FERMENTÁCIÓ MŰVELETEI Nyersanyag előkészítés Tápközeg összeállítása Sterilezés Levegőztetés Elválasztási műveletek

A mikroorganizmusok tápanyag szükséglete A mikroorganizmusok olyan tápközegben illetve tápközegen szaporodnak, amely tartalmazza az összes vitális tápanyagot. Prototróf mikroorganizmusok: glükózból minden szükséges összetevőt szintetizálnak Auxotróf mutánsok: A B C Energia forrás: Szénhidrátok (glükóz, keményítő) ATP Szénforrás: glükóz, keményítő, melasz, (cellulóz), etilalkohol, metanol, n-paraffinok Nitrogénforrás: szervetlen: ammóniumsók, nitrátok szerves: fehérjék (szójaliszt, halliszt), aminosavak (kukoricalekvár) Makroelemek: S, P, Mg, K, Na, Ca … Mikroelemek: Cu, Co, Mo, Mn … Vitaminok és növekedést serkentő anyagok: biotin, pantoténsav, tiamin, riboflavin, B12 Minimál (szintetikus) tápközeg kémiailag meghatározott összetevőket tartalmaz Komplex (természetes) tápközeg ismeretlen kémiai összetételű komponenseket tartalmaz (malátakivonat, élesztőkivonat …)

Ipari fermentáció nyersanyagai I. Laboratóriumi munkánál pontos összetételű tápközegek Ipari fermentációknál komplex anyagokkal dolgoznak Változó minőség miatt Tápközegek összetételének optimalizálása tápanyag szállítmányoknak megfelelően - adaptáció Szénforrásként használt anyagok: Melaszok szénforrás mellett nitrogén-tartalmú vegyületek vitaminok, nyomelemek A melaszok összetétele függ a termesztési helytől, az időjárástól, a cukorgyárakban alkalmazott technológiáktól Hidrol a keményítő alapú cukorgyártásnál visszamaradó anyalúg Malátakivonat Keményítő, dextrin (enzimes főzés) Szulfitlúgok, cellulóz, növényi olajok Metanol, etanol, alkánok

Ipari fermentáció nyersanyagai II. Nitrogénforrásként használt anyagok Ammóniumsók, karbamid, ammónia Kukoricalekvár: sok aminosavat tartalmaz (arginin, glutaminsav, izoleucin, treonin, valin, fenil-alanin, metionin és cisztein) Élesztőkivonatok: pékélesztőből 50-55°C-on autolízissel vagy plazmolízissel állítják elő Peptonok: fehérje hidrolizátumok - viszonylag drágák Szójaliszt: komplex tápanyag 50 % fehérjetartalom 30 % szénhidráttartalom lassan metabolizálódik -nincs katabolit represszió

Sterilezés Definíció: mikroba pusztítás mentesítés Sterilezés: fizikai módszerek: hő szűrés Sugárzás Dezinficiálás: kémiai sterilezés

Mikrobák hőpusztulása Hőinaktíválódás (80°C felett) tápanyagok (vitaminok) mikrobák Első rendű kinetika T°= konstans logN logN0 T° T2 →k2 T1 →k1 N0= kiindulási M koncentráció N = végső M koncentráció t = idő k = pusztulási sebességi állandó k= f(T, M, környezet (pH)) t HŐ, VEGYSZER, SUGÁRZÁS

LEVEGŐZTETÉS Aerobok: Az O2 egyszerű szubsztrát Anaerobok: redox-potenciál: máj (cisztein), tioglikolsav, C-vitamin, NaHSO3 Szubmerz tenyésztés: Oldott O2, Az O2 oldódás kicsi: állandóan pótolni kell 1 2 3 REAKTOROK MIKROBÁK O2 – IGÉNYE O2 ABSZORPCIÓ Buborék Mikroba

Levegőszűrés Elvárás: mikroba- és pormentes Igény: gyógyszeripar Kiszerelő, ampullázó Fermentáció (Be- és kimenő levegő) Műtők Mikroelektronikai ipar! Lamnáris box Patogén vagy rekombináns törzseknél

Mélységi szűrők Nominál, nem abszolút szűrők Töltetek: gyapot, üveggyapot, műanyag szál N1 N2 L k= szűrési állandó L90: a 90 %-ot visszaartó szűrő hossz. L90 = f(df, no, α, mikroba, v) df: szűrő szál átmérője no: az elemi szál hatékonysága a: térfogat frakció v: légsebesség

Mélységi szűrők visszatartási mechanizmusai Ütközés (szűrés) Diffúzió (Brown-mozgás) Ülepedés Elektrosztatikus hatás Kis légsebesség Nagy légsebesség Áramszünet: v leesik Fertőzés! A bemenő levegő melegítése a nedvesség kondenzációjának megakadályozására!

Felületi ultraszűrők A membrán pórusmérete uniformizált, kicsi<PARTIKUM Abszolút szűrők LAPSZŰRŐK (AIBA: ECHO-SZŰRŐ Folyadék szűrők: lapszűrők LEVEGŐ URETÁN HAB ELŐSZŰRŐ POLIVINIL-ALKOHOL LAPSZŰRŐ Sterilezés: Gőzzel v. Etilén-oxiddal Élettartam min. 1 év

Reaktorok Mechanikus keverős bioreaktorok Levegőztetett bioreaktorok 1 2 3 MIKROBÁK O2 – IGÉNYE O2 ABSZORPCIÓ REAKTOROK Mechanikus keverős bioreaktorok Levegőztetett bioreaktorok Cirkulációs,loop (hurok) reaktorok

Laboratóriumi fermentor

Kevert, levegőztetett fermentorok

Keverő nélküli levegőztetett fermentorok

Hurok reaktorok

Szaporodás szakaszos tenyészetben A növekedés kifejezhető sejtszám (N) vagy biomassza (x) növekedéssel m=f(S), , dx=mxdt, lnx=mt +C ahol: x = a sejt koncentráció (mg/cm3) t = az inkubációs idő (óra) = fajlagos növekedési sebesség (óra-1) 1. lag fázis 2. gyorsuló szaporodási fázis 3. logaritmikus vagy exponenciális fázis mmax, tgen nincs S limitáció 4. hanyatlú szaporodási fázis 5. Állandósult állapot

Kemosztát rendszer A fajlagos növekedési sebességet a hígítási sebességgel szabályozzák, mivel m=D A hígítási sebesség definiciója:

Folytonos fermentáció kinetikája 1 2 3 4 5 X [g/l] Ürítés Mosás Feltöltés Felmelegítés Sterilezés X [g/l] t [óra] t [óra] F X, S Produktivitás = meredekség = [g/l*h] x Higítási sebesség: D = F / V [1/h] időegységre eső térfogatcserék száma Anyagmérleg a mikrobatömegre nézve: mikrobatömeg változása = növekedés - elvétel

Folytonos fermentációs rendszerek osztályozása Előny: 5-10-szer nagyobb produktivítás, mint a szakaszos fermentációknál Ipari alkalmazás nagyon általános: etanol, SCP, szennyvíz tisztítás x Nyílt Zárt X=0 100% Homogén Heterogén 1 fázisú 2 fázisú Plug flow R P 1 lépcsős több lépcsős - kaszkád A mikroba, a szubsztrátum és a termék koncentráció homogén a rendszerben Folyadék, szilárd és gáz fázis lehet a rendszerben A mikrobatömeg a rendszerben marad vagy kilép onnan

Tenyésztési technológiák összehasonlítása Szakaszos fermentáció kis produktivitás nagy flexibilitás egyszerű Folytonos fermentáció nagy produktivitás nem flexibilis a fertőzés és a degeráció problémát okozhat

Elválasztási műveletek Extracelluláris, intracelluláris Sejtfeltárás Elválasztási műveletek Szűrés Ülepítés Flotálás Elektrokinetikai Extrakció Membrános eljárások Desztilláció Csapadékképzés Kromatográfiás módszerek