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

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

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-NH2-penicillánsav Multi-szubsztrát konverzió — biológiai szennyvíztisztítás

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

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 (Bx, b-karotin) Antibiotikumok (penicillinek) Szteroidok (fogamzásgátló intermedierek) Poliszacharidok

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

Az ipari jelentőségű mikroorganizmusok típusai Baktériumok: méret 0.5-5 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.

Az ipari jelentőségű mikroorganizmusok típusai A baktériumok gyakori morfológiai típusai Gombák Saccharomyces Schizosaccharomyces ellipsoideus octosporus Aspergillus niger Penicillium glaucum

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

Táplálkozási típusok szénforrás és energiaforrás alapján Fototróf (fényenergia hasznosítás) Fotolitotróf (C-forrás CO2) Fotoorganotróf (C-forrás szerves vegyület) Kemotróf (redoxi reakciók energiájának hasznosítása) Kemolitotróf Kemoorganotróf

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

Ipari mikrobiológiai műveletek kivitelezése Oltótenyészet készítése (termelő törzs) Tápanyagok- tápoldat készítése (sterilezés) Bioreaktor Fermentációs műveletek (levegőztetés, keverés…) Adatgyűjtés Matematikai modellezés Termékek további feldolgozása (izolálási, tisztítási műveletek)

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

Fermentációs folyamat – oltótenyészet útja   Fermentációs folyamat – oltótenyészet útja

Üzemi fermentorok szerelvényei

Fermentációs tápoldatok C-forrás + N-forrás + O2 + ásványi sók + speciális tápanyagok (pl. vitamin) Új sejttömeg (ΔX) + termékek + CO2 + H2O Tápanyag igény Tápoldatok (természetes alapú, félszintetikus, szintetikus)

Fermentációs tápoldatok Fermentációs tápoldat mikroorganizmusok 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….)

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

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 tg – generációs idő (két egymást követő osztódás között eltelt idő) tg – minimális és állandó generációs idő

A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája x0 -a kiindulási mikrobakoncentráció n - a generációk száma tg - 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.

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)

A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája A µx 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 = µmax 2 Ks – baktériumok glükóz 3-7 mg/l µmax 2 Ks

A mikroorganizmusok növekedésének kinetikája µx - Specifikus növekedési sebesség µs - Specifikus szubsztrát-felhasználási sebesség µp - Specifikus termékképződési sebesség Y – hozamkonstans A növekedés és a tápanyag-felhasználás között egyszerű összefüggés

Termékképződési kinetika ..\Képek\img002.jpg ..\Képek\img002.jpg

Termékképződési kinetika µp - Specifikus termékképződési sebesség Különböző fermentációs típusok a µx, µs, µp alapján µx µp I. típus II. típus µs I. Termékképződés párhuzamos a növekedéssel (alkoholos erjesztés, szorbózfermentáció…primer anyagcsere termék) II. Termékképződés későn kezdődik – növekedéshez nem kapcsolódó A legtöbb antibiotikum fermentáció – szekunder anyagcseretermék

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

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

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

Nyílt folytonos rendszerek osztályozása Homogén rendszerek Egyfokozatú Kevert tank Kevert tank visszatáplálással Többfokozatú Egyszerű lánc Többszöri szubsztrát adagolás Heterogén rendszerek Egyfázisú csőreaktor visszatáplálással Többfázisú torony folyadék-folyadék folyadék-gáz

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