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