biokemijsko inženjerstvo

ilustracija
BIOKEMIJSKO INŽENJERSTVO, veliki bioreaktori u proizvodnji antibiotika, Pliva, Zagreb

biokemijsko inženjerstvo, primjena inženjerstva u vođenju bioloških procesa u industrijskim uvjetima, ponajprije radi proizvodnje i pretvorbe tvari (→ biotehnologija). Biotehnološki procesi mogu se raščlaniti na pripremnu fazu (npr. sterilizacija podloge, razmnožavanje mikrobnog cjepiva), proizvodnu fazu, tj. proizvodni proces u bioreaktoru (npr. fermentacija, biosinteza, biooksidacija, biodegradacija), te na završnu fazu, koja obuhvaća izdvajanje i pročišćivanje proizvoda.

Bioreaktor (fermentor) čini ključni dio opreme biotehnološkog procesa, a mora biti tako konstruiran da omogućuje sterilne uvjete u radu. Obično je cilindrična oblika, a tip, obujam, opremljenost i ostale značajke odabiru se tako da se uzimaju u obzir vrsta i svojstva biokatalizatora, vrsta procesa (aeroban, anaeroban, kontinuiran ili s prekidima), sastav i viskoznost podloge, nastajanje pjene i druge specifičnosti procesa. S obzirom na osjetljivost biotehnoloških proizvoda potrebna je precizna kontrola svih procesnih parametara u bioreaktoru. Osim uobičajenog mjerenja temperature, tlaka, protoka, vrijednosti pH i dr., posebnim se osjetnicima mjeri razina tekućine i pjene, koncentracija otopljenoga kisika i utrošak sastojaka hranjive podloge. Suvremenim biotehnološkim procesima u bioreaktoru upravljaju računala, a često je pritom više reaktora međusobno spojeno radi veće procesne učinkovitosti.

Bioreaktori za mikrobne anaerobne procese razmjerno su jednostavni jer im većinom nisu potrebni uređaji za miješanje. Glavnu skupinu bioreaktora tvore oni za aerobne mikrobne procese, u kojima je kisik jedan od temeljnih reaktanata. Najjednostavniji je reaktor za površinski uzgoj, u kojem su tekuća hranjiva podloga i mikrobna masa izloženi zraku. Međutim, u većini se aerobnih procesa mikroorganizmi uzgajaju dubinski, pa se njihova opskrba kisikom postiže dovođenjem kisika i miješanjem. S obzirom na način miješanja razlikuju se bioreaktor s mehaničkom miješalicom, s recirkulacijskom vanjskom pumpom i s pneumatskim miješanjem s pomoću stlačenoga zraka ili kisika.

Za razliku od opisanih reaktora za mikrobne procese, enzimski su reaktori konstruirani slično klasičnim reaktorima za kemijsku katalizu (protočni, optočni, s miješalicom). U njima se kao biokatalizatori upotrebljavaju enzimi izolirani iz mikrobnih ili drugih stanica, i to otopljeni ili vezani (imobilizirani) na nosaču. Prednost se daje imobiliziranim katalizatorima, koji mogu biti suspendirani u obliku pokretnoga, odn. fluidiziranog sloja, ili kao nepokretni propusni čvrsti sloj, kroz koji struji reakcijska tekućina.

Završna faza biotehnološkog procesa, tj. izdvajanje i pročišćivanje proizvoda, ovisi o vrsti bioproizvoda. To u mikrobnoj tehnologiji mogu biti cijela prevrela hranjiva podloga zajedno s mikroorganizmima i metabolitima (napitci, jogurt, kiselo mlijeko, sir, fermentirano povrće), filtrat kulture, tj. izbistrena prevrela hranjiva podloga dobivena odvajanjem mikrobne biomase (pivo, vino, ocat), biomasa (pekarski kvasac, biomasa za krmiva), proizvodi metabolizma izdvojeni iz filtrata kulture pročišćivanjem (etanol, otapala, antibiotici, enzimi, vitamini, aminokiseline, organske kiseline). Najčešći su, međutim, proizvodi koji se ne izlučuju iz mikroorganizama (neki antibiotici i enzimi, vitamini, nukleinske kiseline). Da bi se oni izdvojili iz mikrobne biomase, treba prvo razoriti stanični zid mikroorganizama, a to se postiže fizikalnim metodama (prešanjem, mljevenjem, djelovanjem ultrazvuka), kemijskim metodama (djelovanjem kiselina, otapala, detergenata) i biološkim metodama (djelovanjem faga, enzima, inhibicijom sinteze staničnog zida). Postupci izdvajanja proizvoda temelje se na različitoj veličini čestica (filtracija, ultrafiltracija, membranska filtracija), difuziji (osmoza, dijaliza, elektrodijaliza), naboju (elektroforeza, ionska izmjena), naponu para (destilacija, sušenje), topljivosti (ekstrakcija, kristalizacija), površinskom naponu (flotacija), masi (centrifugiranje, ultracentrifugiranje, sedimentacija), a primjenjuju se i metode visokog stupnja razdvajanja kakva je, npr., kromatografija.

Svjetski napredak biokemijskog inženjerstva odražavao se i u Hrvatskoj, gdje industrijska proizvodnja kvasca i alkohola te pivarstvo imaju dugu tradiciju. Ubrzo po otkriću antibiotika, i zagrebačka tvornica Pliva počinje 1961. njihovu proizvodnju, a to je potaknulo intenzivniji razvoj biokemijskog inženjerstva u nas. Mnogo je međunarodno poznatih hrvatskih stručnjaka biokemijskog inženjerstva, a među njima ponajprije Vera Johanides, inicijatorica razvoja industrijske mikrobiologije, biokemijskog inženjerstva, mikrobne genetike, kao i osnivanja strukovnih udruga. Siniša Ban utemeljitelj je tehnologije vrenja i ekološkog inženjerstva, a Drago Vlašić poznat je kao autor postupaka proizvodnje različitih biotehnoloških proizvoda. Istaknuto mjesto pripada i Karlu Heimannu, glavnom autoru izvornih konstrukcija bioreaktora i voditelju mnogih projekata. Vladimir Marić bio je vrhunski stručnjak za pivarstvo i jedan od glavnih promicatelja suvremenoga razvoja biotehnologije u Hrvatskoj. Vrijedne prinose biotehnologiji i biokemijskom inženjerstvu dali su, među ostalima, i Marijan Bošnjak, Branimir Zamola i Drago Veble. Kolegiji biokemijskog inženjerstva predaju se na Prehrambeno-biotehnološkom i Prirodoslovno-matematičkom fakultetu u Zagrebu, a znanstveni časopis Chemical and Biochemical Engineering Quarterly međunarodne je važnosti.

biokemijsko inženjerstvo. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 19.10.2019. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=7751>.