C/E + O2 + N + egyéb tt. komponens X + Pi + CO2 + HŐ offline kémiai elemzés kolorimetria* refraktív index viszkozitás kromatográfia: HPLC, gázkromatográfia: EtOH,MeOH… indirekt mérések DO és DCO2 gázelemzés MS KLa indirekt: O2-fogyasztásból hőmérleg kalorimetria NH4+- és NH3-elektród pH-sztát: NH3-fogyás NO3- elektród NH2-N (antibiotikumok) kémiai elemzés, pH, viszkozitás kromatográfia MS, MS-GC katás alapján: Biológiai titrálás, agardiffúzió K+, Mg2+, PO43- ionszelektív elektródok *Online is: pl. FIA

FIZIKAI KÉMIAI BIOLÓGIAI LEHET ON LINE vagy OFF LINE BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás FIZIKAI KÉMIAI BIOLÓGIAI változók Folytonos reaktor Mérések változók Diszkrét Környezeti LEHET ON LINE vagy OFF LINE

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás PRIMÉR MÉRT VÁLTOZÓK mindkettő lehet szabályozókör inputja INDIREKT SZÁMOLT VÁLTOZÓK (gateway sensors)

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás Legáltalánosabban mért fizikai változók: *Hőmérséklet ** nyomás ** *áramlási sebesség (folyadékok, gázok)** térfogat és/vagy tömeg keverősebesség ** teljesítmény felvétel habszint** viszkozitás turbiditás Legáltalánosabban mért kémiai változók: pH ** Elektródpotenciál Si……Pj DO , * DCO2 sejtkoncentráció Mérések és szabályozás minimális szintje ** Néha több helyütt a bioreaktorban* Mérések minimum szintje *

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás INDIREKT SZÁMOLT VÁLTOZÓK pH és lúgadagolás savképződési sebesség gázáramlási sebesség hőmérséklet, nyomás O2 és CO2 az elmenő gázban Cukorszint Cukoradagolási sebesség HOZAM Teljesítményfelvétel + keverősebesség látszólagos viszkozitás OUR RQ CER

SEJTNÖVEKEDÉS MÉRÉSI MÓDSZEREK BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás SEJTNÖVEKEDÉS MÉRÉSI MÓDSZEREK Direkt módszerek szárazanyag nefelometria turbidimetria** impedometria elekronikus részecske számlálás optikai mikroszkópia élősejtszám ultrahang** (acoustic resonance densitometry) Indirekt v. Származtatott módszerek biolumineszcencia** kemilumineszcencia** radiometria sejtkomponens analízis MS** NMR IR, NIR** anyagmérleg (massbalancing) sztöhio.... Legtöbb off line néhány on line ** is Destruktív módszerek NINCS ÁLTALÁNOSAN ALKALMAZHATÓ

Optikai denzitás meghatározás Sejtszuszpenzió sűrűség BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás Szárazanyag meghatározás Sejtelválasztás után (szűrés membránon) szárítás 105 oC-on Csak tükrös tápoldatnál!!! Optikai denzitás meghatározás TURBIDIMETRIA Lambert-Beer tv. NEFELOMETRIA 550-600 nm fényúthossz Sejtszuszpenzió sűrűség Csak tükrös tápoldatnál!!!, csak egysejtűeknél DE....... NIR 1000 nm

Sejt útja a kapillárisban vákuum ~ Kapilláris 1-50 μm ellenállás méretfüggő NaCl Sejt útja a kapillárisban elektródák

~ BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás SEJTSZÁM MEGHATÁROZÁS Mikroszkóp: Buerker-kamra Élősejtszám:........ Elekronikus sejtszámlálás ~ vákuum ellenállás méretfüggő NaCl Kapilláris 1-50 μm

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás

ablak nefelometriás turbidimetriás 1000 nm 1000 nm küvetta nefelometriás turbidimetriás

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás citofluoriméter

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás GÁZANYAGCSERE MÉRÉSE Mit kell mérni? Levegő áramlási sebesség hőmérséklet gázösszetétel IR CO2 hövezetőképesség Paramágneses O2 Tömegspektrométer CO2, O2,..... Drága,de....

Mass-flow meter levegő fűtőspirál hőmérő elektromos teljesítmény- mérő

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás O2 be CO2 be T2 q2 T1 p1 q1 p2 xxxxxx N2 be O2 ki CO2 ki = N2 ki

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás =

Abluft Analyse einer Batch Fermentation 22 4 20 3 18 RQ und %CO2 in der Abluft %O2 in der Abluft 16 2 During glucose consumption (15-23 hr) the exponential growth of the yeast is reflected in the O2 and CO2 exhaust mesurement. RQ is above 1 to indicate that fermentative growth is occuring. After glucose exhaustion the process is dominated by ethanol consumption, and RQ is thus below 1. Pyruvate consumption is identified by the “bump” of the CO2 curve from 23 to 26 hr. Acetate consumption is identified from a bump on the CO2 curve and the RQ curve. During ethanol consumption the RQ curve is very stable, and finally during the second acetate consumption, RQ raises shortly to above 1, followed by a stable but low activity during glycerol consumption. 14 1 12 O2 CO2 10 RQ 10 15 20 25 30 35 40 45 Zeit [hr]

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás OXIGÉNÁTADÁSSAL kapcsolatos mérési módszerek 1. Statikus módszer: szulfitoxidációs módszer 2. Dinamikus módszer: Kla dinamikus meghatározása (3.Gyakorlaton alkalmazott módszer: kombináció)

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás 1. Statikus módszer: szulfitoxidációs módszer Cu 2+ ,Co 2+ Na2SO3 + ½ O2 Na2SO4 0-ad rendű rekció az SO32- -ra nézve (0,1-1 Na2SO3 ) ha van katalizátor: 10-3 – 10-4 mol/l Gyakorlatilag irreverzibilis Gyakorlatilag pillanatszerű C = 0 Na2SO3 rekciósebesség mg O2/l.min mmol O2/l.min tgα=r OTR!!, de:enhancement factor... OTRszulfitmérés > OTRfermentáció idő

2.Kilevegőztetéses módszer- gassing-out C t * Levegő indul N2 KLa

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás 3. Dinamikus módszer: Kla dinamikus meghatározása C t Lev.leállítás Lev. újraindul Linearizálás:

C t Levegőztetés leállítás Levegőztetés újraindul

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás C* C Mi kell hozzá? Folytonos O2 mérés

C* C

a K 1 tg L - = xQ C* C dt d T ¢ + ÷ ø ö ç è æ 2

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, elektród (Pt/Ag(KCl)) szabályozás Anód henger:Ag membrán PE,PTFE 10 - 100 μ m Pt katód Clark elektród (Pt/Ag(KCl)) Katódfolyamat: O 2 +2H O+2e H + 2OH +2e 2OH anódfolyamat: 4Ag + 4Cl 4AgCl + 4e Mackereth, Johnson Borkowski elektród Au /Pb (AcOH+Pb(OAc) ) 1/2O + H Pb Pb 2+ + 2e + Pb+ H O Pb(OH) amperometriás galvanikus elektrolit üvegbot DO-mérés : C kicsi, dc/dt nagy mintavétel,off line mérés lehetetlen a.: tubing módszer b: elektrokémiai detektorok Ag/Ag+

1,2,3:DIFFÚZIÓS HATÁRRÉTEGEK membrán ELEKTROLIT Katód FOLYADÉK FILM FŐTÖMEG 1 2 3 1,2,3:DIFFÚZIÓS HATÁRRÉTEGEK

NEM O2 KONCENTRÁCIÓT MÉR! BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás I mV 600 800 O2 levegő N2 Polarográfiás görbe NEM O2 KONCENTRÁCIÓT MÉR! Depozit( AgCl, bázikus PbOAc az anód felületen, időnként megújítandó I= kDS.pO2 / X = nFA S/X pO2 O2 par. nyomás membránvastagság Faraday áll. Diff.a membránban katódfelület Oldhatóság a membránban

Írjuk le elsőrendű időállandóval (egytárolós tag) BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás IDŐKÉSÉS! FOLYADÉKFILM K EL m Írjuk le elsőrendű időállandóval (egytárolós tag) Itt A=1 Deriváljuk! Linearizálás:

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás C*

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás Ha nincs mikroba jelen: analitikus megoldás: Szimmetrikus!

l.: CHEM\O:\otkatas\konyvek\bim\lab...... 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás (3.Gyakorlaton alkalmazott módszer: kombináció) Egységugrás: Na2SO3 100% t 0,63 1 \ t T l.: CHEM\O:\otkatas\konyvek\bim\lab......

100% Normált diagram t 1 T Kísérlet diagramja 1 t Egységugrás: Na2SO3 100% 0,63 Normált diagram t 1 T Kísérlet diagramja 1 t

Enzimlektród i BIM SB 2001 a.) FESZÜLTSÉG b) platina katód c) ezüst anód d) Telített KCl oldat e.) biokatalizátor rögzített enzim f) acetát membrán (oxigénre áteresztő) g) analyte h) polycarbonate membrán (permeábilis oxigénre, szubsztrátra termékre) i) az elektródok között folyó áram

Enzimlektród 2 ELEKTRÓDFOLYAMAT PÉLDA MEDIÁTOR

Enzimlektród 3 POTENCIOOMETRIÁS

BIM SB 2001 BIOSZENZOR a) Biocatalyst - converts the analyte into product. b) Transducer - detects the occurrence of the reaction and converts it into an electrical signal. c) Amplifier - amplifies the usually tiny signal to a useable level. d) Microprocessor - signal is digitised and stored for further processing, e.g. integration, derivatisation, etc. e) Display - usually need a real-time display of the analyte concentration.

Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás BIM2 2002 Fermentációs folyamatok nyomonkövetése: mérés, szabályozás