Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Biotechnológia – bevezetés BiokémiaMikrobiológia Mérnöki tudományok Mérnöki tudományok  Mikroorganizmusok, állati és növényi sejtek/ szövetek vagy ezek.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Biotechnológia – bevezetés BiokémiaMikrobiológia Mérnöki tudományok Mérnöki tudományok  Mikroorganizmusok, állati és növényi sejtek/ szövetek vagy ezek."— Előadás másolata:

1 Biotechnológia – bevezetés BiokémiaMikrobiológia Mérnöki tudományok Mérnöki tudományok  Mikroorganizmusok, állati és növényi sejtek/ szövetek vagy ezek részeinek (pl. enzimek) felhasználása céljából

2 A biotechnológia alkalmazási területei Gyógyszeripar (egészségügy, antibiotikumok, vírus ellenes szerek enzimek, aminosavak, vitaminok, peptidek, szteroidok) Élelmiszeripar (keményítők, cukrok, illat és színanyagok, sör- és alkoholos italok előállítása) Mezőgazdaság (állat- és növényegészségügy, takarmány-kiegészítők, vitaminok, adalékanyagok) Embriómanipuláció (génsebészet) Biometallurgia Biológiai ásványfelhasználás (meddő kőzetek hasznosítása, amelyek hagyományos módon nem dolgozhatók fel) Fermentáció: mikroorganizmusok optimális körülmények melletti tenyésztése és metabolitok (hasznos metabolitok) előállítása Alkalmazása pl.: szövettenyésztés, rögzített sejtek, enzimek alkalmazása gyógyszerek stb. előállítására Vegyipar: etanol, szerves savak, biopolimerek stb. előállítása

3 A fermentációs (biotechnológiai) eljárások céljai/lehetőségei Sejttömeg termelés — pékélesztő, SCP Sejtkomponensek előállítása — intracelluláris enzimek, poliszacharidok, nukleinsavak… Metabolit termelés — primer: etanol, tejsav… szekunder: antibiotikumok Egyszerű szubsztrát konverzió — glükóz  fruktóz penicillin  6-NH 2 -penicillánsav Multi-szubsztrát konverzió — biológiai szennyvíztisztítás

4 A termékképző folyamat fajtái Fermentációs folyamat (bioszintézis) Szaporodó sejtek  Tápanyagok  Termékek Biotranszformáció / Biokonverzió Sejt, sejtalkotórész A Anyag B Anyag Enzim

5 A fermentációs technológiák főbb termékcsoportjai (klasszikus)  Alkoholok (etanol, butanol, glicerin, alkoholos oldatok – sör …)  Szerves savak (Ecetsav, citromsav, glukonsav, tejsav…)  Aminosavak (Glu, Lys, Arg, Try, …)  Enzimek (Amilázok, katalázok, …)  Vitaminok (B x, b-karotin)  Antibiotikumok (penicillinek)  Szteroidok (fogamzásgátló intermedierek)  Poliszacharidok

6 A fermentációs technológiák főbb termékcsoportjai (modern)   Monoklonális ellenanyagok   Immunreagensek   Inzulin   Humán növekedési hormon   Marha somatrotropin   Plazminogén aktivátor   Interferonok   Kalcitonin   Hepatitis B-vakcina

7 Az ipari jelentőségű mikroorganizmusok típusai Baktériumok: méret µm; gömb, pálca vagy spirális osztódással szaporodnak, egyesek spóraképzők Sugárgombák: (aktinomiceták): fonalas szerkezet (micélium), hosszirányú növekedés, spóraképzők (szaporító képlet) Élesztők: ovális alakú, 5-20 µm, szaporodás főleg sarjadzással, a leánysejtek együtt maradnak 1-10 sejtig. Penészek: 4-20 µm fonalas szerkezet (hifa), szaporodásuknál az ivaros és vegetatív szakaszok váltakoznak, jellegzetes spóratartókat fejlesztenek.

8 Az ipari jelentőségű mikroorganizmusok típusai Saccharomyces Schizosaccharomyces ellipsoideusoctosporus Aspergillus nigerPenicillium glaucum A baktériumok gyakori morfológiai típusai Gombák

9 A mikroorganizmusok fejlődését, növekedését befolyásoló tényezők  Tápanyagok Víz Makrotápelemek Mikrotápelemek Növekedési faktorok, vitaminok  Oxigén Aerob, anaerob…  Hőmérséklet Pszichrofil, mezofil és termofil  pH

10 Táplálkozási típusok szénforrás és energiaforrás alapján  Fototróf (fényenergia hasznosítás)  Fotolitotróf (C-forrás CO 2 )  Fotoorganotróf (C-forrás szerves vegyület)  Kemotróf (redoxi reakciók energiájának hasznosítása)  Kemolitotróf  Kemoorganotróf

11 Egy termelő fermentációs folyamat megvalósításának lépései ooooo ooooo     1. Oltóanyag Termelő törzs 4.B. Levegőztetés Anyagátadás 3. Reaktor 2. Tápanyagok 2.A. Sterilezés  Si 4.A. Keverés (anyagátadás) 5. Mérés (adatok) 6. Matematikai modell 7. Termék feldolgozási műveletek Szabályozás, vezérlés

12 Ipari mikrobiológiai műveletek kivitelezése 1.Oltótenyészet készítése (termelő törzs) 2.Tápanyagok- tápoldat készítése (sterilezés) 3.Bioreaktor 4.Fermentációs műveletek (levegőztetés, keverés…) 5.Adatgyűjtés 6.Matematikai modellezés 7.Termékek további feldolgozása (izolálási, tisztítási műveletek)

13 Törzsszelekció, törzsjavítás, törzsfenntartás 1.Törzsszelekció: mikroorganizmusok izolálása (törzsgyűjteményből, szennyvízből, talajból…) Mérsékelt termelőképességű törzsek 2.Törzsjavítás, törzsfejlesztés Nagyobb termelőképességű mutánsok (pl. Enzimfehérjében változás bioszintetikus útban blokk) 3.Törzsfenntartás Cél: maximális termelőképesség megőrzése folyamatos átoltás termelőképesség csökken tartósított tenyészetek

14 Fermentációs folyamat – oltótenyészet útja

15 Üzemi fermentorok szerelvényei

16 Fermentációs tápoldatok C-forrás + N-forrás + O 2 + ásványi sók + speciális tápanyagok (pl. vitamin) Új sejttömeg (ΔX) + termékek + CO 2 + H 2 O Tápanyag igény Tápoldatok (természetes alapú, félszintetikus, szintetikus)

17 Fermentációs tápoldatok Fermentációs tápoldatmikroorganizmusok testanyagainak felépítésében, és a termékek szintézisében részt vevő elemeket tartalmaznia kell Mikróba táplálkozási és környezeti igényei optimalizálás Gazdasági szempontok Természetes alapú: élesztőkivonat, húskivonat, pepton… Fészintetikus: kukoricakeményítő, szójaliszt, zselatin… Szintetikus (C-forrás, N-forrás….)

18 Sterilezés Tápoldatok sterilezése + Besugárzással (UV, X-ray, g) bár ezeknek ipari jelentősége csekély + Kémiai eljárások + Csírák mechanikus eltávolítása + Gőzsterilezés: Vegetatív sejtek és spórák pusztítása Szakaszos sterilezés + Minden berendezést külön ki kell sterilezni: rendkívüli idő- és energiaigény + Sterilezőszer: 1,5-3bar nyomású gőz Folyamatos sterilezés + A szakaszos sterilezés hátrányit kiküszöbölik + Sterilezőszer: szintén gőzbefúvatás + Hátránya lehet: A nagy hőmérséklet különbség miatt sók csapódhatnak ki. A fermentációs levegőáram sterilezése A mikroorganizmusokra a legnagyobb veszélyt a levegővel bekerülő szennyeződések jelentik, ezért ennek sterilitására különösen kell figyelni. + Szűrés, besugárzás, hőkezelés + Régebben mélyszűrők (üveggyapot) + Ma: üvegszálbetétes szűrőpatronok

19 A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája A tenyészet fejlődésének szakaszai: A. Lappangási (lag) szakasz B. Gyorsuló növekedés szakasza C. Exponenciális növekedés szakasza, korlátlan, kiegyensúlyozott növekedés. D. Lassuló, limitált vagy korlátozott szaporodás E. Stacionárius, stagnáló szakasz F. Hanyatló szakasz t g – generációs idő (két egymást követő osztódás között eltelt idő) t g – minimális és állandó generációs idő

20 A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája x 0 -a kiindulási mikrobakoncentráció n - a generációk száma t g - a generációs idő (két sejtosztódás között statisztikai átlagban eltelt idő) A generációs idő függ a mikróba fajtól, a tenyésztési körülményektől (tápanyag, hőmérséklet, pH, stb.), sőt még egy adott tenyésztés folyamán is változik.

21 A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája A generációk száma kifejezhető A generációs idő kifejezhető A növekedési sebesség arányos a jelenlévő mikróba-mennyiséggel µ - Az exponenciális szakasz jellemző állandója (specifikus növekedési sebesség) (specifikus növekedési sebesség)

22 A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája KsKsKsKs µ max 2 A µ x és a szubsztrátkoncentráció kapcsolata (Monod modell) S – nélkülözhetetlen tápanyagkomponens Ha S kicsi : µ arányos S-el Ha S nagy telítettségi érték Ks- telítési állandó, megegyezik azzal a S-koncentrációval, ahol µ = µ max 2 Ks – baktériumok glükóz 3-7 mg/l

23 A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája µ x - Specifikus növekedési sebesség µ s - Specifikus szubsztrát-felhasználási sebesség µ p - Specifikus termékképződési sebesség Y – hozamkonstans A növekedés és a tápanyag- felhasználás között egyszerű összefüggés

24 Termékképződési kinetika..\Képek\img002.jpg

25 Termékképződési kinetika µ p - Specifikus termékképződési sebesség Különböző fermentációs típusok a µ x, µ s, µ p alapján I. típus II. típus µxµxµxµx µsµsµsµs µpµpµpµp I. Termékképződés párhuzamos a növekedéssel (alkoholos erjesztés, szorbózfermentáció…primer anyagcsere termék) II. Termékképződés későn kezdődik – növekedéshez nem kapcsolódó A legtöbb antibiotikum fermentáció – szekunder anyagcseretermék

26 Fermentáció típusok Batch-fermentáció (szakaszos fermentáció): ez a fermentáció típus képezi az összes ma alkalmazott technika alapját, így a mennyiségi összefüggéseket ez alapján mutatjuk be A paraméterek többségére nézve zárt rendszer Feed-batch (rátáplálásos) fermentáció: a paraméterekre nézve „félig- nyitott” rendszer Kezdetben nem az összes mikroorganizmust tápláljuk be, hanem szakaszosan rátáplálunk A paraméterek követik a tápanyagtartalmat Folyamatos fermentáció: Folyamatos tápoldat bevezetés, és termékelvétel A paraméterekre nézve nyílt rendszer Megvalósítása: kemosztátban, turbidosztátban, Plug-flow reaktorban

27 Folyamatos fermentáció előnyei Produktivitása 5  10- szer nagyobb, mint a szakaszos tenyésztésé Automatizálási lehetőség nagy, az üzem egésze folytonossá tehető Egyenletes terméket biztosít

28 Folyamatos fermentációs rendszerek Homogén rendszer –A sejt és a szubsztrát-koncentráció teljesen egyöntetű –Állandósult állapotú folytonos működés esetén az összes mikróba azonos környezeti feltételek között növekszik- azonos fiziológiai állapotban vannak a rendszeren belül Heterogén rendszer –A sejtek és a szubsztrátok koncentráció-gradienst mutatnak –A mikróbák különböző fiziológiai állapotban vannak Zárt rendszerek –A mikroorganizmusok mindig a rendszeren belül maradnak (szemipermeábilis hártya, állandó visszavezetés…) Nyílt rendszerek –A sejtek a kiömlő folyadékkal folytonosan távoznak

29 Nyílt folytonos rendszerek osztályozása Homogén rendszerek Homogén rendszerek EgyfokozatúEgyfokozatú Kevert tankKevert tank Kevert tank visszatáplálássalKevert tank visszatáplálással TöbbfokozatúTöbbfokozatú Egyszerű láncEgyszerű lánc Többszöri szubsztrát adagolás Többszöri szubsztrát adagolás Heterogén rendszerekHeterogén rendszerek EgyfázisúEgyfázisú csőreaktor visszatáplálással csőreaktor visszatáplálással Többfázisú toronyTöbbfázisú torony folyadék-folyadék folyadék-folyadék folyadék-gáz folyadék-gáz

30 Zárt folytonos rendszerek osztályozása  Homogén  kevert tank visszatáplálással  Heterogén  Egyfázisú  Csőreaktor visszatáplálással  Osztott tank visszatáplálással  Kétfázisú  Hártyatenyészet  Töltött torony


Letölteni ppt "Biotechnológia – bevezetés BiokémiaMikrobiológia Mérnöki tudományok Mérnöki tudományok  Mikroorganizmusok, állati és növényi sejtek/ szövetek vagy ezek."

Hasonló előadás


Google Hirdetések