R., Masiuk S., Kordas M., Mieszalnik magnetyczny, Biuletyn Urzędu Patentowego Nr 21 z dnia 08.10.2012 roku. (zgłoszenie patentowe nr P-394335)

2) Marian Kordas, Rafał Rakoczy, Karol Fijałkowski, Paweł Nawrotek, Magdalena Struk „Mieszalnik do mieszania cieczy, zwłaszcza bio-cieczy” nr ewid. 7-s-13 nr zgł P.403675;

3) Marian Kordas, Rafał Rakoczy, Karol Fijałkowski, Paweł Nawrotek, Magdalena Struk „Mieszadło do mieszania cieczy, zwłaszcza bio-cieczy” nr ewid. 8-s-13 nr zgł P.403676;

4) Marian Kordas, Rafał Rakoczy, Karol Fijałkowski, Paweł Nawrotek, Magdalena Struk „Mieszalnik statyczny do mieszania cieczy, zwłaszcza bio-cieczy” nr ewid. 38-s-13 nr zgł P.403677.

5) Kordas M., Rakoczy R., Nawrotek P., Fijałkowski K., Struk M., Mieszalnik magnetyczny, zgłoszenie patentowe 56-s-14, 13.06.2014 r.

6) Konopacki M., Kordas M., Rakoczy R., Fijałkowski K., Żywicka A., Peitler D., Przepływowe mieszadło statyczne, zgłoszenie patentowe 102-s-14 z 12.11.2014 r.

7) Konopacki M., Kordas M., Rakoczy R., Fijałkowski K., Żywicka A., Peitler D., Przepływowy mieszalnik statyczny, zgłoszenie patentowe 103-s-14 z 12.11.2014 r.

 

W ramach realizacji projektu „Inkubator Innowacyjności” zespół badawczy opracował i zamierza ubiegać się
o ochronę patentową dla wynalazku pt. „Stanowisko do magnetycznego wspomagania bioprocesów wyposażone w bioreaktor dwukomorowy” na terenie Europy. Dodatkowo planuje się również opracować nowatorski sposób realizacji procesów z mikroorganizmami z zastosowaniem wirującego pola magnetycznego i zgłosić je do opatentowania na terenie kraju.

 

Na podstawie wykonanego przeglądu literaturowego i patentowego można sformułować następujące wnioski:

a) zastosowane w bioreaktorach pola magnetyczne charakteryzują się małymi wartościami indukcji magnetycznej;

b) w większości przypadków do zasilania uzwojeń stosowany jest prąd stały;

c) prezentowane rozwiązania konstrukcyjne dotyczą zastosowania stacjonarnego pola magnetycznego;

d) testuje się bioreaktory w skali laboratoryjnej w celu ustalenia optymalnych warunków prowadzenia procesu (max. objętość robocza wynosi ok. 2 dm3);

e) większość prezentowanych prac dostarcza niewystarczających informacji związanych z bioreaktorem wspomaganym wirującym polem magnetycznym i metodologią prowadzonych w tego typu aparatach badań;

f) brak prac prezentujących zastosowanie bioreaktorów wspomaganych stacjonarnym polem magnetycznym do produkcji mikroorganizmów o znaczeniu przemysłowym;

g) brak prac w których zastosowano wirujące pole magnetyczne.

 

Zakłada się, że zaprojektowany i wykonany nowy typ bioreaktora wspomaganego magnetycznie pozwoli na uzyskanie biomasy probiotycznej o lepszych parametrach jakościowych oraz jej większej ilości. Znalezienie optymalnych parametrów pracy nowego typu bioreaktora pozwoli również na znaczną redukcje w zużyciu energii elektrycznej oraz obniżenie zapotrzebowania na surowce. Proponowana technologia zakłada również brak mieszania mechanicznego w projektowanych rozwiązaniach konstrukcyjnych bioreaktorów, co może spowodować obniżenie kosztów produkcji. Zakłada się również, że zastosowane pole magnetyczne oprócz efektu intensywnego mieszania w mikroskali, powodującego intensywniejszą wymianę masy (intensywniejsze pobieranie przez mikroorganizmów składników odżywczych z otoczenia) będzie miało również pozytywny wpływ na przemiany metaboliczne zachodzące w bakteriach.

 

Powyższe założenia wynikają z wykonanego przez nas gruntownego przeglądu piśmiennictwa dotyczącego wpływu pól magnetycznych na korzystne zmiany parametrów komórkowych mikroorganizmów, w tym mikroorganizmów probiotycznych. Zachęcające do rozwijania naszej myśli badawczej są również wyniki naszych wcześniejszych i wspomnianych wyżej badań pokazujące, pozytywny stymulujący wpływ WPM na parametry wielu gatunków mikroorganizmów.

 

Innowacyjność przedmiotu komercjalizacji polega na:

a) zrezygnowaniu z klasycznego sposobu mieszania polegającego na zastosowaniu mieszadeł mechanicznych w procesie produkcji biomasy;

b) zastosowaniu zewnętrznie przyłożonego oddziaływania pola siłowego (w tym przypadku WPM) w celu zintensyfikowania procesu mieszania na poziomie mikro;

c) uzyskaniu dzięki zastosowaniu WPM lepszego transportu masy, pozwalającego na bardziej efektywne wykorzystanie pożywki hodowlanej;

d) wykorzystaniu dodatkowego efektu energetycznego polegającego na wykorzystaniu ciepła wynikającego z zastosowania WPM (efektem ubocznym podczas przepływania prądu przez uzwojenia znajdujące się w bioreaktorze jest wydzielanie ciepła, które może być wykorzystane do ogrzewania mieszanego medium do pożądanej temperatury, najczęściej wynoszącej ok. 37 st. C).

 

W ramach niniejszego projektu planowane jest uzyskanie innowacji procesowej polegającej na zastosowaniu nowego typu bioreaktora wspomaganego WPM. W oparciu o proponowane rozwiązania konstrukcyjne planowane jest również opracowanie nowej technologii produkcji biomasy zawierającej mikroorganizmy probiotyczne. Dzięki temu będzie możliwość uzyskania nowego typu konkurencyjnych produktów (innowacja produktowa).

 

Obszary wykorzystania technologii

Od 1 stycznia 2006 r. Unia Europejska wprowadziła całkowity zakaz stosowania antybiotyków w paszach dla zwierząt. Wiązało się to z potrzebą znalezienia alternatywnych, równie efektywnych i bezpiecznych dodatków paszowych, obojętnych dla organizmów zwierząt oraz zapobiegających kolonizacji przewodu pokarmowego przez bakterie chorobotwórcze. Rozporządzenie nr 1831/2003/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 22 sierpnia 2003 r. umożliwia stosowanie probiotyków jako dodatek paszowy w celu wzmacniania naturalnej odporności oraz stabilizacji korzystnej mikroflory bakteryjnej w przewodach pokarmowych zwierząt.

 

Wycofanie z obiegu antybiotyków oraz zastępowanie ich innego typu substancjami spowodowało gwałtowny rozwój globalnego rynku probiotyków. Zgodnie z najnowszymi analizami, podanymi w opracowaniu „Probiotics Market – Global Industry Analysis, Market Size, Share, Trends, Analysis, Growth and Forecast, 2012 - 2018”, rynek probiotyków w 2011 r. był wart ok. 28 mld dolarów USA i przewiduje się, że w 2018 r. osiągnie on wartość ok. 45 mld dolarów USA. Na rynku probiotyków, przewidywany jest również wzrost wskaźnika CARG (skumulowany roczny wskaźnik wzrostu) o 6,8% w okresie 2013 - 2018. Obecnie najbardziej chłonnym rynkiem dla probiotyków jest Europa.

 

Probiotyki definiowane są jako żywe mikroorganizmy, które wprowadzone w odpowiednich ilościach wywołują pożądany efekt w organizmie człowieka. Definicja Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) oraz Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) precyzuje, że probiotyki są żywymi mikroorganizmami, głównie bakteriami, które dodawane w odpowiednich ilościach powodują dobroczynne działanie na gospodarza. Z zapisu w Dzienniku Ustaw (EC 11.09.1996 WC 263/3) wynika, że za szczepy probiotyczne uważa się drobnoustroje przynależne do 15 rodzajów drobnoustrojów, w tym 11 gatunków bakterii, 3 gatunków drożdży i 1 gatunku pleśni. Do grupy bakterii probiotycznych zalicza się bakterie kwasu mlekowego (Lactobacillus spp., Streptococcus spp. i Pediococcus spp.), drożdże i pleśnie (Saccharomycces spp. i Aspergillus spp.), bakterie z rodzaju (Bifidobacterium spp., Bacillus spp. i Clostridium spp.), a także Lactococcus lactis, Enterococcus faecium i Enterococcus faecalis.

 

Skuteczność korzystnego oddziaływania probiotycznych szczepów bakterii probiotycznych na organizm człowieka lub zwierząt jest uwarunkowana wieloma czynnikami, dlatego ważna jest właściwa selekcja i dobór szczepów oraz systematyczne dostarczanie organizmowi dużej liczby żywych komórek. Zawartość żywych komórek w różnych preparatach probiotycznych waha się od 100 000 do 1 000 000 000 CFU/g. Producenci preparatów probiotycznych zalecają podawać zwierzętom gospodarskim dawki wahające się od 20 - 150 ml preparatu dziennie w zależności od gatunku zwierząt.

 

Mimo nieustannie rosnącej popularności preparatów probiotycznych, są one wciąż dość kosztowne. Oferowane hodowcom preparaty probiotyczne dostępne są w butelkach i pojemnikach o pojemności od 200 ml do 10 dm3 i kosztują odpowiednio od 15 zł do 150 zł. Skupiając się na cyklu produkcyjnym tucznika, należy się spodziewać wydatków związanych ze stosowaniem probiotyków, rzędu około 120 - 150 zł na rok dla jednego osobnika (różnica w cenie jest zależna od producenta preparatu). Natomiast na przykładzie bydła mlecznego, w przeliczeniu na jedną krowę, rocznie hodowca ponosi koszt rzędu około 120 zł. W przypadku koni, rocznie należy się spodziewać wydatku około 300 zł.

 

Z tego powodu priorytetem w procesach związanych z wytwarzaniem preparatów na bazie mikroorganizmów probiotycznych jest uzyskanie w jak najkrótszym czasie odpowiedniej ilości biomasy. Ponadto zwiększenie wydajności produkcji nawet o kilka procent spowoduje zmniejszenie kosztów uzyskania gotowego preparatu, a tym samym obniżeniem jego ceny. W efekcie końcowym możliwe jest uzyskanie znacznych korzyści ekonomicznych zarówno dla zakładu produkcyjnego, jak i ferm zwierzęcych wykorzystujących preparaty probiotyczne. Cel ten może być osiągnięty poprzez zastosowanie nowatorskich rozwiązań bioreaktorów, umożliwiających zapewnienie wysokiej efektywności prowadzonego procesu przy uwzględnieniu optymalnych kosztów eksploatacyjnych.

 

Na podstawie przeprowadzonych do tej pory badań i uzyskanych wyników, zakłada się, że prowadzenie procesu wzrostu biomasy bakterii priobiotycznych w nowym typie bioreaktora pozwoli na:

i) uzyskanie bioproduktu o lepszych parametrach jakościowych;

ii) uzyskanie bioproduktu w większej ilości w porównaniu do procesu jego wytwarzania z wykorzystaniem tradycyjnego bioreaktora;

iii) znaczne zredukowanie w zużyciu energii elektrycznej;

iv) obniżenie zapotrzebowania na surowce (pożywki);

v) realizacja procesu produkcyjnego biomasy mikroorganizmów priobiotycznych z większą wydajnością oraz efektywnością w porównaniu do tradycyjnie stosowanych metod;

vi) obniżenie kosztów produkcji preparatów zawierających mikroorganizmy probiotyczne.

Projekt współfinansowany z programu "Inkubator Innowacyjności" realizowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach projektu systemowego "Wsparcie systemu zarządzania badaniami naukowymi oraz ich wynikami", Priorytet I, Działanie 1.1., Poddziałanie 1.1.3. Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013.

 

Twórca technologii:

dr hab. inż. Rafał Rakoczy, prof. nadzw. ZUT: Rafal.Rakoczy@zut.edu.pl

Wcześniejsze artykuły


Newsletter - nowości wprost na e-mail
)