A BIOTECHNOLÓGIA TUDOMÁNYTERÜLETI KAPCSOLATAI

Az előadások a következő témára: "A BIOTECHNOLÓGIA TUDOMÁNYTERÜLETI KAPCSOLATAI"— Előadás másolata:

1 A BIOTECHNOLÓGIA TUDOMÁNYTERÜLETI KAPCSOLATAI
BIO-KÉMIA BIOLÓGIA KÉMIA BIOTECH-NOLÓGIA VEGY. MŰV. BIOMÉRNÖK MŰSZAKI TUDOMÁNYOK

2 BIOTECHNOLÓGIA TECHNIKAI MŰVELETEK ÉS IPARI TERMELÉS KERETÉBEN ALKALMAZOTT BIOLÓGIAI ELJÁRÁSOK A mikrobiológia és biokémia alkalmazás-orientált tudománya (1976) BIOTECHNIKA TECHNIKAI ESZKÖZÖK ORVOSI-GYÓGYÁSZATI ALKALMAZÁSA

3 A BIOTECHNOLÓGIA MÚLTJA
KENYÉR KOVÁSZOLÁS i.e. GYÜMÖLCSLEVEK ALKOHOLOS ERJESZTÉSE ECETGYÁRTÁS 3000 SÖRGYÁRTÁS (SUMER, BABIOLON, EGYIPTOM ) 300 KELTÁK, GERMÁNOK i.sz. ETANOL ELŐÁLLÍTÁS 1150 ECETGYÁRTÁS ORLEÁNI MÓDSZER 14 század ÉLESZTŐGOMBÁK 8 LEEUWENHOEK MIKROSZKÓP 1680 FERMENTÁCIÓS FOLYAMATOK FELFEDEZÉSE (ERXLEBEN ) 1818 TEJSAVFERMENTÁCIÓ LEÍRÁSA (PASTEUR) 1915 PENICILLIN FELFEDEZÉSE (FLEMING) 1928

4 NÖVÉNYI BIOTECHNOLÓGIA
TERMESZTŐK EGY GENOTÍPUS MÓDOSÍTÁSA EGY GENOTÍPUS RÖGZÍTÉSE, VAGY MEGSOKSZOROZÁSA TELJES NÖVÉNYI KULTÚRÁK MÓDOSÍTOTT NÖVÉNY EREDETI NÖVÉNY Génsebészet Haploidizáció Szomatikus hibridizáció EREDETI SEJT Szomatikus embriogenezis MÓDOSÍTOTT SEJT Mutagenezis és szomaklonális variáns MÓDOSÍTOTT SEJTVONAL EREDETI SEJTVONAL Mikroszaporítás Sejtkultúra Sejtkultúra SEJT ÉS SZERV.KULTÚRÁK TÖMEGTENYÉSZETBEN METABOLITOK

5 BIOTECHNOLÓGIA ALKALMAZÁSA AZ ÁLLATTENYÉSZTÉSBEN
ÁLLATEGÉSZSÉGÜGY MONOKLONÁLIS DIAGNOSZTIKA KLÓNOZÁSSAL NYERT VÍRUS VAKCINA IMMUNOGÉN VIRUSFEHÉRJÉK EXPRESSZIÓJA (SZÁJ- ÉS KÖRÖMFÁJÁS, VESZETTSÉG, BAROMFIVÉSZ STB.) MONOKLONÁLIS ANTITESTEKKEL VALÓ PASSZÍV IMMUNIZÁLÁS HOZAMNÖVELÉS A TAKARMÁNYOK ÁLLATI FEHÉRJÉKKÉ VALÓ ÁTALAKÍTÁSAKOR TERMELÉKENYSÉG NÖVELÉSE AZ ÁLLATI NÖVEKEDÉS ELŐSEGÍTÉSÉVEL GÉNSEBÉSZETTEL ELŐÁLLÍTOTT ÁLLAI NÖVEKEDÉSI HORMONOK

6 MIKROORGANIZMUSOKBIOTECHNOLÓGIAI ALKALMAZÁSA
1. GYÓGYÁSZAT ANTIBIOTIKUMOK - Penicillin: Penicillium chrysogenum - Streptomycin: Streptomyces grizeus - Peptid antibiotikumok: Bacitracin, Gramicidin, Nisin stb. RÁKELLENES HATÓANYAGOK Actinomycin, Mitomycin, Chromomycin, L-Asparaginase stb. Főleg Streptomycesek STEROID ÁTALAKÍTÁSOK Pl. Progesteron  11- Hidroxiprogesteron Aspergillus ochraceus Cortison, Prednisolon, Testosteron REKOMBINÁNS DNS-TECHNIKA Inzulin, növekedési hormon, serum albumin

7 MIKROORGANIZMUSOK BIOTECHNOLÓGIAI ALKALMAZÁSA
1. ÉLELMISZERIPAR ERJEDÉSIPAROK Sör, bor, alkohol Saccharomyces cerevisiae STARTERKULTÚRÁK Tejipar, húsipar, borászat BIOMASSZA Takarmányélesztő, Pékélesztő S. cerevisiae SCP Methylophilus methylotrophus AMINOSAVAK Glutaminsav, Fenilalanin, Lisin, Triptofán SZERVES SAVAK Ecetsav, tejsav, propionsav, citromsav

8 MIKROORGANIZMUSOK BIOTECHNOLÓGIAI ALKALMAZÁSA
1. IPARI CÉLOKRA KEMÉNYÍTŐ KONVERZIÓ Szeszipar, folyékony cukor POLISZACHARIDOK ELŐÁLLÍTÁSA Alginát: Azotobacter vinelandii Lerán: Zymomonas mobilis Xanthan: Xanthomonas campestris Stabilizálószerek ALKOHOL ELŐÁLLÍTÁSA Cukor-, keményítő-, cellulóz-alapon Saccharomyces cerevisiae Candida pseudotropicalis Zymomonas mobilis ENZIMEK ELŐÁLLÍTÁSA Proteolitikus, Hidrolitikus enzimek Glükóz izomeráz, amiláz stb.

9 EGY BIOTECHNOLÓGIAI ELJÁRÁS ÁLTALÁNOS FOLYAMATÁBRÁJA
Előkészítés SZUBSZTRÁT Víz, P, N stb. pH-állítás Keverés FERMENTLÉ KÉSZÍTÉS INOKULUM STERILEZÉS Energia Levegő Mérés, szabályozás FERMENTÁCIÓ CO2 és más gázok Hő Szűrés Elválasztás BIOMASSZA ELVÁLASZTÁS BIOMASSZA TERMÉK ELVÁLASZTÁS Fermentációs maradék TERMÉK TISZTÍTÁS TERMÉK Maradék elhelyezés

10 FERMENTÁCIÓS ELJÁRÁS MEGVALÓSÍTÁSÁNAK LÉPÉSEI
1.   Mikroorganizmus kiválasztása 2.   Táptalaj kifejleszétse összetétel optimálás 3.   Eljárás kifejlesztése Anyag és energiamérlegek matematikai modellek szaporodás, termékképzési kinetika szubsztrátfelhasználás, levegőztetés 4.   Léptéknövelés Reaktortípus Szabályozástechnika 5.   Termék feldolgozás

11 TÁPTALAJ Mikrobák átlagos elemi összetétele
A szárazanyag %-ban kifejezett elemi összetétel Élesztő Baktérium Szén 4,7 53 Nitrogén 7,5 12 P (PO43-) 1,5 3,0 S 1,0 O 30 2,0 Mg 0,5 H 6,5 7,0 Hamu 8,0 A hamuban: P, Mg, Cu, Co, Fe, Mn, Mo, Zn, Ca, K, Na

12 FERMENTÁCIÓS CÉLOKRA HASZNÁLHATÓ NYERSANYAGOK
TISZTA C-TARTALMÚ MONO- DI ÉS POLISZACHARIDOK SZÉNHIDROGÉNEK, ALKOHOLOK, CO2 KOMPLEX SZUBSZTRÁTOK MELASZ CELLULÓZ GYÁRTÁS SZENNYVÍZE SZULFIT SZENNYLÚG (PAPÍRGYÁRTÁS) KUKORICALEKVÁR SAVÓ N-FORRÁS NH3, NO3-, KARBAMID AMINOSVAK, SZÓJA SZERVETLEN SÓK PO43-, SO42-, CI- - SÓK NYOMELEMEK K, Na, Mg, Ca, Fe, Co, Zn

13 FERMENTÁCIÓS MODELLEK ÁLTALÁNOS ELVEI
1. Fizikai elvek Anyagmegmaradás, anyagmérlegek Termodinamikai I. Hőmérleg - hőelvonás II. Entrópia Nyilt rendszer állandósult állapot Kiegysnúlyozott növekedés Korlátozatlan (exponenciális) Korlátozott (kemosztát) Konstitutív elvek Fizikai-kémiai, reakciókinetikai törvények ri 2. Biológiai elvek Környezeti tényezők hatása rH pH  transzport Hőmérséklet  ARRHENIUS Oxigénellátottság  (Pasteur-effektus) Modellek: Struktúra nélküli (MONOD, KONO-ASAI stb.) Strukturális modellek (bonyolult kezelhetőség)

14 SZAKASZOS SZAPORODÁSI GÖRBE
X [g/dm3] V. IV. LAG-FÁZIS GYORSULÓ SZAPORODÁS EXPONENCIÁLIS-FÁZIS LASSULÓ SZAPORODÁS ÁLLANDÓSULT FÁZIS III. I. II. t

15 SZAPORODÁSI SEBESSÉGI GÖRBE
dy/dt = 0 dx/dt > 0 dx/dt =  . X dx/dt = 0 dx dt III. IV. dx/dt x II. V. x I.

16 lgx t GENERÁCIÓS IDŐ: tg  x2 7 2x1

17 A SZAPORODÁSI SEBESSÉG SZUBSZTRÁTFÜGGÉSE
[MONOD]  MAX  = MAX KS S SK

18 ÖSSZEFÜGGÉS A FELHASZNÁLT SZUBSZTRÁT ÉS A KÉPZŐDÖTT SEJTTÖMEG KÖZÖTT
x HOZAMKONSTANS x s s FOGYOTT SZUBSZTRÁT

19 SZAKASZOS FERMENTÁCIÓ
X S P P ds dt dx dt dP dt S t

20 TERMÉKKÉPZÉSI KINETIKA (LUEDEKING-PIRET)
 > 0 Elsődleges metabolitok (aminosav, alkohol  > 0 Másodlagos metabolitok (antibiotikumok)  > 0 és  > 0 Tejsav A szubsztrát teljes hasznosítása:

21 SZUBSZTRÁTFELHASZNÁLÁS
Sejttömeg Energiatermelés Növekedéssel kapcsolatos Fenntartással kapcsolatos

22 OXIGÉNIGÉNY I. Légzési sebesség Fajlasog légzési sebesség

23 OXIGÉNIGÉNY 2. Qmax K02 C CKr Beépülés Energiaterm. a növ.-hez
Energiatermelés a ferm.tartáshoz

24 A GLÜKÓZ ÉS OXIGÉNIGÉNY ÖSSZEHASONLÍTÁSA (Saccharomyces cerevisiae)
Koncentráció a fermentlében [mg/dm3] ~104 7 Kritikus koncentráció [mg/dm3] 50 0,7 Fajlasgos felhasználási sebesség [mg/gh] 580 208

25 OXIGÉNABSZORPCIÓ . O2 KL: folyadékoldali tömegátadási tényező [cm s-1]
A: fajlagos anyagátadási felület [cm3/cm3] Kla: folyadékoldali oxigénabszorpciós együttható [s-1] C C* KLa. . c* OTR [kgO2/m3h] t t

26 OXIGÉNELLÁTÁS OTR = Kla . (c* - c)
Atm. Nyomáson c*  0,25 m M = 8 mg/dm3 OTRmax = 0,25 . KL . a mmol/L-h KL . a tartomány: h-1 OTRmax: mMl-1 0,6-4 g/lh Sejtszaporodás: max. 7-8 g/lh Energiaigény: 1,3 kW/m3 20-40 mMl-1h-1 oxigénbevitel kevert tankban

27 BIOREAKTOROK Mechanikai keverés nélkül Csőreaktor Léglift (Lefrancois)
Mechanikai keverés nélkül Csőreaktor Léglift (Lefrancois) Csepegtető test Gázinjektoros Huck.reaktor Merülősugaras

28 BIOREAKTOR 2. Mechanikai keveréssel Kevert tankreaktor
Önfelszívó keverős (Vogelbusch, Frings) Keverős reaktor

29 A FERMENTORT ELHAGYÓ TERMÉKEK KONCENTRÁCIÓI [g/dm3]
SCP élesztő száraz biomassza 30-50 Etanol 70-120 Aceton (butanol), etanol elegy 18-20 Szerves savak (citromsav, tejsav) 40-100 Antibiotikumok (Penicillin-C) 10-30 Lipidek Enzimfehérje (szérum-proteáz) 2-5 B12 vitamin 0,02 Riboflavin 10-12

30 FELDOLGOZÁSI MÓDSZEREK A BIOTECHNOLÓGIÁBAN
Szilárd anyag Szűrés Sejttömeg eltávolítás (penész, élesztő) dobszűrőn, szűrőpréssel Ülepítés Gravitációs, centrifugális Flotálás gázbefúvással hab-képzés „lefölözés” Elektrokinetika a szuilárd anyag az elektródra csapódik le  pépes Oldott anyag Extrakció A terméket egy másik oldószerrel vonják ki Membrános eljárások A termék membránon diffuncál át. Esetleg eltkrosztatikus vagy ioncserés. Desztilláció illékony termékekhez

31 MEMBRÁN TECHNIKÁK Reverz ozmózis Ultraszűrés Mikroszűrés
Retenát P2 P1 Permeátum

32 ULTRASZŰRÉS 1. Koncentrálás 2. Diafiltrálás 3. Tisztítás

33 HAZAI SZENNYVIZEK ÁTLAGOS OXIGÉNIGÉNYE
Iparág KOI [mg/l] BOI5 [mg/l] Ércbányászat 76 16 Gázgyártás 36000 704 Bőripar 4300 3000 Textilipar 2100 1200 Papíripar 1600 400 Baromfiipar 1300 700 Cukoripar 4600 Húsipar 8000 Tejipar 2700 1700 Szeszipar 7600 4900 Söripar 2500 800 Konzervipar 600 Dél-pesti kommunális 450 250 Sertéstelepi hígtrágya 1:1 higítású 32000 15000

34 SZENNYVÍZTISZTÍTÁSI ELJÁRÁSOK CSOPORTOSÍTÁSA
RENDŰ TISZTÍTÁS Durva mechanikai szennyeződések eltávolítása Rácsok, szűrők, aprítószűrők, homokfogók, ülepítők, hidrociklonok, ívsziták, zsírfogók  Kolloid-diszperz anyagok eltávolítása Koagulálás, flokulálás, flotáció (adalékanyagok)  Oldott szervesanyag eltávolítása Biológiai szennyvíztisztítás Levegőztetés (medence, csepegtető test, árok) III. RENDŰ TISZTÍTÁS  Maradék, oldott anyagok eltávolítása Ioncsere, molekulaszita, adszorpció, reverz ozmózis, elektrolitikus oxidáció  Eutrofizáció megakadályozása P-eltávolítás: Ca-, Al- és Fe-sók NO3- eltávolítás: denitrifikáló baktériumok  Csírátlanítás: Cl2, ózon  Lebegőanyag eltávolítás: homokszűrő, mikroszűrő ISZAPKEZELÉS

35 SZENNYVÍZTISZTÍTÁS ÁLTALÁNOS TECHNOLÓGIAI VÁZLATA
1. Mechanikai előkészítés, 2. Előülepítő, 3. Levegőztető medence, 4. Utóülepítő, 5. Anaerob rothasztó, 6. Fázisszétválasztó, 7. Gáztartály, 8. Kettős tüzelésű motorral hajtott generátor, 9. Légkompresszor.

36 ANAEROB METÁNOS ERJEDÉS SÉMÁJA
Fehérjék, poliszaharidok, zsírok Hidrolitikus baktériumok Aminosavak, cukrok, zsírsavak Savképző baktériumok Rövid zsírsavak, H2, CO2, NH3, H2S Hidrogéntermelő acetátképző baktériumok Acetát. H2 CO2 Matanogén baktériumok CH4, CO2

37 SZULFÁTREDUKÁLÓ BAKTÉRIUMOK SZEREPE A METÁNOS ERJEDÉSBEN
SZUBSZTRÁT Szulfátredukáló baktériumok Acidogén baktériumok H+ CO2, H2, NH sejt szerves savak Sejt szerves H2S savak Acetogén és metanogén baktériumok sejt CH4 + CO2 H2S gábló hatása a metánképzésre 200 mg/l oldható S-tartalom felett!

38 ANAEROB RENDSZEREK Anaerob kontakt eljárás L = 10-50 kgKOI/m3d
Iszapágyas reaktor Anaerob rögzített ágyas szűrő reaktor

39 REKOMBINÁNS GÉNTECHNIKA VÁZLATA

40 MONOKLÓN ELLENANYAG TERMELÉSI HIBRIDÓMÁVAL

41 A BIOMASSZA TERMELÉS ÉS HASZNOSÍTÁS ÖSSZEFÜGGÉSEI
mezőgazdasági és erdőterületek melléktermék, hulladék erdőgazdálkodás meliorizáció talajerő visszapótlás 1. mg. növénytermelés Melléktermék feldolgozás, hasznosítás talajtápanyag ellátás 2. állattenyésztés biogáz előállítás takarmány takarmány előállítás 3. élelmiszeripar energia tüzeléssel trágya élelmiszer Ipari hasznosítás Ipari feldolgozás, ipari nyersanyag energia

42 SEJTTÖMEG ELŐÁLLÍTÁS SŰTŐÉLESZTŐ (Saccharomyces cerevisiae)
Melaszból kiindulva Tátáplálásos technika Intenzív levegőztetés Présélesztő 30% szárazanyag Szárított élesztő 92% szárazanyag TAKARMÁNYÉLESZTŐ Sörgyártásnál képződő élesztő Szulfitlúgból Candida utilis Szeszgyártásál képződő élesztőtömeg Tejsavból Kluíveromyces marxianus K. lactis. K. fragilis

43 A CELLULÓZ BIOMASSZA KONVERZIÓJA
II. III. KEMÉNYÍTŐ CUKOR FEHÉRJE LIPID CELLULÓZ HEMICELLULÓZ LIGNIN KEMÉNYÍTŐ CUKOR FEHÉRJE LIPID CELLULÓZ LIGNININ HEMICELLULÓZ H2O CO2 ÉLELMISZER TAKARMÁNY >60% 100%

44 CELLULÓZ ENZIMES BONTÁSA
Amorf területek Kristályos területek Endo--glükanáz Cx-glükanáz az amorf területeket bontja Cellobiohidroláz C1-enzim Cellobióz felszabadítás a kristályos területről Cx + C1 C1 + Cx enzimek tovább bontanak -glükozidáz Glükóz

45 CELLULÓZLEBONTÁS C1 + Cx -hlükozidáz Kristályos Glükóz Biológiai
Fizikai Finom-kristály Glükóz Natív Kémiai Cx -hlükozidáz Amorf Glükóz C1 : 1,4 -glukán cellobiohidroláz Cx : 1,4 -glukán glukánhidrolázh

46 CELLULÓZ ALAPON TÖRTÉNŐ SEJTTÖMEG ELŐÁLLÍTÁS
KÉMIAI (SVAS VAGY LÚGOS) HIDROLÍZIS GLÜKÓZZÁ és SCP termelés a glükózon ENZIMES HÍDROLIZIS GLÜKÓZZÁ Trichoderma viride (legaktivabb enzimkomplex Myrothecium verrucaria MIKROBIÁLIS HIDROLIZIS és a termék egyidejű hasznosítása másik mikrobával: Trichoderma viride + Candida utilis KÖZVETLEN MIKROBIÁLIS HIDROLIZIS ÉS HASZNOSÍTÁS Cellulomonas törzsek

47 AZ ICI METANOL ALAPÚ SCP TECHNOLÓGIÁJA (Methylophilus methylotrophus)
FERMENTLÉ 226 t/h 3% = 6M8 t/ha sza. SEJTELVÁLASZTÁS SJETSZUSZPENZIÓ 57 t/h 12% = 6,8 th/ha sza. VÍZTELENÍTÉS MOSÁS (CENTRIFUGA) MOSÓVÍZ 30 t/h víz 31 t/h 22%=6,8 t/ha sza. Sejtmentes Fermentlé 170 t/h Híg lé + Mosóvíz 56 t/h SZÁRÍTÓ PORLEVÁLASZTÓ 31 t/h víz SZENNYVÍZ STERILEZÉS TERMÉK HULLADÉK 12 t/h Sz.a. = 6,7 t/h Nedv. = 0,3 t/h RECIRKULÁCIÓ

48 ICI PRESSURE CYÍCLE REACTOR Metanol alapú SCP előállításhoz (Methylomonas sp.)

49 LEVÉL – FEHÉRJE FELDOLGOZÁS Vepex: Vegetable Protein Extract
ZÖLD NÖVÉNY DARÁLÁS PRÉSELÉS KOAGULÁLÁS TISZTÍTÁS SZEPARÁLÁS SZÁRÍTÁS FERMENTÁCIÓ ÉLESZTŐ SZEPARÁLÁS PORLASZTVA SZÁRÍTÁS PELLTIZÁLÁS BEPÁRLÁS ÉLESZTŐ FEHÉRJE ROSTANYAG

50 A SZABADEGYHÁZAI KOMPLEX KUKORICAÜZEM TERMELÉSI SÉMÁJA (HFCS: High Fructose Corn Syrup)
FŐ ÜZEM MELLÉKÜÖZEMEK EGÉSZ/TELJES KUKORICASZEMEK TÖRT SZEMEK KUKORIA ELLÁTÁS ÉS ELŐTISZTÍTÁS KEMÉNYÍTŐÜZEM TÁROLÁS ÉS ELŐKÉSZÍTÉS NEDVES GLUTÉN ÁZTATÓ VÍZ BEPÁRLÓ ÜZEM TISZTA KEMÉNYÍTŐ NEDVES CSÍRA ROSTOK ÁZTATÓ SAVKÉSZÍTMÉNY NYERS KEMÉNYÍTŐ + ROSTOK BEPÁRLÁSI MARADÉK ALKOHOLÜZEM CUKORÜZEM TAKARMÁNY SZÁRÍTÓ GLUTÉN ÜZEM CSÍRA VÍZKEZELÉS SZÚRŐ POGÁCSA SZENNYVÍZKEZELÉS KAZÁNHÁZ CEFRE HŰTŐTORONY DESZTILLÁCIÓ ALKOHOLMENTES CEFRE TECHNIKAI ALKOHOL KOZMAOLAJ HFCS RAKTÁROZÁS ÉS SZÁLLÍTÁS GLUTÉN CSÍRA ELSŐOSZTÁLYÚ ALKOHOL TAKARMÁNY TERMÉK

51 IZOSZÖRPGYÁRTÁS FOLYAMATÁBRÁJA 1.
Cseppfolyosítás Feltételek Főzés Cseppfolyósítás Dextrinképzés Enzim Optitherm L-210 Keményítő 40-42% Ds pH 6,5 Hőmérséklet (oC) 145 100 85 Reakció idő (min) 0,2-0,5 20-30 Stabilizáció (Ca++) 120 ppm Enzim adagolás (1/t keményítő Ds) 0.2 0,4 DE-érték 15-20

52 IZOSZÖRPGYÁRTÁS FOLYAMATÁBRÁJA 2.
CUKROSÍTÁS Feltételek Enzim Optitherm L-100 Keményítő 40-42% Ds pH 4,5 Hőmérséklet (oC) 60 Reakció idő (min) 60 óra Enzim felhaználásadagolás (1/t keményítő Ds) 1,5 DE-érték 96-98 D-glukóz tartalom 95-96%

53 IZOSZÖRPGYÁRTÁS FOLYAMATÁBRÁJA 3.
IZOMERIZÁLÁS Feltételek: Enzim TAKA-SWETT 3910 Szubsztrát koncentárció 42-45 DS Hőmérséklet (oC) 60-62 pH 7,8 Enzim felhaználás 0,4 kg/t Ds Mg adagolás ppm Ds termék összetétel: Fruktóz 42% Glükóz 52% Oligoszaharidok 6%