Tantárgy tematikája: I. Félév

Átírás

1 Képzés: BSc Tantárgy kódja és neve: TBBE0571, TBBE TBBL0572, Biomérnöki műveletek és folyamatok I-II Kredit: 3, 3+2 Tantárgyfelelős: Dr. Karaffa Levente Oktatók: Dr. Karaffa Levente, Dr. Fekete Erzsébet Heti óraszám: 2+0+0; Előfeltétel: Mikrobiológia, Biokémia Ajánlott félév: Számonkérés módja: kollokvium, kollokvium és gyakorlati jegy Tantárgy tematikája: I. Félév 1. hét: Bevezetés. Az előadás-sorozat céljainak bemutatása, kapcsolódása a képzés során elsajátított egyéb ismeretekkel. Fermentáció, fermentor, fermentlé, fermentációs technika, fermentációs technológia, bioreaktor kifejezések jelentése, értelmezése. A biomérnöki munkafolyamat alapvető lépéseinek vázlatos áttekintése: termelésre alkalmas előlény vagy sejtalkotó kiválasztása, fenntartása és nemesítése, táptalaj megtervezése és létrehozása, a táptalaj, a reaktor és a reaktor kiegészítő alkatrészeinek csíramentesítése (sterilizálás), oltóanyag (inokulum) előállítása, a növekedés vagy a termékképződés szempontjából optimális fizikai-kémiai körülmények beállítása és fenntartása, a gyártási folyamat műszerezése és műszeres ellenőrzése, a termék(ek) kinyerése, a termék(ek) tisztítása, melléktermékek és szennyező anyagok kezelése illetve közömbösítése. Teljes sejtet alkalmazó biomérnöki folyamatok vázlatos áttekintése a keletkezett termék szempontjából: biomassza előállítás, enzimek termelése, primer és szekunder metabolitok előállítása, biokonverziós (biotranszformációs) folyamatok. Az immobilizáció kifejezés vonatkozó jelentése. Magasabbrendű eukarióta sejtek a biomérnöki gyakorlatban. Enzimeket alkalmazó biomérnöki folyamatok és műveletek vázlatos áttekintése. 2.hét: A fermentációs-biomérnöki ipar kronológiai fejlődése: az ókor és a középkor biotechnológiája (sör, bor, ecet, kenyér, aludtej, sajt, túró készítése, tenyészlé-szűrletek alkalmazása sebek kezelésére). A XVIII-XIX. század tudományos eredményeinek kivetülése a fermentációs iparra (hőcserélő, hőmérő, fémtartályok, sörfőzdék). Leeuvenhoek, Pasteur, Hansen, Schwann, Kutzing, Blondeau munkássága. A XX. század első felének biomérnöki eredményei: a sterilitás, az oldott oxigén tenzió és a szénforrás fontosságának felismerése; aerob fermentációk, antibiotikumipar kialakulása. Léptéknövelés, kísérleti üzemek. Weizmann és Fleming munkássága. A XX. század második felének biomérnöki eredményei: táplálék-kiegészítők (aminosavak, nukleotidok, vitaminok) és Single Cell Protein előállítása. Szénhidrogén-alapú fermentációk. Poliszacharidok és lipidek előállítása. A rekombináns DNS-technológia és a molekuláris immunológia kialakulásának következményei a biomérnöki iparra. Magasabbrendű eukarióta sejtek és szövetek alkalmazása a termelésben. A magyar fermentációs és biomérnöki ipar rövid története, legjelesebb személyiségei, jelen helyzete és jövőbeli kilátásai. 3.hét: Ipari fermentációk tápközegei. Heterotrófia, autotrófia, fotolitotrófia, fotoorganotrófia, kemolitotrófia, kemoorganotrófia fogalmának ismétlése példákon keresztül. A laboratóriumi és a termelői léptékű fermentációk tápközeg-kívánalmainak összehasonlítása. Az ipari tápközeg minőségi követelményei. A tápközeg tervezés legfontosabb szempontjai. A

2 mikroorganizmusok elemi összetételének bemutatása, a mikrovilág ezen szempontból is kimagasló diverzitásának kihangsúlyozásával. Az elemi összetétel tápközeg-függése. A tápközeg összetevőinek tételes áttekintése. A víz. Fizikai és kémiai aspektusok (kémhatás, keménység, ionerősség, aktivitás, tonicitás). A víz körforgása a fermentációs üzemen belül. A vízellátás költségtényezői. A szennyvíz és a hűtővíz jelentősége a biomérnöki gyakorlatban. A mikroorganizmusok növekedéséhez szükséges szénforrások áttekintése. Laboratóriumi illetve termelői léptékű szénforrások. Szénhidrátok. A keményítő eredete, szénforrásként történő felhasználása, savas illetve enzimes hidrolízise. A maláta és felhasználása. Szacharóz és laktóz felhasználása. Növényi olajok szénforrásként történő felhasználása. A kukoricalekvár és felhasználása. Egyéb széntartalmú vegyületek (alkoholok, szerves savak, szénhidrogének) potenciális felhasználása. A mikroorganizmusok növekedéséhez szükséges nitrogénforrások áttekintése. Szervetlen (ammónium, nitrát) és szerves (aminosavak, urea, fehérjék) nitrogénforrások. A mikroorganizmusok növekedéséhez szükséges szervetlen anyagok áttekintése. Nyomelemek, vitaminok. Prekurzorok, anyagcsere-szabályozók (inhibítorok, indúcerek), habzásgátlók. A tápközeg komponenseinek újbóli hasznosítása. Az oldott oxigén jelentősége. A tápközeg összetételének mennyiségi kérdései. A tápközeg reológiai sajátságai; Newtoni és nem-newtoni folyadékok, Bingham-plasztikus, pszeudoplasztikus, dilatáns és Casson-test reológiájú tápközegek. 4.hét: A növekedés becslése. A biomassza mérésének jelentősége. A mérés elvi típusai: közvetett (indirekt)és közvetlen (direkt) módszerek. A mérés gyakorlati megvalósításának módszerei: tömegmérés, térfogat-vagy hosszmeghatározás, a biomassza egy komponensének tömegmérése, az elfogyasztott szubsztrátum mennyiségi meghatározása, a keletkezett termék mennyiségi meghatározása, fényszórás mérése, sejtszámlálás, festési módszerek. A választást befolyásoló tényezők. A módszerek érzékenységének, reprodukálhatóságának és költségeinek összehasonlítása. A módszerek részletes ismertetése: indirekt módszerek. Mintavétel. Száraztömeg meghatározás. Nedvestömeg meghatározás. Sejt-illetve micélium térfogat meghatározása. Növekedés mérése szilárd felszínen. Sejtalkotók mennyiségi meghatározása: nitrogéntartalom (Kjeldahl-módszer ismertetése, előnyök, hátrányok), fehérjetartalom (specifikus festékeket alkalmazó színreakciók), DNS-tartalom (deoxiribóz meghatározása), RNS-tartalom mérése. A növekedés fényszóráson alapuló meghatározásának elvi alapjai és gyakorlati kivitelezése. Turbidimetria és nefelometria összehasonlítása. Direkt módszerek: sejtszámlálás (mikroszkóp, Coulter-számláló, szélesztéses meghatározás), vitális festékek alkalmazása. Egyedi problémák és megoldásuk a fágok és vírusok, az egysejtű baktériumok, az élesztők, a fonalas baktériumok illetve fonalas gombák növekedésének becslése során. A laboratóriumi valamint a termelői léptékű tenyésztés során a növekedés mérésekor fellépő speciális problémák illetve megoldásuk. 5.hét: A sejtnövekedés kinetikája I. Az ideális tenyészet tulajdonságai. Batch tenyészet: a növekedés lappangó, gyorsuló, exponeciális, lassuló és stacioner szakaszai, jellemzésük biológiai és biomérnöki szempontból. Másodlagos növekedés. A sejtszám és a biomassza fogalmának értelmezése. A növekedés általános egyenlete, a Gibbs-energia bevezetése a sztöchiometriai számításokba. Az exponenciális növekedés elvének törvényszerűségei, és az ettől való eltérés jelentősége. Szubsztrátum-, biomassza- és termékkoncentráció időbeli változása a batch tenyésztés során. Fermentációs időprofil jelentése. A limitáló szubsztrátum és a reziduális szubsztrátum koncentráció fogalma. Volumetrikus illetve specifikus szubsztrátum felvételi ráta fogalma és meghatározása. Populációs illetve specifikus növekedési ráta fogalma, levezetése, értelmezése. Generációs idő fogalma és kiszámítása. A növekedési ráta és a generációs idő közötti kapcsolat jellemzése. Növekedésre vonatkozó hozamkonstans fogalma, levezetése és kiszámítása. Specifikus anyagcsere ráta fogalma,

3 levezetése és kiszámítása. A limitáló szubsztrátum koncentrációjának hatása a növekedési rátára. Az exponenciális növekedés törvényszerűségeinek összehasonlítása a Michaelis- Menten-féle enzimkinetikai modellel. Az exponenciális növekedéshez tartozó egyensúlyi szubsztrátum koncentráció értelmezése. 6.hét: A sejtnövekedés kinetikája II. A Monod-törvény. A Monod-törvény grafikus szemléltetése. A Monod-törvény linearizálása, és az egyensúlyi szubsztrátum koncentráció értékének kiszámítása. Az egyensúlyi szubsztrátum koncentráció közvetlen meghatározása analitikai módszerekkel. Az egyensúlyi szubsztrátum koncentráció jellemző értékei szénforrásra, sókra, aminosavakra, vitaminokra és oxigénre, eltérő anyagcserével rendelkező prokariótákban és eukariótákban. Eltérések a Monod-törvénytől: a Tessier-, a Contois- és a Blackman-egyenletek bemutatása és értelmezése példákon keresztül. Fenntartási energia értelmezése és kiszámítása. A lappangó fázis időtartamának kísérletes meghatározása, az eredmény beépítése a tenyészet növekedési egyenletébe (Lodge-Hinshelwood szabály). A maximális biomassza koncentráció értelmezése, az értékek befolyásolásának bemutatása példákon keresztül. A sejtosztódás kinetikai modelljeinek típusai: a sejtszintű és a populációs szintű struktúrálódás értelmezése és összehasonlítása. A struktúrálatlan-szegregálatlan, a struktúrálatlan-szegregált, a struktúrált-szegregálatlan és a struktúrált-szegregált modellek összehasonlítása példákon keresztül. Szilárd fázisú fermentáció. A folyamat alapelvének és jelentőségének bemutatása gyakorlati példákon keresztül. 7.hét: Folytonos tenyészetek. A kemosztát teória alapelvei. Hígítási ráta fogalma és levezetése. A sejtnövekedés mértéke kemosztátban, a hígítási ráta és a specifikus növekedési ráta kapcsolata, az egyensúlyi állapot ( steady-state ) kialakulása. A limitáló szubsztrátum minőségének és koncentrációjának jelentősége. A kritikus hígítási ráta értéke. A maximális növekedési ráta meghatározásának elmélete és gyakorlata. A biomassza produkciós ráta vizsgálata kemosztátban. A batch és kemosztát összehasonlítása a biomassza produkció szempontjából. Egy adott sejt átlagos tartózkodási idejének meghatározása a kemosztátban. Eltérések a kemosztát teóriától. A tökéletlen keverés hatása. A fali növekedés jelensége, hatása a növekedési rátára, és az ellene való védekezés. Az átmeneti állapot jelensége és értelmezése kemosztátban. Az átmeneti állapot időtartamának kiszámítása. A kemosztát gyakorlati alkalmazásai az alapkutatásban, az alkalmazott kutatásban és a termelésben (sörgyártás, Single Cell Protein előállítás). A kemosztát speciális típusai: a turbidosztát és a biomassza visszacsatolásos kemosztát. A turbidosztát felépítése, működése és gyakorlati alkalmazásai. A biomassza visszacsatolásos kemosztát típusai (belső illetve külső visszacsatolásos kemosztát), felépítésük, működésük és gyakorlati alkalmazásuk. Sorba kapcsolt kemosztátok és elvi-gyakorlati jelentőségük. 8.hét: Rátáplálásos (fed-batch) tenyészetek. Alapelv. A rátáplálásos tenyészet kialakulásához vezető biológiai jelenségek és magyarázatuk. Az átmeneti steady-state állapot fogalma, levezetése és összehasonlítása a kemosztátban elérhető valódi steady-state állapottal. A fenntartási energia kiszámítása rátáplálásos tenyészetben. Az átmeneti állapot és a növekedési ráta összefüggései. Ismételt rátáplálásos tenyészetek. A rátáplálásos tenyészetek gyakorlati alkalmazásai, a rátáplálás technikai kivitelezése és műszeres kontrollja. A rátáplálásos tenyésztés fermentációs iparban betöltött kivételes jelentőségének bemutatása termelési adatok segítségével. A dializáló tenyészet, mint a rátáplálásos tenyésztés egyik speciális módja. Külső illetve belső (osztott terű) dializáló tenyészetek. A külső és belső szubsztrátum koncentrációk meghatározása osztott terű dializáló tenyészetben. A szubsztrátum

4 koncentrációk változásának kinetikája osztott terű dializáló tenyészetben. A növekedési ráta kiszámítása dializáló tenyészetben. Nehézségek a dializáló fermentor működésében: fonalas mikróbák tenyésztése. A dializáló membrán típusai és kiválasztása. A dializáló tenyésztés termelési jellegű alkalmazásai: nagy sejtsűrűségű tenyészetek, zárt rendszerű tenyészetek, lassan, kis hozamkonstans mellett növekvő emlős-és növényi sejt tenyészetek. A diffúziós kapszula elvének, felépítésének és gyakorlati alkalmazásának bemutatása. 9.hét: A termékképződés kinetikája. A fermentációs termékek elvi típusainak áttekintése. A termékképződési ráta fogalma és levezetése. Termékképződésre vonatkozó hozamkonstans fogalma, levezetése és kiszámítása. A specifikus növekedési ráta kapcsolata a termékképződési rátával. Növekedéshez kapcsolt és növekedéshez nem kapcsolt termékképződés, példákon illusztrálva. Lassan illetve egyáltalán nem növekvő tenyészetek termékképződése. Növekedéshez nem kapcsolt termékképződés látszólagos függése a növekedési rátától. A termék bomlásának kinetikája, a termékbomlási ráta. Termékképződés batch tenyészetben. Termékképződés folytonos tenyészetben. A termékképződési ráta levezetése kemosztát tenyészetben. Növekedéshez kapcsolt és növekedéshez nem kapcsolt termékképződési ráta eseteinek vizsgálata kemosztát tenyészetben. A biomassza koncentráció és a termékképződési ráta kapcsolata, termékképződés nagy sejtsűrűségű tenyészetekben. A tenyésztési körülmények hatása a termékképződésre. A szén- és a nitrogénforrás mennyiségének és minőségének hatása a termékképződésre. A tápanyaghiány termékképződésre gyakorolt hatásának bemutatása példákon keresztül. 10.hét: Ipari jelentőségű mikroorganizmusok izolálása. Az izolálás kifejezés mikrobiológiai jelentése, és a folyamat jelentősége. A biomérnöki munka során használatos mikroorganizmusok kiválasztásának kritériumai. A szükséges törzs beszerzésének elvi lehetőségei. Hazai és külföldi törzsgyűjtemények (a legfontosabbak felsorolása, működési elveik, előnyeik és hátrányaik). Az izolálás alapelvei. A kiválasztott tulajdonság szelekciós előnnyé alakítása. Dúsításos technika. A dúsításos technika alapesetei és technikai kivitelezésük. A maximális növekedési ráta jelentősége a dúsításos törzsszelekcióban. A kemosztát, mint a dúsításos törzsszelekció eszköze. A kemosztát technika törzsszelekcióban való alkalmazásának előnyei és hátrányai. A turbidosztát alkalmazása a törzsszelekció során. Kétfázisú kemosztát alkalmazása a törzsszelekció során. A tápközeg minőségi és mennyiségi tulajdonságainak jelentősége a törzsszelekció folyamata során. Szilárd táptalaj használata az izolálás során. A szilárd fázison történő izolálás technikai kivitelezése, a csalétek-módszer. Izolálási technikák abban az esetben, ha a kiválasztott tulajdonság nem alakítható szelekciós előnnyé. A random izolálási technikák alapesetei. Metabolit túltermelő mikróbák izolálása. A túltermelő táptalaj általános minőségi és mennyiségi jellemzői. Antibiotikum-termelő mikróbák izolálása. Farmakológiailag aktív anyagokat termelő mikróbák izolálása. Poliszacharidokat termelő mikróbák izolálása. 11.hét: Ipari jelentőségű mikroorganizmusok fenntartása. A törzsfenntartás jelentősége és céljai. Az ipari jelentőségű mikroorganizmusok fenntartásának elvi és gyakorlati nehézségei. A törzsfenntartás módjai. Alacsony hőmérsékleten történő tárolás. A tárolás módjának a sejt biológiai állapotától való függése. Spórák tárolása. A dehidratáció alkalmazása a törzsfenntartásban. Talajminták tárolása. A liofilezés elve és gyakorlati kivitelezése. A fenntartott mikroorganizmusok illetve minták minőségének ellenőrzése. Ipari jelentőségű mikroorganizmusok törzsfejlesztése I. A törzsfejlesztés jelentősége és céljai. Prototrófia és auxotrófia fogalma. A mikroorganizmusok (prokarióták és eukarióták) örökítőanyagának rövid jellemzése. A paraszexuális ciklus jelentősége a törzsfejlesztésben. A

5 genetikai állomány megváltozásának illetve megváltoztatásának elvi lehetőségei. A természetes szelekció kihasználása a törzsfejlesztésben. A mutációs ráta fogalma. A mutációs ráta befolyásolásának lehetőségei. Mutagének és mutagenitás. Mutagének osztályozása és jellemzése. A spontán illetve a mutagének hatására kialakuló mutációs ráta minőségi és mennyiségi összehasonlítása. 12.hét: Ipari jelentőségű mikroorganizmusok törzsfejlesztése II. Mikrobiális metabolitok bioszintézisét befolyásoló szabályzó mechanizmusok rövid áttekintése. Feed-back inhibíció, feed-back represszió. Karbon és nitrogén represszió. Multivalens feed-back szabályzás. Izoenzimek. A mutáció megtervezésének jelentősége és lehetőségei. In vivo és in vitro mutagenezis. Példák a mutagenezis révén megnövelt termékhozamra. A sejtmembrán permeábilitás mesterséges megváltoztatásának jelentősége és lehetőségei. Protoplaszt fúzió alkalmazása a törzsfejlesztésben. Feed-back gátlásban mutáns törzsek izolálásának elmélete és gyakorlata, példák bemutatásán keresztül. Auxotróf mutánsok izolálása. A mikrobiális túlélőképletek alkalmazása a törzsfejlesztésben. Izotópok és antimetabolitok alkalmazása a törzsfejlesztésben. Karbon és nitrogén katabolit derepresszált mutánsok izolálása. Hő-, és sótűrő mutánsok izolálása. Inhibitorokra érzéketlen mutánsok izolálása. Kettős és többes mutánsok izolálása. Egy adott génterméket túltermelő (overexpressing) mutánsok izolálása. Konstitutív mutánsok izolálása. Revertált mutánsok izolálása. A rekombináns DNS technológia alkalmazása a törzsfejlesztésben, prokarióta és eukarióta mikroorganizmusok példáján. A termék mennyiségének növelésén túli törzsfejlesztő programok (stabil mutánsok, habzást nem gerjesztő mutánsok, morfológiai tulajdonságokban előnyös mutánsok, oxigénhiányt toleráló mutánsok). Az ipari törzsfejlesztő programok felépítése. A mutáns törzsek piaci értéke és jogi védelme. 13.hét: Sterilizálás. A kifejezés mikrobiológiai jelentése, illetve jelentősége a biomérnöki munkavégzés során. A fertőződés biomérnöki értelmezése, sterilitási kritériumok. A tiszta tenyészet befertőződésének következményei és elkerülésének elvi lehetőségei. A fertőzés ellen védett tenyészetek illetve fermentációk jellemzése, példákon keresztül. A sterilizálás folyamatának kinetikája. A hőhatás és a mikroorganizmusok kölcsönhatása, a specifikus pusztulási ráta fogalma. A mikrorganizmusok rendszertani típusai és a sterilizálás hatékonysága. Ugyanazon faj eltérő élettani állapotából eredő következmények. Gőzzel történő sterilizálás. A tápközeg sterilizálása. A Del-faktor levezetése, kiszámítása és értelmezése. A hőmérséklet vs. időtartam kérdése. Folyamatos és szakaszos sterilezés. A sterilezés energiaigénye és költségei. A tápközeg sterilizálása során lejátszódó kémiai reakciók és jelentőségük. Sterilezés termelői léptékben. A reaktor és járulékos részeinek sterilizálása és sterilen tartása. A fermentáció során adagolt tápanyagok sterilizálása. A levegő sterilizálása. Levegőszűrők, filterek. Hőhatással, kémai ágensekkel illetve sugárzással történő sterilezés. A sterilezés folyamatának biztonsági követelményei, és ezek megvalósítása. 14.hét: Oltóanyag (inokulum) előállítása. A fogalom értelmezése. Az optimális inokulum kritériumai. Az inokulumtenyészet és a termelői tenyészet minőségi és mennyiségi összehasonlítása. Többfázisú inokulum. Ipari inokulum-fejlesztő program vázlatos ismertetése. A Lincoln-féle inokulum fejlesztés. Élesztő fermentációk inokuluma: sörgyártásban illetve pékélesztő előállításakor használatos technikák. Bakteriális fermentációk inokulumai: aerob és anaerob folyamatok (Bacillus fajok, ecetsav termelők illetve aceton és butanol termelők) oltóanyagának előállítása. Fonalas prokarióták (Streptomyces fajok) fermentációjának inokulumai. Micéliális gombafermentációk inokulumai: spóráztatási technikák (agarral szilárdított, szilárd fázisú és süllyesztett szubsztrátumon), konidiuminokulumok alkalmazása. Konidiumokat nem képző micéliális gombatenyészetek inokulumai.

6 Az inokulumtenyészet és a termelői fermentáció kapcsolata: morfológiai, fiziológiai, biokémiai hatások. A pelletképződés jelensége, előnyei és hátrányai. Az inokulálás (leoltás) technikai kivitelezése a lombik, a laboratóriumi fermentor, a kísérleti üzemi illetve a termelői léptékű fermentor esetében. II. Félév 1. hét: Bioreaktorok tervezése I. Történeti előzmények. Egy bioreaktor alapvető funkciói és a vele szemben támasztott legfontosabb követelmények. A bioreaktor méreteinek szélső értékei. A fermentortest anyaga, felépítése, méretei és arányai, a fermentor méretének és funkciójának függvényében. A mechanikusan kevert tankreaktor felépítése. Az oszlop-(air-lift) reaktorok típusai, felépítésük, működésük és alkalmazásuk. A Waldhof-típusú fermentor. Acetátorok és kavitátorok. A fluidizált ágyreaktor. A ciklon reaktor. A merülősugaras (deep-jet) reaktor. Fotobioreaktorok felépítése és alkalmazása. Membránfermentorok. Keverőtárcsás reaktorok. A fémtest korróziója, elhárításának lehetőségei. A bioreaktorok hőtana. A fermentor hűtésének illetve fűtésének biológiai okai és technikai lehetőségei. A fűtés illetve a hűtés energiaigénye és ennek becslése. A reaktor hűtésének illetve fűtésének költségvonzata. Steril körülmények fenntartása a bioreaktorban. A sterilizálást követő ráadagolás illetve inokulálás megvalósításának technikai háttere. Szelepek típusai: kapuszelep, gömbszelep, dugószelep, hengerszelep, tűszelep, pillangószelep, labdaszelep, diafragmaszelep, nyomásszabályzó szelep felépítése és alkalmazása. Biztonsági szelepek felépítése, működése és jelentősége. 2.hét: Bioreaktorok tervezése II. Anaerob fermentációk. Az oxigén távoltartásának fontossága és megvalósításának technikai lehetőségei. Aerob fermentációk. A levegőellátás biztosítása. A bioreaktor levegőztetőrendszerének részei. A keverőlapát funkciói és típusai. A Rushtontárcsa. A keverőlapát mérete, arányai, teljesítménye, áramfelvétele és ennek költségtényezői. A keverőlapát-tengely reaktortestbe való beépítésének lehetőségei; a sterilitás és a hatékonyság szempontjai. A keverőlapát meghajtásának géptana. Energiaigény, költségtényezők. Tömítőgyűrűk típusai. A levegő-fúvóka kialakításának elvi háttere és típusai. A fúvóka és a keverőlapát funkcionális kapcsolata. A levegű befúvatását végző kompresszorok általános felépítése, és a biomérnöki gyakorlatban használt speciális típusok ismertetése. Nyomáscsökkentők és kondenzvízcsapdák. A torló fogalma és gyakorlati jelentősége. A torlók elhelyezése a bioreaktorban. A torlók méretarányai. A mintavevő rendszer felépítésének lehetőségei és az elterjedtebb típusok ismertetése. 3.hét: Az oxigénigény és az oxigénellátás mennyiségi kérdései. A glükóz oxidációja és az aerob légzés oxigénigénye. A fermentáció teljes oxigénigénye. Az oxigénigény szénforrásfüggése. A biomassza-koncentráció és az oxigénigény kapcsolata. Az oxigén vízben való oldékonysága, az oldékonyságot növelő illetve csökkentő tényezők. A Henry-törvény. A kritikus oldott oxigén koncentráció fogalma és értelmezése a növekedés illetve a termelés szempontjából. Bioreaktorok oxigénellátásának biztosítása. A léptéknövelés és az oxigénellátás kapcsolata. A rázatott lombik. Az egyesített tömegátviteli koefficiens (Kla) jelentése, értelmezése. A Kla érték becslésének módjai: a szulfit-oxidációs módszer, a statikus illetve dinamikus gassing-out technika, az oxigén-egyensúly módszer. Az egyes módszerek technikai kivitelezése, relatív előnyeik és hátrányaik. A KLa értékét befolyásoló tényezők: a bioreaktor mérete és arányai, a tápfolyadék összetétele, reológiája, a mikroorganizmus morfológiája és élettani állapota, a levegőbefúvatás mértéke, a keverés sebessége, a keverőlapát mérete, elhelyezése és kialakítása. A habzás és a habzásgátlók kapcsolata az oxigéntranszferrel. A KLa és a bioreaktor kevertetés során bekövetkező áramfelvétele közti

7 összefüggések. A kevertetés áramigénye és a fermentáció fizikai paraméterei közötti kapcsolat. A Reynolds-szám és a Froude-szám. A Reynolds-szám függése a bioreaktor típusától. 4.hét: A bioreaktorokban végbemenő folyamatok műszeres kontrollja I. A kontrollált környezet jelentősége a fermentációs folyamat sikerében. A kontroll-rendszer (szabályzókör) alapelemei: a változó, a szenzor, a jelátalakító (transzducer) és a szabályozó. A szabályozás lehetőségei: kézi vezérlés, automatizált vezérlés. Az automatizált vezérlés alapesetei: kétpoziciós szabályzás, proporcionális szabályzás, integrál szabályzás, derivatív szabályzás. Kombinált szabályozási típusok. A fermentáció szempontjából legfontosabb paraméterek: hőmérséklet, kémhatás, kevertetés sebessége, tápközeg oldott oxigéntartalma, a tápközeg redoxpotenciálja, a levegőbeáramlás sebessége, az elmenő levegő gázegyenlege, a bioreaktor áramfelvétele, a reaktoron belüli nyomás, a bioreaktor súlya, a habzás mértéke. A fenti paraméterek mennyiségi meghatározásának okai és elméleti alapjai. Az egyes paraméterek műszeres mérése a biomérnöki gyakorlatban: hőmérséklet mérése. Hőmérők típusai (higanyos, bimetálos, termisztoros, ellenálláson alapuló, termokapcsoló), az egyes típusok előnyei és hátrányai. Szabályzókör a hőmérséklet állandó értéken tartására, a fűtés és a hűtés összehangolása. Hőcserélők típusai és jelentőségük. 5.hét: A bioreaktorokban végbemenő folyamatok műszeres kontrollja II. A levegőáramlás mennyiségi meghatározása: lebegőtestes áramlásmérő (rotaméter), hődrótos áramlásmérő. A levegő áramlását mérő készülékek felépítése és működése. Steril és nem-steril folyadékok áramlásának nyomonkövetése, az áramlási sebesség mérése laboratóriumi illetve termelői léptékű bioreaktorban. A bioreaktorokban fellépő nyomásértékek. A nyomás mérése. A Bourdon-csöves nyomásmérő. Mechanikus és elektromos nyomásérzékelők. Piezoelektromos transzdúcer alkalmazása a nyomásmérésben. Bioreaktorok áramfelvétele. Az áramfelvétel nagyságrendje és mérése a reaktor méretének függvényében. Torziós dinamométer alkalmazása. A keverés sebességének mérése. Tachométerek típusai. A habzás érzékelése és mértékének meghatározása. Habzásérzékelő szenzorok, a habzás kontrollja. Habzásgátlók adagolásának módjai. Mechanikus habzásgátlás (habtörők). A bioreaktor súlyának mérése, az így nyert adat jelentősége. A mérleg felépítése és működése. 6.hét: A bioreaktorokban végbemenő folyamatok műszeres kontrollja III. A fermentlében oldott oxigén mennyiségi meghatározása. Galvanikus és polarográfiás oxigénelektródok. Az oldott oxigén gázfázisba történő kivezetésén alapuló analitikai módszerek. A folyadékban oldott szén-dioxid mennyiségi meghatározása, a szén-dioxid szenzor felépítése és működése. Az elmenő levegő minőségi és mennyiségi analízise. Az oxigén. Paramágneses illetve deflekciós oxigénmérő működési elve és felépítése. A szén-dioxid. Infravörös elnyelésen alapuló készülékek felépítése és működése. Az alkohol mennyiségi meghatározása. Kombinált gázelemző készülékek. Tömegspektrométer alkalmazása az elmenő levegő analízise során. A kémhatás. A fermentlé kémhatásának mérése és szabályozása. Kombinált üvegelektródok alkalmazása. A ph-elektróda nyomással és hőmérséklettel szembeni érzékenységének csökkentése. Az elektróda hőmérséklet hiszterézisének problémája és leküzdése. A kémhatás szabályozásának technikai megvalósítása a bioreaktor méretének tükrében. A redoxpotenciál. A redoxpotenciál mérésének jelentősége és kivitelezése. Ionszelektív elektródok, enzimalapú elektródok. Immobilizált mikroorganizmusokat alkalmazó elektródok és ezek gyakorlati jelentősége. Fluoriméterek alkalmazása a biomérnöki gyakorlatban. A számítógép kitüntetett szerepe a biomérnöki folyamatok műszeres kontrollja során.

8 7.hét: Termékkinyerés a bioreaktorból I. A termékkinyerés munka-és költségvonzata a fermentációs folyamaton belül. A termék lokalizációja, a termék koncentrációja, a termék kémiai és fizikai tulajdonságai, a termék tervezett felhasználása, a termék tisztasági kritériumai, a fermentlében lévő szennyezők, illetve a termék ára, mint a kinyerési technológia kiválasztását befolyásoló alapvető tényezők részletes tárgyalása konkrét példákon keresztül. Extracelluláris termékek kinyerésének folyamata: az elsődleges tisztítás technikai megvalósítása. Szilárd anyagok és a mikroorganizmus sejtjeinek eltávolítása. Szűrés. A szűrési folyamat elméleti alapjai: a Darcy-egyenlet és értelmezése. Filter-típusok a biomérnöki gyakorlatban, folytonos és szakaszos (batch) szűrők. A vákuum dobszűrő felépítése. A centrifugálás folyamata. Centrifuga-típusok ismertetése: kosárcentrifuga, többkamrás centrifuga, dekantáló centrifuga, korongos illetve csöves centrifuga. Az egyes centrifuga-típusok kiválasztásának szempontjai. A mikróbasejtek aggregációja és flokkulációja. Habbal történő elválasztás, a folyamat elméleti háttere és technikai megvalósítása. A termék kicsapása (precipitáció). 8.hét: Termékkinyerés a bioreaktorból II. Intracelluláris termékek kinyerésének folyamata: sejtfeltárás. A sejtfeltárás fizikai-mechanikai lehetőségei: nagy nyomást alkalmazó folyadékhomogenizátorok (Manton-Gaulin homogenizátor), szilárdtest-homogenizátorok (X-press, French-press), forgótárcsás homogenizátorok. Ismétlődő fagyasztást és olvasztást alkalmazó dezintegrátorok. A fenti készülékek felépítésének és működésének részletes ismertetése. A sejtfeltárás kémiai lehetőségei: detergensek alkalmazása, ozmotikus sokk alkalmazása, lúgos illetve enzimes kezelés. Az elsődleges tisztítást követő lépések: frakcionálás. Folyadékfolyadék extrakció alkalmazása termékkinyerésre. Egylépcsős folyadékextrakció. Párhuzamos illetve ellenáramú folyadékextrakciós készülékek felépítése és működése. A Podbielniakextraktor. Az oldószer visszanyerésének módjai. Másodlagos és harmadlagos tisztítási lépések. Adszorpciós, ioncserélő és affinitás-kromatográfia alkalmazása a biomérnöki gyakorlatban. Gélszűrés. Folytonos kromatográfia. Ultraszűrés. Szárítás, kristályosítás. A folyamatokhoz tartozó készülékek működése. A teljes fermentlé tisztítása, a módszer előnyei és hátrányai. A teljes fermentléből történő termékkinyerést könnyítő biomérnöki lehetőségek. 9.hét: A biomérnöki folyamat hulladékainak kezelése. A hulladékanyagok alapvető típusainak ismertetése. A fermentációs-biomérnöki folyamatok hulladékainak jellegzetes tulajdonságai. A hulladékanyagoknak a viz oldott oxigén koncentrációjára gyakorolt hatása. A biológiai oxigénigény és a kémiai oxigénigény fogalma és meghatározása. A két érték arányának jelentősége. Üzemi hulladék-kezelési program tervezése. A tervezés előtt meghatározandó és lemérendő üzemi paraméterek és adatok. A szennyvíz szervesanyagtartalmának jelentősége. A szennyvíz felhasználásának módjai. Aerob szennyvíztisztítás aktivált iszap segítségével. A folyamat áttekintése, fontosabb elemeinek ismertetése. Membrán-bioreaktorok felhasználása aktivált iszap előállítására. Anaerob szennyvíztisztítás. Biogáz előállítás szerves hulladékok konverziójával. Az anaerob lebontás szakaszai: a hidrolitikus, a szintropikus és a metanogén szakaszok mikrobiológiai és technológiai jellemzése. Az UASB és az EGSB-típusú reaktorok felépítése és működése. Az aerob illetve anaerob szennyvíztisztítás jellemzőinek összevetése. Az aktivált iszap teljesítményének fokozása biomérnöki eszközökkel. A víz üzemen belüli újrahasznosítása. A szennyvízkezelő üzemek automatizálása. Szilárd állapotú hulladékok lebontása. Komposztáló üzemek típusai, felépítésük és működésük. Szennyezett talaj kezelése. Gáz állapotú hulladékok lebontása: illékony szerves anyagok kezelése. Illékony szerves anyagok típusai. Adszorpciós megoldások. Biofilterek. A kén és a nitrogén tartalmú anyagok eltávolítása a gáz állapotú hulladékokból.

9 10.hét: Emlőssejt-tenyészetek előállítása bioreaktorban. Történeti áttekintés. Emlőssejttenyészetek gyakorlati felhasználása. Meghatározott élettartamú illetve immortalizált emlőssejtvonalak. A kétféle sejtvonal összehasonlítása, egy normál sejtvonal folytonosan osztódóvá tétele. Az emlős (illetve eukarióta) sejtciklus rövid áttekintése. Az individuális emlőssejtek viselkedése süllyesztett tenyészetben, összehasonlításuk a mikrobiális és növényi sejtekkel. Hibridóma és mielóma sejtek. Glikozilált proteintermelés hibridóma sejtekkel: glikoproteinek felépítésének áttekintése, a cukorrész fehérjéhez kötődésének biológiája, a termékek piaci felhasználása. Az emlőssejt tenyészetek tápközegei, összehasonlítása a mikrobiális tápközegekkel. A glutamin szubsztrátum jelentősége az in vitro emlőssejt tenyészetek anyagcseréjében. Az emlőssejt tenyészetek növekedésének kinetikája, metabolikus rátája és hozamkonstansa. Az emlőssejt tenyészetek növekedésének korlátai: melléktermék-gátlás. Metabolit túltermelés emlőssejtek segítségével. A túltermelő anyagcsere létrehozása. Az emlőssejtek tenyésztésének technikai feltételei, emlőssejt-bioreaktorok felépítése, összehasonlításuk a hagyományos reaktorokkal. A levegőztetés és a keverés technikai megoldásai. Batch, fed-batch, kemosztát és perfúziós tenyészetek az emlőssejttenyésztésben. Léptéknövelés emlőssejt-tenyészetekkel. A termékek kinyerése. Termékhozamok emlőssejt-tenyészetek esetén. Emlőssejt vonalak fejlesztése. A rekombináns DNS-technika alkalmazása az emlőssejteket használó biomérnöki gyakorlatban. 11.hét: Katalízis bioreaktorokban. Definíciók, történeti áttekintés. A biokatalitikus folyamatok és a biológiai katalizátorok csoportosítása, példákon keresztül. A biológiai és a kémiai katalízis összehasonlítása, az előnyök és hátrányok bemutatása példákon keresztül. Az ideális biológiai katalizátor legfontosabb tulajdonságai. A szelektivitás alapvető jelentősége. A biokatalizátor kiválasztása és szelekciója. Egyedi tulajdonságokkal rendelkező biokatalizátorok izolálása. Szelekciós technikák ismertetése. Már alkalmazásban lévő biokatalizátor korábban nem ismert tulajdonságainak leírása, kiaknázása. Léptéknövelés a biokatalizátorok alkalmazásakor. A biokatalizációs folyamat hatékonyságának optimalizálása, jósolhatósága (predikció) és mennyiségi meghatározása. Biokatalizátorok genetikai módosítása. Biokatalizátorok in vivo illetve in vitro létrehozása. In vivo technikák: géntranszfer, kópiaszám-növelés, génfúzió, rekombináció, mutagenezis. A biokatalizátor in vivo genetikai módosításának bemutatása az Escherichia coli baktérium indigó festék bioszintézisének példáján. Protein engineering : alapelvek és gyakorlati példák. A biokatalízis fizikai megvalósulása, a katalízis-reaktor felépítése, típusai, működési alapelvei. 12.hét: Immobilizált enzim-reaktorok. Enzimológiai és enzimkinetikai alapfogalmak áttekintése. Az immobilizáció fogalma és értelmezése. Immobilizálható biokatalizátorok típusai: enzimek, növényi, állati, mikrobiális sejtek. Az immobilizáció előnyei és limitációi. Az immobilizáció hatása az enzimek működésére. Az enzimkonformáció változása a rögzítés során. Sztérikus és tömegátviteli hatások elemzése. Az immobilizáció technikai kivitelezése: keresztkötés két-illetve többfunkciós reagensekkel; a glutáraldehid kitüntetett jelentősége. Szilárd hordozót alkalmazó immobilizáció: felszíni és oldatba szilárdító eljárások. A szilárd hordozók bemutatása, fizikai-kémiai tulajdonságik ismertetése. Mi alapján válasszunk hordozót? lehetőségek és korlátok. Az enzim-hordozó közötti kapcsolat típusai: kovalens kötés, ionos kötés, adszorpció, példák bemutatásával. Az oldatba szilárduló immobilizáció: elméleti alapok és technikai kivitelezés. Többféle enzim illetve sejt párhuzamos immobilizációja. A biokonverziós lépés megvalósítása: a gyakorlatban alkalmazott enzimreaktorok bemutatása. Batch reaktorok, folytonos reaktorok, fluidizált ágy-reaktor, membránreaktor. A biokatalízis és a reakcióközeg kapcsolata. Szerves fázisban, szuperkritikus folyadékokban és gázokban történő biokatalízis: elméleti alapok és technikai kivitelezés.

10 13.hét: A biomérnöki üzletág gazdasági vonatkozásai I. A befektetés. Egy üzem létrehozásának okai. A termék árának és a termelés volumenének meghatározása. Befektetési költségek, működési költségek. Direkt (fix) és indirekt (munkajellegű) befektetési költségek. A befektetési kiadások rész-tételei: földterület beszerzése, a terület előkészítése, termelési eszközök és alkatrészeik, a műszerek és az üzembeállítás költségei, az alvállalkozó díja. A működés felügyeletének költségei, a biztosítás és az adóteher. A működési költségek résztételei: fix rész (a termelés mértékétől független tételek) és változó tételek (a termelés volumenétől függő tételek). A költségek becslése, az egyes tételek becslésének hibahatárai. A termelési folyamat tervezése. A minél nagyobb, annál jobb elv a biomérnöki iparban. A termelői egységek (bioreaktorok) számának és méretének eldöntése. A fermentor tömegátviteli tulajdonságainak jelentősége a költségek tervezésében. A termelési folyamat sztöchiometriája és a költségek. A biomassza hasznosításának anyagi vonatkozásai. A sterilezés és a hőntartás költségei. A termelés költségeinek részletes becslése egy konkrét fermentációs folyamat példáján. Egy biomérnöki üzem kiadásainak fő egységeinek jelenlegi világpiaci árai. A járulékos költségek mértéke Magyarországon. A hulladék-kezelés és a munkaerő költségei. 14.hét: A biomérnöki üzletág gazdasági vonatkozásai II. Az értékesítés. A fermentációsbiomérnöki ipar helye és jelentősége a világgazdaságban és a társadalomban, fejlettsége kontinensenként, országonként, régiónként, kapcsolódása egyéb iparágakkal. Az egészségügyi vonatkozások jelentősége a biomérnöki üzletágban. Szabadalmak jelentősége, generikus termék fogalma. Egy szabadalom benyújtásának alapvető feltételei. Egy biotechnológiai termék piaci sikerének valószínűsége, és a befektetés/ haszon arány mértéke. Összefoglaló termelési statisztikák. A biomérnöki üzletág termékeinek részletes áttekintése: élelmiszer-és mezőgazdasági termékek. Transzgénikus növények és állatok piaca. Rekombináns enzimek alkalmazása az élelmiszeriparban, a keletkezett termékek piaca. A kertészeti biotechnológia termékeinek piaca. Gyógyszeripari termékek. A környezetvédelmi biotechnológia piaci lehetőségei. Egy biotechnológiai-biomérnöki vállalkozás indításának alapvető feltételei. A belevágni vagy sem dilemma eldöntésének kvantitatív módja. Egy induló biotechnológiai vállalkozás (start-up) finanszírozásának elvi lehetőségei. Vállalati stratégia és üzleti terv. A tőzsde és a biotechnológia kapcsolata. Kötelező irodalom: Sevella Béla: Biomérnöki műveletek és folyamatok, Műegyetemi kiadó, 1998 Sevella Béla: Biomérnöki műveletek példatár, Műegyetemi kiadó, 2001 Karaffa Levente, Kozma József, Szentirmai Attila: Fermentációs és biomérnöki műveletek. (egyetemi jegyzet; nyomdai kiadás előkészületben) Ajánlott irodalom: Pirt J.S.: Principles of Microbe and Cell Cultivation. Blackwell Scientific Publications, Oxford, UK, 1975 Stanbury P.F., Whitaker A.: Principles of Fermentation Technology, Pergamon Press, Oxford, UK, 1984