A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 FERMENTÁCIÓS FOLYAMATOK ÉS MŰVELETEK

? 1 S 2 2A 4A 3 5 6 7 4B Mi kell egy termelő fermentációs folyamathoz? BIM-BSc 2009 BIM SB 2001 Mi kell egy termelő fermentációs folyamathoz? TÖRZS OLTÓANYAG 1 S i TÁPANYAGOK 2 STERILEZÉS 2A KEVERÉS ANYAGÁTADÁS 4A ? REAKTOR 3 MÉRÉS SZABÁLYOZÁS VEZÉRLÉS 5 ADATOK MATEMATIKAI MODELL 6 TERMÉK FELDOLGOZÁSI MŰVELETEK 7 LEVEGÕZTETÉS ANYAGÁTADÁS 4B

A VILÁG LEGKISEBB KÉMIKUSAI BIM-BSc 2009

Saccharomyces cerevisiae BIM-BSc 2009 Saccharomyces cerevisiae Vibrio cholerae E.coli Aszexuális gombanövekedés Mucor circenelloides

A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 1=X0*20 n=1 n=2 n=3 n=4 2=X0*21 4=X0*22 8=X0*23 16=X0*24 . n:a generációk száma X=X02n BINÁRISAN OSZTÓDÓ MIKROORGANIZMUS

A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 Sejtszám db/ml N, x a generációk száma Generációs idő - doubling time generation time Sejttömeg: sz.a. mg/ml, g/l,kg/m3 MONOD, 1942 μ: fajlagos növekedési sebesség

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 FAJLAGOS NÖVEKEDÉSI SEBESSÉG h-1

A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 Jacques Monod μ és a generációs idő kapcsolata: Ν : fajlagos szaporodási sebesség

A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 x x0 t VALÓSÁG

Exponenciális növekedés X0=2 és μ=0,5 óra x VALÓSÁG

A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 x EXPONEN- CIÁLIS FÁZIS LAG SZAKASZ GYORSULÓ NÖVEKE- DÉSI SZAKASZ HANYATLÓ FÁZIS x0 t

BIM-BSc 2009 exp lg x idő Élő sejtszám L Gy exp hany stac pusztulási idő

A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 x x x0 t μ t

A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 MI AZ OKA A HANYATLÓ FÁZISNAK? TÁPANYAG LIMITÁCIÓ TOXIKUS METABOLIT TERMÉK(EK) 3. HELYHIÁNY m mmax 2 KS Skritikus S MONOD- modell KRITIKUS KONCENTRÁCIÓ FOGALMA LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT

m mmax 2 KS Skritikus S

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 MELYIK S LESZ LIMITÁLÓ S ??? m mmax KSC SkrC S0C C-forrás ~ ~ FERM.IDEJE KSN SkrN S0N N-forrás KSO SkrO S0O O2 KSV SkrV S0V VITAMIN-forrás LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT FOGALMA

m mmax KSC SkrC S0C KSN SkrN S0N KSO SkrO S0O KSV SkrV S0V ~ ~ C-forrás ~ ~ FERM. IDEJE KSN SkrN S0N N-forrás KSO SkrO S0O O2 KSV SkrV S0V vitaminforrás

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009

S/ 1/ s 1/m K 1/S -1/K =-K - /K /S LINEWEAVER-BURK HANES v. LANGMUIR tg a =K S / m max 1/ 1/S -1/K 1/m LINEWEAVER-BURK =1/ S/ K HANES v. LANGMUIR /S = + * 1 =-K /K - s EADIE-HOFSTEE

b tg α= a

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 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 HOZAM: MINDÍG IGAZ: Exponenciális és Hanyatló fázisban: megoldható diffegy.rendszer MONOD-modell egyenletei

Több limitáló szubsztrát MONOD modell-család BIM-BSc 2009 Több limitáló szubsztrát interaktív vagy multiplikatív leírás: additív leírás súlyfüggvények nem interaktív leírás

KÉT LIMITÁLÓ S SPECIÁLIS ESETE MONOD modell-család BIM-BSc 2009 KÉT LIMITÁLÓ S SPECIÁLIS ESETE C-forrás, oxigén Lineáris növekedés

MONOD modell-család BIM-BSc 2009 SZUBSZTRÁT INHIBÍCIÓ

mmax m S MONOD modell-család Monod-modell „javításai” BIM-BSc 2009 Monod-modell „javításai” Teissier egyenlet Moser egyenlet Contois egyenlet mmax m S

MONOD modell-család a b K Monod 2 1/Ks Teissier 1 1/K Moser 1-1/n BIM-BSc 2009 a b K Monod 2 1/Ks Teissier 1 1/K Moser 1-1/n 1+1/n n/Ks1/n Contois 1/Ksx

MONOD modell-család BIM-BSc 2009

MONOD modell-család BIM-BSc 2009

GAEDEN-féle termékképződési típusok MONOD modell-család x P μx μP Primer anyagcsere termék Szekunder anyagcsere termék profázis idiofázis t GAEDEN-féle termékképződési típusok

TERMÉKKÉPZŐDÉS KINETIKAI LEÍRÁSA MONOD modell-család BIM-BSc 2009 TERMÉKKÉPZŐDÉS KINETIKAI LEÍRÁSA LUEDEKING – PIRET MODELL I: 0 és  = 0 növekedéshez kötött termékképzõdés II:  = 0 és 0 növekedéshez nem III: 0 és 0 vegyes típusú fermentáció.

μ P x b tg f=a f III. II. I

toxikus metabolit termékek hatása: sok termék: EtOH, tejsav... MONOD modell-család BIM-BSc 2009 toxikus metabolit termékek hatása: sok termék: EtOH, tejsav... HINSHELWOOD - modell FRIEDMAN és GADEN modellje Lactobacillus delbrückii tejsavfermentációjára P’ = P vagy I Aiba és munkatársai modellje

Kompetitív termék inhibíció MONOD modell-család BIM-BSc 2009 Kompetitív termék inhibíció Nemkompetitív termék inhibíció EtOH ha >5%

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 TÁPOLDATOK, TÁPTALAJOK HOZAMKIFEJEZÉS ÁLTALÁNOSITÁSA

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 C-forrás és hasznosulás Mire forditódik a C-forrás? beépülés energiatermelés Eredő hozam szénhozam energiahozam

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 Irjunk fel egy anyagmérleget a beépülő szénre Sejttömeg C-tartalma Szubsztrát C-tartalma 0,46-0,5 50% Glükóz:0,4

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 Termék mennyiségébõl becsülhető YE értéke EtOH élesztő, cukor AcOH A.aceti, alkohol NADH !!! Glükonsav A.suboxydans, glükóz Asszimilált Disszimilált Törzs Táptalaj szubsztrát hányad % % Streptococcus faecalis anaerob tenyészet komplett 2 98 Saccharomyces cerevisiae komplett anaerob tenyészet 2 98 aerob tenyészet 10 90 Aerobacter cloaceae minimál 55 45 1,2,3,

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 ? NÖVEKEDÉS FENNTARTÁS -maintenance SEJTMOZGÁS OZMOTIKUS MUNKA RENDEZETTSÉG FENNTARTÁSA II.főtétel reszintézis

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 !!! modell

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 Fajlagos maintenance Koefficiens g/gh =h-1 Eredő hozamra:

Két grafikus ábrázolási módszer μ

EREDETILEG ÁLLANDÓ Y „hozamkonstans”, de.... MONOD modell-család BIM-BSc 2009 EREDETILEG ÁLLANDÓ Y „hozamkonstans”, de....

Sejt Termék SZUBSZTRÁT C TELJES FELVETT TELJES FELVETT SZÉN TERMÉK TELJES CO2 TERMELÉS TERMÉK GÁZFÁZISBAN MÉRHETŐ CO2 TELJES FELVETT SZÉN KÖZVETLENÜL SEJTBE ÉPÜLT SZÉN Aanyagcsere során Felszabadult CO2 CO2 FIXÁLÁSSAL SEJTBEÉPÜLT SZÉN

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 g/mol ATP-hozam mol/mol 10,5 g/mol g/mol (8,3-32) tenyésztési fajlagos maintenance körülmények koefficiensek m mATP Aerobacter cloaceae aerob, glükóz 0,094 14 Saccharomyces cerevisiae anaerob glükóz 0,036 0,52 + 0,1 mol/dm3 NaCl Saccharomyces cerevisiae anaerob, glükóz +1,0 mol/dm3 NaCl 0,360 2,2 Penicillium chrysogenum aerob 0.,022 3,2 Lactobacillus casei aerob, glükóz 0,135 1,5

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 Oxidatív foszforilezés hatékonysága mol/gatom „P/O hányados” 3/1=3 NADH + H+ + 1/2O2 + 3 ADP + 3 H3PO4 NAD+ + 3 ATP + 4 H2O

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 METABOLIKUS HŐTERMELÉS SEJTTÖMEG ÉGÉSHŐ SZUBSZTR.ÉGÉSHŐ HŐ(TERMELÉSI)HOZAM csak ha nincs extracelluláris metabolit termelés ha van....

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 RQ respirációs hányados C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6 H2O RQmax = 1 2C2H5OH + 6 O2 4 CO2 + 6 H2O RQmax =4/6= 0,67 C6H12O6 C2H5OH + CO2 RQmax = RQmax =2/3= 0,67 2 CH3OH + 3 O2 2 CO2 + 4H2O C2H2O4 + ½ O2 2CO2 + H2O RQmax =2/ ½ = 4

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 PÉLDA (116) Becsüljük meg, hogy mekkora a P/O hányados egy Aerobacter aerogenes folytonos tenyésztése során, ha szintetikus, glükóz alapú tápoldatot használunk. Méréseket végeztünk a mikroba aerob és anaerob tenyésztése során. A mikroba anaerob körülmények között ecetsavat termel. EREDMÉNYEK: ANAEROB tenyésztés: =0,4 h-1. Fajlagos glükóz fogyási sebesség QS=0,0154 mol/g.h Fajlagos acetát képződési sebesség QA=0,0102 mol/g.h Eredő hozam YX/S=0,144g/g. AEROB tenyésztés: : =0,4 h-1. QS=0,0062 mol/g.h Eredő hozam YX/S=0,36g/g. Fajlagos légzési sebesség QO2=0,01078 mol/g.h

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 A glükóz anyagcseréje során hol és mennyi ATP képződik? Anaerob esetben „szubsztrátszintű” foszforilezés folyamataiban: 1 mol glükózból 2 mol ATP glikolízis 1 mol az acetátképződés során Aerob esetben : + oxidatív foszforilezés ATP termelése (de nincs ecetsav termelés). PYR AcCoEA AcOH CO2 ATP Ismernünk kell az YATP/S értékét Minimál (szintetikus) tápoldaton QS = (QS)beépülés + (QS)energiatermelés (QS)beépülés könnyen számítható a C-re felírt anyagmérlegből: 1(QS)beépülés =2  1= 72 g/180 g =0,4 glülóz C-tratalma 2= 0,5 a mikroba szárazanyag tartalma. QS=/YX/S (QS)beépülés =(2/1) = QSYX/S

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 (QS)beépülés =(2/1) QS=/YX/S = QSYX/S QATP = (QS)energiatermelés.2+QA.1 = 0,0374 mol/gh YATP = /QATP =10,69 g/mol.

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 Aerob esetben Ua!!! QATP=  / YATP mol ATP/gatom O2

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009