Biológiai műveletek Mikroorganizmusok, sejt – és szövettenyészetek felhasználása műszaki feladatok megoldására. Mikroorganizmusok irányított tevékenysége.

Az előadások a következő témára: "Biológiai műveletek Mikroorganizmusok, sejt – és szövettenyészetek felhasználása műszaki feladatok megoldására. Mikroorganizmusok irányított tevékenysége."— Előadás másolata:

1 Biológiai műveletek Mikroorganizmusok, sejt – és szövettenyészetek felhasználása műszaki feladatok megoldására. Mikroorganizmusok irányított tevékenysége ( fermentáció ) ( Fermentor – bioreaktor ) A műszaki műveletek célja a fermentáció optimális körülményeinek biztosítása ( pl. keverés, oxigénbevitel, hűtés-fűtés …..) A biológiai műveletek gazdaságosan nem helyettesíthetők sem fizikai, sem kémiai eljárásokkal.

2 Biológiai szennyvíztisztítás „klasszikus” modellje (városi szennyvíz tisztítására)

3 A folyadékban ( vízben ) található szerves szennyeződések kvantitatív jellemzésének lehetőségei:

4 A minta teljes oxidációjával (elégetésével) nyert CO2 mérésével
?

5 Az összes szerves és szervetlen anyag oxigénigénye ( TOD )
Az összes szerves és szervetlen anyag oxigénigénye ( TOD ).Katalítikus oxidáció, O2 fogyás mérése alapján.

6 KMnO4, K2CrO4 nedves oxidációjából nyert oxigénfogyás alapján

7 A szennyvizekben levő, biológiailag bontható szerves anyagok koncentrációját jellemzi, és heterogén baktériumok általi biológiai lebontása során meghatározott idő és hőmérséklet mellett elfogyasztott oxigén mennyiségét jelenti.

8 Viszonylag gyors eredményt ad
„5 nap”

9

10 A fermentáció „nyersanyaga” a szennyvíz finom lebegő kolloid és oldott szerves anyaga.
reakciótermékek Szilárd (baktériumszaporulat) Ülepíthető, szűrhető Biológiai eljárás Stabil oldott reakciótermékek (HCO3-, NO3-,…) Gáz (CO2, CH4, H2S, NH3, N2….)

11 Példák a fermentáció alkalmazására:
Nem aszeptikus ( „nem steril” ) műveletek pl: -szennyvíztisztítás, biogáz előállítás, bor erjesztése, fém kinyerés Nem aszeptikus műveletek, beoltással pl: -sörgyártás, tej fermentációja, alkoholok gyártása Aszeptikus eljárások pl: -antibiotikumok gyártása -protein előállítás

12 Mikroorganizmusok Prokarióták: (nincs valódi sejtmag) Baktériumok Kék algák Sugárgombák Eukarióták: (valódi, elkülönült sejtmag) Moszatok: Gombák: Protozóák : Jellemzőik: *Rendkívül gyors szaporodás *Nagy alkalmazkodóképesség Méretük ~ 1μm Méretük ~ 10μm Műszaki műveletekkel leválasztható?

13 Mozgás? Anyagcsere Az „életjelenségek” (ezek alapján különbözteti meg a szemlélő, az „élettelent” az „élőtől”.) Szaporodás Az „élet-tevékenységek” energiát igényelnek! Fotoszintezicáció Kémiai(reakció) eredetű energia

14 Szilárd fázis elválasztása
Biológiai szennyvíztisztítás Reaktorokban (fermentorok): pl: -oxidációs árok -eleveniszapos rendszer -iszaprothasztó tartály -ülepítők -flotálók -centrifugák Reaktorok azok a készülékek, melyekben a kémiai, biokémiai reakciók lejátszódnak. A reakció sebessége a reagáló anyagok tulajdonságaitól, és reaktor kialakításától, főleg hidraulikai tulajdonságaitól függ.

15 Co CKI A reaktorok felosztása:
Tartályreaktorok: homogén közegben oldott, illetve szuszpendált szennyezőanyagok és baktériumok (pl.eleveniszapos levegőztető-medence) Co CKI oxigénbevitel

16 Töltött toronyreaktorok:
a baktériumok szilárd töltet felületén szaporodnak (pl. csepegtetőtest, merülőtárcsa)

17 Keverős tartályreaktor:
A keverőszerkezet miatt az elegykoncentráció a reartortérben homogén. A belépő szennyvíz azonnal felhígul (ipari szennyvizek esetleges mérgező hatása csökken)

18 Energiaforrás -Az élet fenntartásához -Testfelépítéshez -Szaporodáshoz Kemotrofok: Fototrofok: -Zöld növények (klorofilek) -Fotoszintetizáló algák

19 Kemotrofok: Darabos és kolloid szerves szennyeződés Testen kívül ható enzimek (exoenzimek) Hidrolizáció, „elfolyósodás” Anyagfelvétel a sejthártyán keresztül Energianyerés (oxidáció) ATP=>ADP Sejtanyag szintézis (szaporodás)

20

21 A szervesanyag-tartalmú szennyvizek lebontását általában heterotrof baktériumok végzik.
Szénvegyületek lebontása molekuláris O2 jelenlétében, vagy hiányában is!: fakultatív aerob mikroorganizmusok Lebontás csak molekuláris O2 jelenlétében: obligát aerobok Lebontás molekuláris O2 távollétében: obligát anaerobok

22 A szervetlen összetevők (elsősorban NH+4 ) oxidációja autotrof mikroorganizmusokkal.
Kemoautrof organizmusok ( nitrifikáló-és szulfátbaktériumok ) szervetlen anyagok oxidációja: NH NO-3 S SO42- Valamennyi mikroorganizmusnak szüksége van szervetlen tápanyagokra, felvehető, oldott, ionos formában: PO43-, NH+4 , SO42- ,nyomelemek.

23 Anyagtraszport: Folyadék film biofilm víz levegő: O2 Enzimes reakció diffúzió abszorpció Hordozó anyag diffúzió deszorpció termékek CO2, NH3, CH4 Oldódás Lebontandó szerves anyag

24 A biológiai műveletek külső (környezeti) feltételei:
1.Víz jelenléte 2.Tápanyagok ( szerves BOI5, szervetlen ) 3.Megfelelő hőmérséklet (reakciósebesség) 4.Megfelelő Ph 5.Toxikus anyagok csak kis koncentrációban (nehézfémek, savak, lúgok, aromások, peszticidek…) -Pszihofilek: 20 oC alatt -Mezofilek: 20…45 oC -Termofilek: 50 oC felett Műszaki feladat: melegítés-hűtés, oxigénellátás

25 6. Oxigénkoncentráció – igény szerint:
- Aerob - Fakultatív - Anaerob 7.Biológiai tényezők: -Szelekció: természetes kiválasztódás, egyes fajok szaporodása, mások esetleges eltűnése -adaptáció: a sejtek megváltozott környezethez való alkalmazkodása (pl. megváltozott tápanyag kínálat): inaktív —> aktív állapot -Életközösségek – biocönózis => rendkívül rugalmas rendszer

26 Biokémiai reakciók. 1.Irreverzibilisek ( a végállapot a reagáló komponens egyikének fogyásával megadható) 2.Heterogén reakciók (diszperz rendszerek) 3.Jellemző a reagensek és a termékek kis koncentrációja (anyagtraszport jelentősége) 4.Reakciók sorozata (egymásutánisága) 5.Termékgátlás - inhibíció

27 Iszapszaporodási görbe
Oldott oxigénigény szükséglet

28

29

30

31

32

33 A biológiai szennyvíztisztítás fő eljárásai:
1. Csepegőtestes -töltelékes -merülőtárcsás 2. Eleveniszapos -felszini levegőztetés -sűrített levegős -oxidációs árok 3. Tavas -aerob -anaerob -fakultatív

34

35

36 Töltet: -zúzott kő -műanyag -( mérete, hézagtérfogata, felülete) -hatékony előülepítés -biológiai hártya mérete, minősége -a szennyvíz minősége (toxicitás, szervesanyag terhelés, recirkuláció) -oxigénbevitel -vízelosztás Az egyik legmegbízhatóbb biológiai tisztítási eljárás.

37 Melyik töltetet választaná? Miért?

38

39 Merülőtárcsás szennyvíztisztítók:

40

41

42

43 levegő

44 Eleveniszapos szennyvíztisztítás:

45 Oxidációs árok Szakaszos működés

46

47 Szennyvíztisztító tavak:
Aerob: 0,5…1m mélységű, ( cirkuláció nélküli eleveniszapos rendszer, oxigént termelő algák, termikus keveredés) Anaerob: 2m-nél mélyebb.( teljes térfogatában anaerob viszonyok) Fakultatív tó: 1,2…1,8m mély. (aerob felszíni, anaerob fenékzóna (anaerob iszapbomlás).

48

49 Iszapstabilizáció Anaerob ~ Aerob ~ Szerves anyagok Szerves anyagok Heterotrof baktériumok Négy fázisú, különböző baktériumcsoportok tevékenysége CO2 , CH4 CO2 , H2O

50

51

52

53

54 Szakaszos üzem

55

56

57 Biológiai gáztisztítás

58

59 Gázmosás eleveniszapos technológiával
kombinálva

60

61 -nagy fajlagos felület
-egyenletes töltetelosztás