Fermentációs összefoglaló Bioreakt 2009 Fermentációs összefoglaló
SEJTHIERARCHIA
Fermentációs tápoldatok BIM2 2002 MIKROORGANIZMUSOK TÁPANYAG IGÉNYE TERMELŐKÉPESSÉG KÖRNYEZET GENOM Néhány mikroba összetétel összetétel a sejt szárazanyag százalékában Mikroorganizmus C H 0 N S Saccharomyces cerevisiae 45 6,8 30,6 9,0 Methylomonas methanolica 45,9 7,2 14,0 2,6 Penicillium chrysogenum 43 6,9 35,0 8,0
C-forrás + N-forrás + O2+ ásványi sók + Fermentációs tápoldatok BIM2 2002 C-forrás + N-forrás + O2+ ásványi sók + +speciális tápanyagok (pl. vitamin) új sejttömeg(ΔX) + termék(ek) + CO2 + H2O Tápanyag igény HOZAMKIFEJEZÉS ÁLTALÁNOSITÁSA Tápoldatok szintetikus félszintetikus természetes alapú
Szerves anyag fogyasztók BIM2 2002 ENERGIAFORRÁS KÉMIAI FÉNY KEMOORGANOTRÓF FOTOOORGANOTRÓF Legtöbb baktérium,gomba…mi Bíbor (nem kén-)baktérium. Néhány eukarióta alga S Z E R V E S HETEROTRÓFOK SZERVES SZERVES ELEKTRON DONOR ...glükóz... ...glükóz... S Z É N F O R R Á S KEMOLITOTRÓF FOTOLITOTRÓF H-,S-,Fe- Denitrifikáló- baktériumok Zöld növények, eukarióta algák (fényben) Blue/green algák Cianobaktériumok Fotoszint.baktériumok SZÉNDIOXID AUTOTRÓFOK SZERVETLEN SZERVETLEN en.forrás ELEKTON DONOR H2S, S, S2O32-, H2, Fe(II), NH3, NO2, H2O, H2S, S... (És mi az elektron akceptor??) Nettó szerves anyag termelők
NAD
CUKOR KATABOLIZMUS Glikolízis (Embden, Meyerhof Parnas ) glükóz (6 C-atom) CUKOR KATABOLIZMUS ATP ADP G-6-P F-6-P Glikolízis (Embden, Meyerhof Parnas ) legtöbb baktérium Állati és növényi sejtek ADP ATP F-1,6-diP Gliceraldehid-P (3C-atom) 2H 1,3-diP-glicerát ATP ADP 3-P-glicerát 2-P-glicerát PEP Citrátkör(Szentgyörgyi-Krebs) ATP ADP Pyr 2H CO2 Ac-CoA Oxálacetát citrát 2H NAD Malát Cis-akonitát Fumarát CO2 CO2 i-citrát 2H Szukcinát 2H a-keto-glutarát 2H koenzimQ 2*3 CO2 + 5*2H = C6H12O6
Glikolízis NAD NADH Glucose Pyruvate C6 C3 ADP ATP
Egyéb cukor katabolizmus utak Pentóz foszfát út (hexose monophosphate sönt) NADPH termelés,általános növ. és állati sejtekben NADP+ NADPH Gl Gl-6P 6-P-glükonát Ribulóz-5P izomeráz NADP+ NADPH CO2 ATP ADP Ribóz-5P Xilulóz-5P Gliceraldehid-3P Szedoheptulóz-7P transzaldoláz F-6P Eritróz-4P epimeráz 2:1 10,20:1 Gyors lassú növekedés transzketoláz F-6P Gliceraldehid-3P
Néhány baktériumban -EMP helyett Entner Doudoroff út Néhány baktériumban -EMP helyett glükóz dehidratáz G-6P ATP ADP aldoláz NADP+ NADPH 6P-glükonát 2-keto-3-deoxi-6P-glükonát H2O G3P Pyr
Citromsav ciklus Szentgyörgyi-Krebs ciklus Pyr+ CoA+NAD+ Acetil-CoA+ CO2+ NADH Piruvát- dehirogenáz AcCoA 6 glioxilát 4 Pyr+ CO2+ ATP Oxaloacetát+ADP +Pi 6 5 Piruvát- karboxiláz anaplerotikus
Az oxigén szerepe , légzés
Krebs Cycle (C4-C6 intermediate compounds) NAD NADH Pyruvate 3CO2 (C3) (C1) Oxidative phosphorylation NADH NAD O2 H2O ADP ATP
!
Zsírsaval lebontása -oxidáció
Aminosavak mint C/energiaforrások
ANAEROB ANYAGCSERE SZUBSZTRÁT SZINTŰ FOSZFORILEZÉS (GIKOLÍZIS, TCA) NEMCSAK MIKROBÁKBAN: TEJSAV (homolaktikus fementáció
NADH visszaoxidálása egy sor anyagcseretermék, más elektronakceptorok egy sor anyagcseretermék: heterolaktikus fermentáció
1 egy sor anyagcseretermék: anaerob NADH regeneráló anyagcsereutak, végtermékek Trióz-P Pyr AcCoA Acetoacetil-CoA Butiril-CoA BUTANOL VAJSAV ACETON PROPANOL IZOPROPANOL TEJSAV AcO Etanol CO2 Acetolaktát Acetoin 2,3-butándiol glicerin Oxaloacetát Szukcinil-CoA Propionsav Propanol Formiát H2 CoA, CO2 Borostyánkősav R
NADH visszaoxidálása: más elektronakceptorok Energiaforrás Oxidáns Respiráció Példa (redukáló=oxi- (terminális elekt- termékei dálódó vegyület) ron akceptor) *H2 SO42- H2O+S2- Desulfovibrio *Szerves ve- NO3- N2+CO2 Denitrifikáló baktérium gyület S2- + NO3- N2 +elemi S Thiomargarita
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
Szekunder a.csere termékek Acetil-koenzim-A-ból Ac-CoA Citrát, Itakonát Zsírsavak (olajok, zsírok) PHB Poliketidek Mevalonsav(C6) Izoprén egységek (C5) CO2 x3 C10 C15 C20 x2 terpének szteroidok giberellinek karotinoidok Kinonok Szekunder a.csere termékek Acetil-koenzim-A-ból
Fermentációs tápoldatok BIM2 2002 POLISZAHARIDOK FEHÉRJÉK ZSÍROK AROMÁSOK S-HIDRO LÍZIS 1.fázis Hexózok AS glicerin+zsírsav glükóz PYR 2.fázis AcCoA KETOGLU- TÁRSAV OXÁL ECETSAV ALAP METABOL. ÁTALAKULÁS BOROSTYÁN KŐSAV TCA 3.fázis OXIDATÍV FOSZFORILEZÉS ENERGIA
Fermentációs tápoldatok BIM2 2002 ENERGY CHARGE ENERGIA-TÖLTÉS Az energiaállapot indikátora Rel.sebesség ATP-termelő út EN.CHARGE ATP-felhasználó anyagcsere út 0,8-0,95 (Adenilát-kináz) 0 0,25 0,5 0,75 1 Minden adenilát ATP formában Minden adenilát AMP formában Direktebb mértéke az ATP hozzáférésnek a foszforilezési potenciál= ATP ADP Pi ((350-400mg ATP/100g izom))
Fermentációs tápoldatok BIM2 2002 „REDUKÁLÓ ERŐ” REDUKÁLT ÜZEMANYAG ENERGIA FORRÁS OXIDÁLT ÜZEMANYAG KATABOLIZMUS NAD+ NADP+ NADH NADPH (REDUKTÍV) BIOSZINTÉZIS ANABOLIZMUS REDUKÁLT BIOSZINTÉZIS TERMÉK OXIDÁLT PREKURZOR
Fermentációs tápoldatok BIM2 2002 Ipari táptalajok
A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 Sejtszám db/ml N, x Generációs idő - doubling time generation time Sejttömeg: sz.a. mg/ml, g/l,kg/m3 MONOD, 1942 μ: fajlagos növekedési sebesség h-1
A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 Jacques Monod μ és a generációs idő kapcsolata: Ν : fajlagos szaporodási sebesség
A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 x EXPONEN- CIÁLIS FÁZIS LAG SZAKASZ GYORSULÓ NÖVEKE- DÉSI SZAKASZ HANYATLÓ FÁZIS x0 t
Élő sejtszám exp lg x L Gy exp hany stac pusztulási idő idő
A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 x x x0 t μ t
A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 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
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 MELYIK S LESZ LIMITÁLÓ S ??? m mmax KSN SkrN S0N N-forrás ~ ~ FERM.IDEJE m mmax KSC SkrC S0C C-forrás ~ ~ FERM.IDEJE mmax m KSO SkrO S0O O2 ~ ~ FERM.IDEJE m mmax KSV SkrV S0V VITAMIN-forrás ~ ~ FERM.IDEJE LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT FOGALMA
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 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
MONOD modell-család BIM2 2002 Több limitáló szubsztrát interaktív vagy multiplikatív leírás: additív leírás súlyfüggvények nem interaktív leírás
mmax m S MONOD modell-család BIM2 2002 Monod-modell „javításai” Teissier egyenlet Moser egyenlet Contois egyenlet mmax m S SZUBSZTRÁT INHIBÍCIÓ
GAEDEN-féle termékképződési típusok MONOD modell-család BIM2 2002 GAEDEN-féle termékképződési típusok Primer acs. termék Szekunder acs. termék x x x P P P Növekedéshez nem kötött Növekedéshez kötött Vegyes típus μx μx μx μP μP μP
MONOD modell-család BIM2 2002 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.
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 C-forrás és hasznosulás Mire forditódik a C-forrás? beépülés energiatermelés Eredő hozam szénhozam energiahozam
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 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 SB 2001 ? NÖVEKEDÉS FENNTARTÁS -maintenance SEJTMOZGÁS OZMOTIKUS MUNKA RENDEZETTSÉG FENNTARTÁSA II.főtétel reszintézis
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 Fajlagos maintenance Koefficiens g/gh =h-1 Eredő hozamra: μ
MONOD modell-család BIM2 2002 EREDETILEG ÁLLANDÓ Y „hozamkonstans”, de....
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 g/mol ATP-hozam mol/mol 10,5 g/mol g/mol (8,3-32) „P/O hányados” mol/gatom Oxidatív foszforilezés hatékonysága 3/1=3 NADH + H+ + 1/2O2 + 3 ADP + 3 H3PO4 NAD+ + 3 ATP + 4 H2O
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 HŐ(TERMELÉSI)HOZAM SZUBSZTR.ÉGÉSHŐ SEJTTÖMEG ÉGÉSHŐ METABOLIKUS HŐTERMELÉS Ha van termék…. RQ respirációs hányados RQmax
KRITIKUS OXIGÉN KONCENTRÁCIÓ Az oxigén szerepe , légzés, levegőztetés Az oxigén is lehet limitáló szubsztrát A mikrobák oxigénigényét két módon lehet megadni: 1. légzési sebesség = mmol O2/ dm3.h, kg O2/ m3 .h elsőrendű kinetika Q max = m /Y O nulladrendű K O2 C kr Az oxigén nem limitál 2. fajlagos légzési sebesség h-1 KRITIKUS OXIGÉN KONCENTRÁCIÓ 0,1-1 mg/dm3
A levegőztetés technikai megvalósítása BIM2 2002 A levegőztetés technikai megvalósítása KEVERÕMÛ LEVEGŐELOSZTÓ levegőztetett kevert/levegőztetett
Oxigén átadás buborékból levegőztetés2 BIM2 2002 Oxigén átadás buborékból 1.A gázbuborék főtömegéből diffúzió a gáz/folyadék határ- felületre. 1/kg ellenállás kg "vezetõképesség„ (anyagátadási tényező) 2.diffúzió a l vastagságú – a gázbuborékot burkoló – stagnáló folyadékfilmen át. Ellenállása 1/kl , vezetőképessége kl 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.
KL - az eredő folyadékoldali tömegátadási tényező cm.s-1 a - térfogategységre jutó anyagátadási felület cm2.cm -3= cm -1 KLa - eredő folyadékoldali (térfogati)oxigénabszorpciós együtthatós-1 ( h-1 ). C* - telítési oxigén koncentráció (mg/dm3) C - az aktuális oldott oxigén koncentráció (mg/dm3)
OLDÓDÁSI SEBESSÉG FOGYASZTÁSI SEBESSÉG BIM2 2002 mindíg
Mitől függ és hogyan a telítési oxigén koncentráció, C* ? levegőztetés2 BIM2 2002 Mitől függ és hogyan a telítési oxigén koncentráció, C* ? Mitől függ és hogyan a KL? Mitől függ és hogyan az a ? Mitől függ és hogyan a Kla ?
A telítési oxigén koncentráció függése a tenyésztési körülményektõl 1. PARCIÁLIS NYOMÁS - Henry törvény : 2. HŐMÉRSÉKLET : Cl-Cl Cl-Cl egyenlet közelítő megoldása 3. TÁPOLDAT ÖSSZETÉTELÉTŐL VALÓ FÜGGÉS
pO2 MIVEL NÖVELHETŐ C* ÉRTÉKE? ÖSSZNYOMÁS GÁZÖSSZETÉTEL HŐMÉRSÉKLET levegőztetés2 BIM2 2002 MIVEL NÖVELHETŐ C* ÉRTÉKE? ÖSSZNYOMÁS pO2 GÁZÖSSZETÉTEL TISZTA OXIGÉN HŐMÉRSÉKLET TÁPOLDATÖSSZETÉTEL
GÁZVISSZATARTÁS= Hold up = LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002 GÁZTÉRFOGAT GÁZVISSZATARTÁS= Hold up = ÖSSZTÉRFOGAT
CO2 KLa P/V LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002 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 KLa P/V CO2 szubsztrátok, termékek...
LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002 állandó geometriájú bioreaktorra teljesítményszám (Ne=Newton-szám vagy Eu=Euler-szám) :
LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002 LEVEGŐZTETÉSSEL P csökken Jó g/f diszperzió rossz g/f diszperzió flooding elárasztás 0,25-0,4
labor fermentorokra LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002 általánosan mérettől függő állandók, 0,3 0,95 0,5067