Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Bioreakt 2009 Fermentációs összefoglaló. SEJTHIERARCHIA.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Bioreakt 2009 Fermentációs összefoglaló. SEJTHIERARCHIA."— Előadás másolata:

1 Bioreakt 2009 Fermentációs összefoglaló

2 SEJTHIERARCHIA

3 BIM Fermentációs tápoldatok MIKROORGANIZMUSOK TÁPANYAG IGÉNYE TERMELŐKÉPESSÉG KÖRNYEZET GENOM Néhány mikroba összetétel összetétel a sejt szárazanyag százalékában Mikroorganizmus C H 0N S Saccharomyces cerevisiae45 6,8 30,69,0 Methylomonas methanolica45,9 7,2 14,0 2,6 Penicillium chrysogenum43 6,9 35,08,0

4 BIM Fermentációs tápoldatok C-forrás + N-forrás + O 2 + ásványi sók + +speciális tápanyagok (pl. vitamin)   új sejttömeg(ΔX) + termék(ek) + CO 2 + H 2 O Tápoldatok szintetikus félszintetikus természetes alapú Tápanyag igény HOZAMKIFEJEZÉS ÁLTALÁNOSITÁSA

5 BIM S Z É N F O R R Á S S Z E R V E S SZÉNDIOXID HETEROTRÓFOK AUTOTRÓFOK ENERGIAFORRÁS KÉMIAI FÉNY KEMOORGANOTRÓFFOTOOORGANOTRÓF KEMOLITOTRÓF FOTOLITOTRÓF Legtöbb baktérium,gomba…mi Bíbor (nem kén-)baktérium. Néhány eukarióta alga SZERVES ELEKTRON DONOR ELEKTON DONOR...glükóz... H-,S-,Fe- Denitrifikáló- baktériumok Zöld növények, eukarióta algák (fényben) Blue/green algák Cianobaktériumok Fotoszint.baktériumok SZERVETLEN en.forrás SZERVETLEN H 2 S, S, S 2 O 3 2-, H 2, Fe(II), NH 3, NO 2, H 2 O, H 2 S, S... (És mi az elektron akceptor??) Nettó szerves anyag termelők Szerves anyag fogyasztók

6

7 NAD

8

9 glükóz ( 6 C-atom) G-6-P F-6-P F-1,6-diP Gliceraldehid-P (3C-atom) PEP Pyr Ac-CoA citrátOxálacetát Cis-akonitát i-citrát  keto-glutarát Szukcinát Fumarát Malát ADP ATP ADP ATP ADP ATP ADP 2-P-glicerát 3-P-glicerát 1,3-diP-glicerát 2H 2H 2H 2H 2H 2H NAD CO 2 koenzimQ 2*3 CO 2 + 5*2H = C 6 H 12 O 6 CUKOR KATABOLIZMUS Glikolízis (Embden, Meyerhof Parnas ) –legtöbb baktérium –Állati és növényi sejtek Citrátkör(Szentgyörgyi-Krebs)

10 GlikolízisNADNADHGlucose Pyruvate C6C3 ADPATP

11 Egyéb cukor katabolizmus utak Pentóz foszfát út (hexose monophosphate sönt) NADPH termelés,általános növ. és állati sejtekben GlGl-6P 6-P-glükonát Ribulóz-5P Ribóz-5P Xilulóz-5P Gliceraldehid-3P Szedoheptulóz-7P F-6P Eritróz-4P F-6P Gliceraldehid-3P ATP ADP NADP + NADPH CO 2 epimeráz izomeráz transzketoláz transzaldoláz 2:1 10,20:1 Gyors lassú növekedés

12 Entner Doudoroff út Néhány baktériumban -EMP helyett glükóz G-6P 6P-glükonát 2-keto-3-deoxi-6P-glükonát G3P Pyr ATP ADP NADP + NADPH H2OH2O aldoláz dehidratáz

13 Citromsav ciklus Szentgyörgyi-Krebs ciklus Pyr+ CoA+NAD + Acetil-CoA+ CO 2 + NADH Pyr+ CO 2 + ATP Oxaloacetát+ADP +Pi Piruvát- karboxiláz Piruvát- dehirogenáz glioxilát AcCoA anaplerotikus

14 Az oxigén szerepe, légzés

15 Krebs Cycle (C4-C6 intermediate compounds Krebs Cycle (C4-C6 intermediate compounds ) Pyruvate Pyruvate 3CO 2 (C3) NADNADH NADH NAD Oxidative phosphorylation O2 O2O2 O2 H2OH2OH2OH2O ADP ATP (C1)

16 !

17

18 Zsírsaval lebontása -oxidáció

19 Aminosavak mint C/energiaforrások

20 ANAEROB ANYAGCSERE SZUBSZTRÁT SZINTŰ FOSZFORILEZÉS (GIKOLÍZIS, TCA) NEMCSAK MIKROBÁKBAN: TEJSAV (homolaktikus fementáció

21 NADH visszaoxidálása egy sor anyagcseretermék, más elektronakceptorok egy sor anyagcseretermék: heterolaktikus fermentáció

22 G Trióz-P Pyr AcCoA Acetoacetil-CoA Butiril-CoA BUTANOL VAJSAV ACETON PROPANOL IZOPROPANOL TEJSAV AcOEtanol CO 2 AcetolaktátAcetoin 2,3-butándiol glicerin Oxaloacetát Szukcinil-CoA Propionsav Propanol Formiát CO 2 H2H2 CoA, CO 2 Borostyánkősav R R R R R R R 1 egy sor anyagcseretermék: anaerob NADH regeneráló anyagcsereutak, végtermékek

23 EnergiaforrásOxidánsRespirációPélda (redukáló=oxi-(terminális elekt-termékei dálódó vegyület)ron akceptor) *H 2 SO 4 2- H 2 O+S 2- Desulfovibrio *Szerves ve-NO 3- N 2 +CO 2 Denitrifikáló baktérium gyület S 2- + NO 3 - N 2 +elemi S Thiomargarita NADH visszaoxidálása: más elektronakceptorok

24 BIOSZINTÉZIS Primer anyagcsere TROPOFÁZIS kiegyensúlyozott növekedés balanced growth Szekunder anyagcsere IDIOFÁZIS kiegyensúlyozatlan növ, fenntartás: folyik a primer anyagcsere részben: m á s f e l é

25 Ac-CoACitrát, Itakonát Zsírsavak (olajok, zsírok) PHB Poliketidek Mevalonsav(C6) Izoprén egységek (C5) CO 2 x3 C 10 C 15 C 20 x2 terpének szteroidok giberellinek karotinoidok Kinonok Szekunder a.csere termékek Acetil-koenzim-A-ból

26 BIM Fermentációs tápoldatok 1.fázis 2.fázis 3.fázis POLISZAHARIDOK FEHÉRJÉK ZSÍROK AROMÁSOK S-HIDRO LÍZIS ENERGIA ALAP METABOL. ÁTALAKULÁS Hexózok AS glicerin+zsírsav glükóz PYR  KETOGLU- TÁRSAV OXÁL ECETSAV AcCoA TCA OXIDATÍV FOSZFORILEZÉS BOROSTYÁN KŐSAV

27 BIM Fermentációs tápoldatok ENERGY CHARGE ENERGIA-TÖLTÉS ATP-termelő út ATP-felhasználó anyagcsere út Rel.sebesség EN.CHARGE Az energiaállapot indikátora 0,8-0,95 Minden adenilát ATP formában Minden adenilát AMP formában 0 0,25 0,5 0,75 1 Direktebb mértéke az ATP hozzáférésnek a foszforilezési potenciál=  ATP   ADP  P i  (Adenilát-kináz) (( mg ATP/100g izom))

28 BIM Fermentációs tápoldatok „REDUKÁLÓ ERŐ” KATABOLIZMUS (REDUKTÍV) BIOSZINTÉZIS ANABOLIZMUS NAD + NADP + NADH NADPH REDUKÁLT ÜZEMANYAG ENERGIA FORRÁS OXIDÁLT ÜZEMANYAG OXIDÁLT PREKURZOR REDUKÁLT BIOSZINTÉZIS TERMÉK

29 BIM Fermentációs tápoldatok Ipari táptalajok

30 A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 Generációs idő - doubling time generation time N, x Sejtszám db/ml Sejttömeg: sz.a. mg/ml, g/l,kg/m 3 MONOD, 1942 μ: fajlagos növekedési sebesség h -1

31 A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 Ν : fajlagos szaporodási sebesség μ és a generációs idő kapcsolata: Jacques Monod

32 A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 x x0x0 t LAG SZAKASZ GYORSULÓ NÖVEKE- DÉSI SZAKASZ EXPONEN- CIÁLIS FÁZIS HANYATLÓ FÁZIS

33 L Gy exp hany stac pusztulási Élő sejtszám idő exp lg x idő

34 A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 x0x0 t μ t x x

35 A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 MI AZ OKA A HANYATLÓ FÁZISNAK? 1.TÁPANYAG LIMITÁCIÓ 2.TOXIKUS METABOLIT TERMÉK(EK) 3. HELYHIÁNY MONOD- modell  max 2 SS S kritikus S KRITIKUS KONCENTRÁCIÓ FOGALMA LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT

36 A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT FOGALMA  max SCSC S kr C S0CS0C C-forrás ~ FERM.IDEJE  max SNSN S kr N S0NS0N N-forrás ~ FERM.IDEJE  max  SOSO S kr O S0OS0O O2O2 ~ FERM.IDEJE  max SVSV S kr V S0VS0V VITAMIN -forrás ~ FERM.IDEJE MELYIK S LESZ LIMITÁLÓ S ???

37 A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 HOZAM: MINDÍG IGAZ: Exponenciális és Hanyatló fázisban: MONOD-modell egyenletei L I M I T Á L Ó S Z U B S Z T R Á T R A K I T E R J E S Z T É S megoldható diffegy.rendszer

38 MONOD modell-család BIM Több limitáló szubsztrát interaktív vagy multiplikatív leírás: additív leírás súlyfüggvények nem interaktív leírás

39 MONOD modell-család BIM Monod-modell „javításai” Teissier egyenlet Moser egyenlet Contois egyenlet  max  S SZUBSZTRÁT INHIBÍCIÓ

40 MONOD modell-család BIM Növekedéshez kötött Növekedéshez nem kötött Vegyes típus x x x P P P μxμx μxμx μxμx μPμP μPμP μPμP GAEDEN-féle termékképződési típusok Primer acs. termékSzekunder acs. termék

41 MONOD modell-család BIM TERMÉKKÉPZŐDÉS KINETIKAI LEÍRÁSA LUEDEKING – PIRET MODELL I:  0 és  = 0 növekedéshez kötött termékképzõdés II:  = 0 és  0 növekedéshez nem kötött termékképzõdés III:  0 és  0 vegyes típusú fermentáció.

42 A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 C-forrás és hasznosulás Mire forditódik a C-forrás? beépülés energiatermelés szénhozam energiahozam Eredő hozam

43 A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 Sejttömeg C-tartalma Szubsztrát C-tartalma 0,46-0,5 50% Glükóz:0,4 Irjunk fel egy anyagmérleget a beépülő szénre

44 A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 ? NÖVEKEDÉSFENNTARTÁS -maintenance SEJTMOZGÁS OZMOTIKUS MUNKA RENDEZETTSÉG FENNTARTÁSA II.főtétel reszintézis

45 A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 Fajlagos maintenance Koefficiens g/gh =h -1 Eredő hozamra: μ

46 MONOD modell-család BIM EREDETILEG ÁLLANDÓ Y „hozamkonstans”, de....

47 A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 ATP-hozam g/mol mol/mol 10,5 g/mol (8,3-32) Oxidatív foszforilezés hatékonysága „P/O hányados”mol/gatom NADH + H + + 1/2O ADP + 3 H 3 PO 4 NAD ATP + 4 H 2 O 3/1=3

48 A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 HŐ(TERMELÉSI)HOZAM SEJTTÖMEG ÉGÉSHŐ SZUBSZTR.ÉGÉSHŐ METABOLIKUS HŐTERMELÉS RQ respirációs hányados Ha van termék…. RQ max

49

50 Az oxigén szerepe, légzés, levegőztetés Az oxigén is lehet limitáló szubsztrát A mikrobák oxigénigényét két módon lehet megadni: 1. légzési sebesség =  mmol O 2 / dm 3.h ,  kg O 2 / m 3.h   h -1  2. fajlagos légzési sebesség KRITIKUS OXIGÉN KONCENTRÁCIÓ 0,1-1 mg/dm 3

51 levegőztetés2 BIM KEVERÕMÛ LEVEGŐELOSZTÓ A levegőztetés technikai megvalósítása levegőztetett kevert/levegőztetett

52 levegőztetés2 BIM Oxigén átadás buborékból 1.A gázbuborék főtömegéből diffúzió a gáz/folyadék határ- felületre. 1/k g ellenállás k g "vezetõképesség„ (anyagátadási tényező) 2.diffúzió a  l vastagságú – a gázbuborékot burkoló – stagnáló folyadékfilmen át. Ellenállása 1/k l, vezetőképessége k l anyagátadási együttható. 3. Folyadék fõtömege szintén ellenállást képvisel. Konvekció, de... 4.Mikrobákat körülvevő folyadékfilm. Oxigén felvétel mechanizmusa, egy folyadék filmen keresztül történő diffúzióval kezdõdik, majd 5. folytatódik a mikroba vagy mikrobatömeg (flokkulum) vagy mikroba telep (pellet) belsejébe történő diffúzív oxigén transzporttal. 6. Ellenállásként tekinthetjük az oxigén hasznosulás "reakció ellenállását" is: a mikroba légzése is idõben bizonyos sebességgel jellemezhetõ folyamat.

53 K L - az eredő folyadékoldali tömegátadási tényező  cm.s -1  a - térfogategységre jutó anyagátadási felület  cm 2.cm -3 = cm -1  K L a - eredő folyadékoldali (térfogati)oxigénabszorpciós együttható  s -1  ( h -1 ). C* - telítési oxigén koncentráció (mg/dm 3 ) C - az aktuális oldott oxigén koncentráció (mg/dm 3 )

54 BIM OLDÓDÁSI SEBESSÉG FOGYASZTÁSI SEBESSÉG mindíg

55 levegőztetés2 BIM Mitől függ és hogyan a telítési oxigén koncentráció, C* ? Mitől függ és hogyan a K L ? Mitől függ és hogyan az a ? Mitől függ és hogyan a K l a ?

56 A telítési oxigén koncentráció függése a tenyésztési körülményektõl 1. PARCIÁLIS NYOMÁS 1. PARCIÁLIS NYOMÁS - Henry törvény : 2. HŐMÉRSÉKLET 2. HŐMÉRSÉKLET : Cl-Cl Cl-Cl egyenlet közelítő megoldása 3. TÁPOLDAT ÖSSZETÉTELÉTŐL VALÓ FÜGGÉS

57 HŐMÉRSÉKLETTÁPOLDATÖSSZETÉTEL MIVEL NÖVELHETŐ C* ÉRTÉKE? ÖSSZNYOMÁS levegőztetés2 BIM pO2pO2pO2pO2 GÁZÖSSZETÉTEL TISZTA OXIGÉN

58 LEVEGŐZTETÉS 3 BIM GÁZVISSZATARTÁS= Hold up = GÁZTÉRFOGAT ÖSSZTÉRFOGAT

59 LEVEGŐZTETÉS 3 BIM A keverés szerepe, funkciói: -energiabevitel a folyadékba MOZGATÁS HŐ -a levegőztető gáz diszpergálása a folyadékban BUBORÉKKÉPZÉS, ANYAGÁTADÁS -a gáz- és folyadékfázis elválasztása FORDÍTOTT A.ÁTADÁS -a fermentlé oldott és nem oldott komponenseinek jó elkeverése ÁLTALÁNOS KEVEREDÉSI FUNKCIÓ P/V KLaKLa CO 2 szubsztrátok, termékek...

60 LEVEGŐZTETÉS 3 BIM állandó geometriájú bioreaktorra teljesítményszám (Ne=Newton-szám vagy Eu=Euler-szám) :

61 LEVEGŐZTETÉS 3 BIM LEVEGŐZTETÉSSEL P csökken Jó g/f diszperzió rossz g/f diszperzió flooding elárasztás 0,25-0,4

62 LEVEGŐZTETÉS 3 BIM labor fermentorokra általánosan   mérettől függő állandók, 0,3  0,95 0,50  67


Letölteni ppt "Bioreakt 2009 Fermentációs összefoglaló. SEJTHIERARCHIA."

Hasonló előadás


Google Hirdetések