FERMENTÁCIÓ MŰVELETEI
description
Transcript of FERMENTÁCIÓ MŰVELETEI
FERMENTÁCIÓ MŰVELETEI
Nyersanyag előkészítés Tápközeg összeállítása Sterilezés Levegőztetés Elválasztási műveletek
A mikroorganizmusok tápanyag A mikroorganizmusok tápanyag szükségleteszükséglete
A mikroorganizmusok olyan tápközegben illetve tápközegen szaporodnak, amely tartalmazza az összes vitális tápanyagot.Prototróf mikroorganizmusok: glükózból minden szükséges összetevőt szintetizálnakAuxotróf mutánsok: A B CEnergia forrás: Szénhidrátok (glükóz, keményítő) ATPSzénforrás: glükóz, keményítő, melasz, (cellulóz),
etilalkohol, metanol, n-paraffinok
Nitrogénforrás: szervetlen: ammóniumsók, nitrátokszerves: fehérjék (szójaliszt, halliszt), aminosavak
(kukoricalekvár)
Makroelemek: S, P, Mg, K, Na, Ca …
Mikroelemek: Cu, Co, Mo, Mn …
Vitaminok és növekedést serkentő anyagok:biotin, pantoténsav, tiamin, riboflavin, B12
Minimál (szintetikus) tápközeg kémiailag meghatározott összetevőket tartalmaz
Komplex (természetes) tápközeg ismeretlen kémiai összetételű komponenseket tartalmaz (malátakivonat, élesztőkivonat …)
Ipari fermentáció nyersanyagai I.Ipari fermentáció nyersanyagai I.
Laboratóriumi munkánál pontos összetételű tápközegekIpari fermentációknál komplex anyagokkal dolgoznak
Változó minőség miattTápközegek összetételének optimalizálásatápanyag szállítmányoknak megfelelően - adaptáció
Szénforrásként használt anyagok:Melaszok szénforrás mellett nitrogén-tartalmú
vegyületekvitaminok, nyomelemek
A melaszok összetétele függ a termesztési helytől, az időjárástól, a cukorgyárakban alkalmazott technológiáktól
Hidrol a keményítő alapú cukorgyártásnál visszamaradó anyalúg
Malátakivonat Keményítő, dextrin (enzimes főzés)Szulfitlúgok, cellulóz, növényi olajokMetanol, etanol, alkánok
Ipari fermentáció nyersanyagai II.Ipari fermentáció nyersanyagai II.
Nitrogénforrásként használt anyagok
Ammóniumsók, karbamid, ammónia
Kukoricalekvár: sok aminosavat tartalmaz (arginin, glutaminsav, izoleucin, treonin, valin, fenil-alanin, metionin és cisztein)
Élesztőkivonatok: pékélesztőből 50-55°C-on autolízissel vagy plazmolízissel állítják elő
Peptonok: fehérje hidrolizátumok - viszonylag drágák
Szójaliszt: komplex tápanyag 50 % fehérjetartalom 30 % szénhidráttartalom
lassan metabolizálódik -nincs katabolit represszió
Sterilezés
Definíció: mikroba pusztítás mentesítés Sterilezés: fizikai módszerek:
hő szűrés Sugárzás
Dezinficiálás: kémiai sterilezés
Mikrobák hőpusztulása
2.3
ktlogNlogN
ktlnNlnN
ktlnNlnN
dtkN
dN
k.Ndt
dN
0
0
0
t
0
N
N0
Hőinaktíválódás (80°C felett) tápanyagok (vitaminok)
mikrobák Első rendű kinetika
N
N.log
k
2.3t 0
logN
logN0
T°
T2 →k2 T1 →k1
t
T°= konstans
k= f(T, MM, környezet (pH))
N0= kiindulási MM koncentrációN = végső MM koncentrációt = idők = pusztulási sebességi állandó
HŐ, VEGYSZER, SUGÁRZÁSHŐ, VEGYSZER, SUGÁRZÁS
LEVEGŐZTETÉS
Aerobok: Az O2 egyszerű szubsztrát
Anaerobok: redox-potenciál: máj (cisztein), tioglikolsav, C-vitamin, NaHSO3
Szubmerz tenyésztés: Oldott O2,
Az O2 oldódás kicsi: állandóan pótolni kell
1 2
3
REAKTOROKMIKROBÁK O2 – IGÉNYEO2 ABSZORPCIÓ
Buborék Mikroba
Elvárás: mikroba- és pormentes Igény: gyógyszeripar
Kiszerelő, ampullázó Fermentáció (Be- és kimenő levegő)
Műtők Mikroelektronikai ipar! Lamnáris box
Levegőszűrés
Patogén vagy rekombináns törzseknél
Mélységi szűrők
Nominál, nem abszolút szűrőkTöltetek: gyapot, üveggyapot, műanyag szál
N1
N2
L
no),(
df).(,L
L
L
N
Nlog
L.L
,
N
Nln
L,
klog
N
Nln
L.kN
Nln
541
1790
32
321
10
100
90
902
1
902
1
902
1
2
1
k= szűrési állandó
L90: a 90 %-ot visszaartó szűrő hossz.
L90 = f(df, no, α, mikroba, v)
df: szűrő szál átmérőjeno: az elemi szál hatékonysága: térfogat frakcióv: légsebesség
Mélységi szűrők visszatartási mechanizmusai
1. Ütközés (szűrés)2. Diffúzió (Brown-mozgás)3. Ülepedés4. Elektrosztatikus hatás
Kis légsebességNagy légsebesség
Áramszünet: v leesik Fertőzés!
A bemenő levegő melegítése anedvesség kondenzációjának megakadályozására!
Felületi ultraszűrők
A membrán pórusmérete uniformizált, kicsi<PARTIKUM
Abszolút szűrők LAPSZŰRŐK (AIBA: ECHO-SZŰRŐ
Folyadék szűrők: lapszűrők
URETÁN HABELŐSZŰRŐ
POLIVINIL-ALKOHOLLAPSZŰRŐ
LEVEGŐ
Sterilezés: Gőzzel v. Etilén-oxiddalÉlettartam min. 1 év
Reaktorok
1 2
3MIKROBÁK O2 – IGÉNYEO2 ABSZORPCIÓREAKTOROK
Mechanikus keverős bioreaktorok Levegőztetett bioreaktorok Cirkulációs,loop (hurok) reaktorok
Laboratóriumi fermentor
Kevert, levegőztetett fermentorok
Keverő nélkülilevegőztetett fermentorok
Hurok reaktorok
Szaporodás szakaszos tenyészetben
Idõ
Biom
assza m
en
nyiség
e
1 2 3 4 5
S)f(x,dt
dx
xμdt
dxmax
1. lag fázis2. gyorsuló szaporodási fázis3. logaritmikus vagy exponenciális fázismax, tgen nincs S limitáció
4. hanyatlú szaporodási fázis5. Állandósult állapot
A növekedés kifejezhető sejtszám (N) vagy biomassza (x) növekedéssel
=f(S), , dx=xdt, lnx=t +C
dt
dx
x
1μmax ahol:
x = a sejt koncentráció (mg/cm3) t = az inkubációs idő (óra) = fajlagos növekedési sebesség (óra-1)
Kemosztát rendszerKemosztát rendszer
SA fajlagos növekedési sebességet a hígítási sebességgel szabályozzák, mivel
=D
A hígítási sebesség definiciója:
V
FD
Folytonos fermentáció kinetikája
x
t [óra] t [óra]
X[g/l]
X[g/l]
1 2 3 4 5
1. Ürítés2. Mosás3. Feltöltés4. Felmelegítés5. Sterilezés
Produktivitás = meredekség = [g/l*h]
Higítási sebesség: D = F / V [1/h] időegységre eső térfogatcserék száma
Anyagmérleg a mikrobatömegre nézve:
mikrobatömeg változása = növekedés - elvétel
F X, S
D)x(μDxμxdt
dx
Folytonos fermentációs rendszerek osztályozása
Előny: 5-10-szer nagyobb produktivítás, mint a szakaszos fermentációknálIpari alkalmazás nagyon általános: etanol, SCP, szennyvíz tisztítás
x
xNyílt
Zárt
x
X=0
100%
x
Homogén
Heterogén
1 fázisú
2 fázisú
Plug flow RP
1 lépcsős
több lépcsős - kaszkád
A mikrobatömeg a rendszerben marad vagy kilép onnan
A mikroba, a szubsztrátumés a termék koncentráció homogén a rendszerben
Folyadék, szilárd és gáz fázis lehet a rendszerben
Tenyésztési technológiák összehasonlítása
Szakaszos fermentáció kis produktivitás nagy flexibilitás egyszerű
Folytonos fermentáció nagy produktivitás nem flexibilis egyszerű a fertőzés és a degeráció problémát okozhat
Elválasztási műveletek
SejtfeltárásSejtfeltárás Elválasztási műveletekElválasztási műveletek
SzűrésSzűrés ÜlepítésÜlepítés FlotálásFlotálás ElektrokinetikaiElektrokinetikai
ExtrakcióExtrakció Membrános eljárásokMembrános eljárások DesztillációDesztilláció CsapadékképzésCsapadékképzés Kromatográfiás módszerekKromatográfiás módszerek
Extracelluláris, intracelluláris