BIOMÉRNÖKI MŰVELETEK ÉS FOLYAMATOK és labor

Az előadások a következő témára: "BIOMÉRNÖKI MŰVELETEK ÉS FOLYAMATOK és labor"— Előadás másolata:

1 BIOMÉRNÖKI MŰVELETEK ÉS FOLYAMATOK és labor
TARTALOM BIOMÉRNÖKI MŰVELETEK ÉS FOLYAMATOK és labor 4.: 4+0+O v (5) : f (3) Záróvizsga mindenkinek 1.Bevezetés: Történet. A biotechnológia, a biotechnológiai iparok,termékek.. 2.Enzimmérnöki ismeretek Az enzim hatás alapjai, enzimek szerkezete, tulajdonságai, csoportjai. Homogén fázisú enzim reakciók Heterogén fázisú enzimes reakciók. 3. Enzimes és mikrobiális biokonverziók (alapfolyamatok) 4.Fermentációs folyamatok és műveletek A mikroba növekedés kinetikai leírása (ferm. Rendszerek matematikai modellezésének alapjai) A mikroba növekedéshez és termeléshez szükséges tápanyagok, Anyagátadási műveletek (oxigén) Sterilezés Reaktorok (Biológiai Iparok Elválasztási Műveletei) 2 szakirányon! De:vál!!!

2 IRODALOM ((KÖVETELMÉNY: 70% jelenlét)) IRÁSBELI VIZSGA (Sevella Béla:
Biomérnöki műveletek és folyamatok Műegyetemi Kiadó ) MÁR NEM KAPHATÓ Sevella Béla: Biomérnöki műveletek példatár Műegyetemi Kiadó

3 Regisztráció vásárlás (0 forint) Könyvespolcom-ról kimenthető
Kosárba Regisztráció vásárlás (0 forint) Könyvespolcom-ról kimenthető

4 EREKY KÁROLY 1919 A BIOTECHNOLÓGIA a BIOKÉMIA, MIKROBIOLÓGIA és a
MÉRNÖKI TUDOMÁNYOK integrált alkalmazása mikroorganizmusok állati és növényi sejtek/szövetek vagy ezek részeinek (pl. enzimeinek) technológiai felhasználása céljából. EREKY KÁROLY 1919

5 “Biotechnológia - (EREKY Károly, 1917) minden munka, amellyel alapanyagokból termékeket állítunk elő élő organizmusok segítségével.” Ereky Károly (Esztergom, okt Vác, 1952.): politikus, miniszter, gépészmérnök, közgazdasági szakember. Tanulmányait a Műegyetemen végezte, 1905-től az egy. adjunktusa ben megalapította az állatértékesítő egyesületet, 1912-ben pedig a nagytétényi sertéshízlaldát. Részt vett a Csilléry-Friedrich-féle ellenforradalmi csoport szervezkedésében. A Friedrich-kormányban aug. 27-től nov, 24-ig közélelmezési miniszter. A Nemzetgyűlésbe a Keresztény Nemzeti Egyesülés Pártja programjával került be, az 1922-i választásokon megbukott és visszavonult a politikai élettől. Elnöke volt a Magyar Gyorsírók és Gyorsírás Barátai Budai Egyesületének.(Bp.,1916). Forrás:  Életrajzi lexikon

6 EFB General Assembly,1989 Biotechnology is the integration of natural sciences and engineering in order to achieve the application of organisms, cells, parts thereof and molecular analogues for products and services.

7 OECD statistical def. Of biotechnology (2005) The application of science and technology to living organisms, as well as parts, products and models thereof, to alter living or non-living materials for the production of knowledge, goods and services. A listaalapú def: The list‑based definition The following list of biotechnology techniques functions as an interpretative guideline to the single definition. The list is indicative rather than exhaustive and is expected to change over time as data collection and biotechnology activities evolve. The list‑based definition of biotechnology techniques: DNA/RNA: Genomics, pharmacogenomics, gene probes, genetic engineering, DNA/RNA sequencing/synthesis/amplification, gene expression profiling, and use of antisense technology. Proteins and other molecules: Sequencing/synthesis/engineering of proteins and peptides (including large molecule hormones); improved delivery methods for large molecule drugs; proteomics, protein isolation and purification, signaling, identification of cell receptors. Cell and tissue culture and engineering: Cell/tissue culture, tissue engineering (including tissue scaffolds and biomedical engineering), cellular fusion, vaccine/immune stimulants, embryo manipulation. Process biotechnology techniques: Fermentation using bioreactors, bioprocessing, bioleaching, biopulping, biobleaching, biodesulphurisation, bioremediation, biofiltration and phytoremediation. Gene and RNA vectors: Gene therapy, viral vectors. Bioinformatics: Construction of databases on genomes, protein sequences; modelling complex biological processes, including systems biology. Nanobiotechnology: Applies the tools and processes of nano/microfabrication to build devices for studying biosystems and applications in drug delivery, diagnostics etc. OECD statistical def. Of biotechnology (2005) The application of science and technology to living organisms, as well as parts, products and models thereof, to alter living or non-living materials for the production of knowledge, goods and services. A listaalapú def: The list‑based definition A következő, biotechnológiai tehnikákat felsoroló listát mint magyarázó útjelzést kell tekinteni az egyszerű definícióhoz. Ez nem teljes lista és időről időre nyilván változik illetve bővül, módosul!, amint a biotechnológiai technikák, metodikák fejlődnek: DNS/RNS: Genomika proteomika…”omikák”, genetic engineering, DNS/RNS sequencing/synthesis/amplification, gene expression profiling, and use of antisense technology. Proteinek és más molekulá: Sequencing/synthesis/engineering of proteins and peptides (including large molecule hormones); improved delivery methods for large molecule drugs; proteomics, protein isolation and purification, signaling, identification of cell receptors. Cell and tissue culture and engineering: Cell/tissue culture, tissue engineering (including biomedical engineering), cellular fusion, vaccine/immune stimulants, embryo manipulation. Process biotechnology techniques: Fermentation using bioreactors, bioleaching, biopulping, biobleaching, biodesulphurisation, bioremediation, biofiltration and phytoremediation. Gene and RNA vectors: Gene therapy, viral vectors. Bioinformatics: Construction of databases on genomes, protein sequences; modelling complex biological processes, including systems biology. Nanobiotechnology: Applies the tools and processes of nano/microfabrication to build devices for studying biosystems and applications in drug delivery, diagnostics etc.

8 Piros: egészség, orvosi, diagnosztika
Sárga: (élelmiszer és táplálkozás) Kék: vízkultúrák, tengeri biotech Fehér: Bioipar Arany: bioinformatika,nanobiotechnológia Zöld: mezőgazdaság, (élelmiszer és táplálkozás) környezet: bioüzemanyag, biotrágya,bioremediáció, szennyvíztisztítás, geomikrobiológia Barna: száraz, sivatagi Fekete: bioterrorizmus, biofegyver… Bíbor: szabadalom, publikálás,újítás… Szürke: klasszikus fermentáció és biofolyamat technológia Klasszikus és Modern biotechnológia. E. J. DaSilva(2005): The Colours of Biotechnology: Science, Development and Humankind ELECTRONIC JOURNAL OF BIOTECHNOLOGY

9

10 mérnöki tudományok kémia biológia informatika bioenginee- ring
vegyészmérnöki bioenginee- tudományok ring biotechno- lógia kémia biológia biokémia

11 BIOTECHNOLÓGIA bioinformatika BIOLÓGIAI TUDOMÁNYOK MÉRNÖKI TUDOMÁNYOK
KÉMIA BIOLÓGIA VEGYIPARI MIKROBIOLÓGIA MŰVELETEK GENETIKA GÉPTAN BIOFIZIKA MÉRÉS- ÉS SZABÁLYO- BIOKÉMIA ZÁSTECHNIKA ENZIMOLÓGIA ÜZEM-TERVEZÉS IMMUNOLÓGIA ÜZEMSZERVEZÉS BIOTECHNOLÓGIA bioinformatika

12 21. ÉS IVÉK A BORBÓL ÉS LERÉSZEGEDÉK
20. AND NOAH BEGAN TO BE A HUSBANDMAN, AND HE PLANTED VINEYARD. 21. AND HE DRANK OF VINE, AND WAS DRUNKEN, AND HE WAS UNCOVERED WITHIN HIS TENT (Genesis 9,20-21.) 20. ÉS NOÉ MEGHÁZASODOTT ÉS SZ ŐLŐT ÜLTETETT, 21. ÉS IVÉK A BORBÓL ÉS LERÉSZEGEDÉK ÉS MEZTELEN VALA SÁTRÁNAK KÖZEPÉN

13 SÖRÁLDOZAT NIN-HARRA ISTENNŐNEK
SÖRFŐZÉS ÉS SÖRÁLDOZAT NIN-HARRA ISTENNŐNEK Momument Blau Kr.e. 2500 Mezopotámia: URUK, Gilgames Sumérek Babilónia Hammurábi (Kr.e ) Egyiptom

14 Borkészítés, Babilonban

15

16

17 XVI. Sz-i sörfőzde

18 1.1. A biotechnológia vázlatos története 7-13. oldal

19 A magyar bioiparok kezdeti lépései
Év Hely technológia/termék 1720 Szentgyörgy habzóbor 1787 Pozsony Ecet 1790 Pest nyövényolaj termelés 1790 Kisma rton bor pincészet (1) 1797 Fiume cigaretta,szivar,burnót 1804 Ujlak brandy (2) 1808 Ercsi répacukor 1825 Pozsonv pezsg ő (3) 1844 Budapest sörgyár (4) 1845 Temesvár állami dohánymonopólium 1853 Budapest éleszt ő 1862 Budapest szalámi (5) 1872 Rohonc konzervgyár 1882 Szombathely szövetkezeti tejüzem 1887 F űzfő keményít ő 1912 Budapest oltóanyag/vakcina 1923 Budapest tejsav 1924 Budapest aceton-butanol 1927 Tiszavasvári alkaloid (morphine) mákgubóból 1941 Kisperkáta glicerin 1946 Budapest penicillin 1951 Debrecen neomycin, oxytetracycline, tobramycin 1953 Budapest Vitamin B 12 (6) 1965 Ács levélfehérje (VEPEX) 1969 Sopron enzimes sörf őzés 1971 Szabadegyháza kukoricaalapú HFRS, alkohol (1) 1857: ELS Ő MAGYARORSZÁGI BORVERSENY (2) 1850: nagyobb szeszüzemek száma: 5671 ( 17 hl –nél több napi) (3) 1898: 17 pezsg ő üzem (4) 1851: 773 sörgyár (5) 1890: 13 szalámi üzem (6) 1950 -es évek: 20% -a a Vitamin B 12 világtermelésének

20 A BIOTECHNOLÓGIA KORSZAKAI
ŐSI KORSZAK NEM TUDATOS BIOTECHNOLÓGIA NEM STERIL KORSZAK PRE - ANTIBIOTIKUM ÉRA Aceton, butanol, glicerin,citromsav STERIL KORSZAK ANTIBIOTIKUM ÉRA ANTIBIOTIKUMOK UTÁNI KORSZAK MODERN BIOTECHNOLÓGIA Folytatódnak!!!!!!!

21 FERMENTÁLT ÉLELMISZERIPARI TERMÉKEK-1 ecet Zöld

22 FERMENTÁLT ÉLELMISZERIPARI TERMÉKEK-2 Zöld

23 Zöld BIOTECH TERMÉKEK AZ ÉLELMISZERI- PARBAN-1 ITA citromsav glükonsav
felhasználás termel ő mikroorganizmus (forrás) gyümölcssavak citromsav italok, dzsemek,szörpök Aspergillus niger BIOTECH TERMÉKEK AZ ÉLELMISZERI- PARBAN-1 tejtermékek Candida lipolytica itakonsav margarin Aspergillus terreus glükonsav süt őpor, kolbász Aspergillus niger fémtisztítás Penicillium chrysogenum fumársav desszert,tejtermékek Rhizopus, Mucor húskészítmények almasav E italok, dzsemek, zselék, Aspergillus niger , cukorkák, olajok, kenyérkész. Pen. brevicompactum éleszt ők E citromsav bork ősav italok, desszertek,zselék Penicillium notatum E Aspergillus griseus borostyák ősav ízesít ő, K-,Ca-,Mg-sók mint ITA NaCl helyettesít ők Rhizopus,Mucor,Fusarium tejsav gyümölcslé, majonéz,desszertek, Lactobacillus süt őipar, tejtermékek és hús- delbrueckii készítmények glükonsav aminosavak Glu E620 izer ősítő, ízesítő Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Lys étel-kiegészítés Corynebacterium glutamicum tejsav Trp an tioxidáns Corynebacterium glutamicum vitaminok kobalamin (B ) élelm. kiegészítés Propionibacterium shermanii 12 E101 riboflavin (B ) " Ashbya gossipii 2 Eremothecium ashbii aminosavak β-karotin " Blakeslea trispora aszkorbinsav E300 " biotranszformáció (pl. Gluconobacter) Zöld izesít ő anyagok inozinsav (IMP) E630 ízkiemel ő, levesporok, Brevibacterium ammoniagenes konzervek... Corynebacterium glutamicum

24 citromsav itakonsav

25 glükonsav tejsav

26

27 E400 BIOTECH TERMÉKEK AZ ÉLELMISZERI- PARBAN-2 E415 E440 Zöld

28 Nagy mennyiségben termelt mikrobiális enzimek

29 ENZIMEK A VILÁGPIACON (Cellulázok nélkül) ALKALIKUS PROTEÁZOK 25%
EGYÉB PROTEÁZOK 20 58% RENNIN 10 TRIPSZIN 3 AMILÁZOK 18 GLÜKÓZ IZOMERÁZ 6 PEKTINÁZOK 3 LAKTÁZ 1 LIPÁZOK 3 Gyógyszer és analitika 10

30

31

32 (scents,fragrance)

33 Piros

34 Piros rDNS termékek TERMÉK FELHASZNÁLÁS Humán inzulin cukorbaj
Humán interferonok ( a -, b -, c -IFN) antivírus/antitumor terápia HGH (emberi növekedési hormon) törpenövekedés Hepatitisz B vírusprotein vakcina elôállítás Urokináz trombolitikus hatás L-fenil-alanin az aszpartám édesítôszer elôanyaga a -amiláz keményítôhidrolizálás (maltózszirup) Állati növekedési hormonok tej/hústermelés fokozása Száj-és körömfájás vírusprotein állatgyógyászati vakcina E.coli K-88 és K-99 protein vakcina a b orjú és malacneveléshez (toxikus hasmenés) L-triptofán takarmánykiegészítô L-treonin takarmánykiegészítô Véralvadás VIII és IX faktora hemofilia Eritropoietin (EPO) anémia, krónikus vese elégtelenség esetén Humán szérumalbumin vérkiegészítô anyag Humán gonadotrop anyagok (hCG,HMG) terméketlenség A herpesz, a malária és az influenza fehérjeantigénjei vakcina Immunglobulinok monoklonális antitestek Limfokinek, elsôsorba interleukin-2 az immunrendszer serkentése (baktérium /vírusfertôzések,antitumo r-terápia Szöveti Plasminogen Aktivator (TPA) trombolitikus hatás Tumor Nekrosis Faktor (TNF) antitumor-terápia Borjúoltó (rennin) sajtgyártás

35 A fermentációs ipar termelése 1994. évi adatok szerint

36 USA BIOTECH IPARA - kereskedelmi forgalom 1998-as árakon
Key Sectors Base Forecast Years ‘98-08 Year 2003 2008 Growth* 1998 Human Therapeutics 9,120 16,100 27,000 11 Human Diagnostics 2, ,100 4,300 7 Agriculture 420 1,000 2,300 19 Specialties 390 ,000 1 8 Non-Medical Diagnostics 270 400 600 Source: Consulting Resources Corp *% year

37 A BIOTECHNOLÓGIA GAZDASÁGI EREJE
2002: USA 1300 biotech vállalat dolgozó 26 Mrd $ prod value 2012: biotech vállalat EU 1179 Biotech vállalat dolgozó 7,6 Mrd € prod value 2012: biotech vállalat (18 ország) Fr.o.: 1359 Spanyolo.:1095

38 A biotechnológiai termékek kereskedelmi értékének
és a koncentrációjának összefüggése Növ.hormon:35000$/g Inzulin:100 $/g

39 A fementációs termékek 2004-ben és várható értékei 2009-ben
2005-ben készült piaci elemzés teljes fermentációs ipar : ,1 milliárd dollár /év jellemzi, 2009 : 17,8 milliárd prognosztizáltak. nyers antibiotikumok: 5 mrd, (ami érdekes módon ugyanannyi mint 1998-ban és ez a növekvő termelés melleti árcsökkenéseket jelez) aminosav: ben 3,5 mrd 2009-re 5 mrd-t jósolnak. szerves savak: mrd dollárra várják Fejezetcímek: β-laktám antibiotikumok, nem β-laktám antibiotikumok, citromsav, glükonsav, tejsav, itakonsav, lizin, treonin, triptofán, Na-glutamát, xantán, ipari enzimek, riboflavin, cianokobalamin, eritorbinsav, karotinoidok: β-karotin, asztaxantin, likopén finomkemikáliák. A fementációs termékek 2004-ben és várható értékei 2009-ben (

40 Bioeljárások részaránya a kémiai iparokban Előrejelzés 2010 -re (12%)
Ma: ~5% % Finomkémiai iparok Polimerek Tömegtermékek `bulk` 10-15 Specialitások 50 Műanyag adalékok 10 2020: 18% 2030: 25% fehér

41 A modern fermentációs ipar céljai-lehetőségei SEJTTÖMEG TERMELÉS
pékéleszt ő, SCP SEJTKOMPONENSEK EL ŐÁLLÍTÁSA - intracelluláris enzimek, nukleinsavak, poliszaharidok,rDNS termékek,… A modern fermentációs ipar céljai-lehetőségei METABOLIT TERMELÉS PRIMER: etanol, tejsav,….. SZEKUNDER:antibiotikumok EGYSZER Ű SZUBSZTRÁT KONVERZIÓ : glükóz fruktóz penicillin 6-NH2 -penicillánsav MULTI-SZUBSZTRÁT KONVERZIÓ : biológiai szennyviztisztitás

42 B FERMENTÁCIÓS FOLYAMAT ) S TÁPANYAGOK S TERMÉKEK
(BIOSZINTÉZIS SZAPORODÓ SEJTEK S TÁPANYAGOK S TERMÉKEK BIOTRANSZFORMÁCIÓ / BIOKONVERZIÓ SEJT SEJTALKOTÓRÉSZ B ANYAG A ANYAG ENZIM

43 BIOTECHNOLÓGIAI ELJÁRÁSOK
De novo FERMENTÁCIÓK  Si X  Pj (X+ X) mikroorganizmus növényi sejttenyészet állati szövettenyészet BIOTECHNOLÓGIAI ELJÁRÁSOK BIOTRANSZFORMÁCIÓK S X P X sejt(alkotórész) S E P E enzim

44 Biotechnológia: fermentációk és biokonverziók
BIOKATALIZÁTOR TERMÉK

45

46 Sokoldalú, többcélú készülékpark

47 ☻Ma sokszor még a fosszilis alapanyagokon alapuló kémiai eljárások
☻Ma sokszor még a fosszilis alapanyagokon alapuló kémiai eljárások produktivitása és gazdasági eredményessége felülmúlja a bioeljárásokéit (fehér biotechnológia elterjedésének gátja) ☻A bonyolult szerkezetű termékek, amelyek rendszerint híg oldatokban vannak jelen, kinyerése és tisztítása bonyolult és drága. ☻Nagy mennyiségű és nagy BOD tartalmú szennyvíz keletkezik, amely azonban általában könnyen tisztítható. ☻Fertőződés veszély idegen (mikro)organizmusok által: idegen mikrobák, vírusok. ☻Fertőzés veszély. Szigorú előírásokat kell betartani a biológiai biztonság garantálására (kontéinment szempontok betartása). Különös szigorúság az GMO-k felhasználása esetében. ☻Kétoldali változékonyság. Megújuló alapanyagok és természetes eredetű kiegészítők (melasz, kukoricalekvár, élesztőkivonat, stb) minősége és Felhasznált organizmusok tekintetében (mikroba reverzió, sejtvonal- degenerálódás,stb) ☻Társadalmi idenkedés, elutasítás a mikroorganizmusokkal és különösen a genetikai manipulációval kapcsolatosan.

48 ? 1 Si 6 7 2 S 2A 4A 5 3 4B TÁPANYAGOK KEVERÉS STERILEZÉS MATEMATIKAI
TÖRZS 1 S Si TÁPANYAGOK 2 ? BIOREAKTOR 3 STERILEZÉS 2A KEVERÉS ANYAGÁTADÁS 4A LEVEGŐZTETÉS 4B MÉRÉS SZABÁLYOZÁS VEZÉRLÉS 5 ADATOK MATEMATIKAI MODELL 6 TERMÉK FELDOLGOZÁSI MŰVELETEK 7 OLTÓANYAG

49 BIOREAKTOROK

50 BIO- BIO- B I O T Á R S A D A L O M IPAR ENERGIA ENERGIA EGÉSZSÉG
Vörös biotech egészségügyi felhasználású termékek Fehér biotech ipari felhasználású termékek Zöld biotech mezőgazdasági, élelmiszer és környezeti felhasználású biotechológia IPAR VEGYIPAR ENERGIA ENERGIA EGÉSZSÉG EGÉSZSÉG BIO- BIOETANOL BIO- ÚJ GYÓGYSZEREK METÁN BIOGÁZ GÉNTERÁPIA DIAGNOSZTIKA ÁLLATEGÉSZSÉGÜGY ALAPANYAG ENERGIA TECHNOLÓGIA ÉLELMISZERIPAR KÖRNYEZET KÖRNYEZET MEZ MEZ Õ Õ GAZDASÁG GAZDASÁG KÖRNYEZETVÉDELEM REZISZTENS NÖVÉNYEK TRANSZGÉNIKUS ÁLLATOK

51 Microorganism is always right
your friend a sensitive partner. There are no stupid microorganisms. Microorganisms can do anything. will Microorganisms are smarter wiser more energetic than chemists, engineers, etc. If you take care of your (microbial) friends they will take care of your future (and you will live happily everafter). (PERLMAN)

52 Háziasítottuk a mikroorganizmusokat!
………. tulajdonképpen ki is dolgozik kinek???

53 BIOTECHNOLÓGIA FOLYAMAT ORIENTÁCIÓ TERMÉK ORIENTÁCIÓ TECHNOLÓGIA ÉRÉSE
ELTERJEDTSÉG FOLYAMAT ORIENTÁCIÓ TERMÉK ORIENTÁCIÓ TECHNOLÓGIA ÉRÉSE