A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 FERMENTÁCIÓS FOLYAMATOK ÉS MŰVELETEK
Mi kell egy termelő fermentációs folyamathoz? 2 SS i TÁPANYAGOK TÖRZS BIM-BSc SB 2001 2009 2A STERILEZÉS KEVERÉS ANYAGÁTADÁS 4B 1 OLTÓANYAG 3 REAKTOR 3A KINETIKA 3B Technikák? MÉRÉS 5 ADATOK SZABÁLYOZÁS VEZÉRLÉS MATEMATIKAI MODELL 6 TERMÉK FELDOLGOZÁSI MŰVELETEK 7 LEVEGÕZTETÉS ANYAGÁTADÁS 4A
1) MIKROBA, TÖRZS -izolálás -azonosítás -fenntartás -screening -törzsfejlesztés BIM-BSc 2009 E.coli Saccharomyces cerevisiae Vibrio cholerae Mucor circenelloides Aszexuális gombanövekedés
2) Fermentációs tápoldatok MIKROORGANIZMUSOK TÁPANYAG IGÉNYE BIM2 2002 TERMELŐKÉPESSÉG KÖRNYEZET GENOM Néhány mikroba összetétel összetétel a sejt szárazanyag százalékában Mikroorganizmus C H 0 N S Saccharomyces cerevisiae 45 6,8 30,6 9,0 Methylomonas methanolica 45,9 7,2 14,0 2,6 Penicillium chrysogenum 43 6,9 35,0 8,0
Fermentációs tápoldatok BIM2 2002 C-forrás + N-forrás + O 2 + ásványi sók + +speciális tápanyagok (pl. vitamin) új sejttömeg(δx) + termék(ek) + CO 2 + H 2 O Tápanyag igény Tápoldatok szintetikus félszintetikus természetes alapú dx ds i Δx ΔS dx dt ds dt μ μ x S μ Q x S Y x/s i HOZAMKIFEJEZÉS ÁLTALÁNOSITÁSA
S Z É N F O R R Á S SZÉNDIOXID AUTOTRÓFOK S Z E R V E S HETEROTRÓFOK Szerves anyag fogyasztók KÉMIAI ENERGIAFORRÁS FÉNY BIM2 2002 KEMOORGANOTRÓF FOTOOORGANOTRÓF Legtöbb baktérium,gomba mi Bíbor (nem kén-)baktérium. Néhány eukarióta alga SZERVES SZERVES ELEKTRON...glükóz......glükóz... DONOR KEMOLITOTRÓF H-,S-,Fe- Denitrifikálóbaktériumok SZERVETLEN en.forrás H 2 S, S, S 2 O 2-, 3 H 2, Fe(II), NH 3, NO 2, FOTOLITOTRÓF Zöld növények, eukarióta algák (fényben) Blue/green algák Cianobaktériumok Fotoszint.baktériumok SZERVETLEN H 2 O, H 2 S, S... Nettó szerves anyag termelők ELEKTON DONOR (És mi az elektron akceptor??
NAD
CUKOR KATABOLIZMUS Glikolízis (Embden, Meyerhof Parnas ) legtöbb baktérium Állati és növényi sejtek Citrátkör(Szentgyörgyi-Krebs) CO 2 ADP ATP ADP ATP glükóz G-6-P F-6-P F-1,6-diP (6 C-atom) Gliceraldehid-P (3C-atom) PEP Pyr Ac-CoA ATP ADP ATP ADP 1,3-diP-glicerát 3-P-glicerát 2-P-glicerát 2H 2H 2H Oxálacetát citrát NAD Malát Cis-akonitát 2H Fumarát Szukcinát 2H CO 2 CO 2 i-citrát a-keto-glutarát 2H koenzimq 2*3 CO 2 + 5*2H = C 6 H 12 O 6
Glikolízis Glucose C6 NAD ADP NADH Pyruvate C3 ATP
Egyéb cukor katabolizmus utak Pentóz foszfát út (hexose monophosphate sönt) NADPH termelés,általános növ. és állati sejtekben NADP + NADPH Gl Gl-6P 6-P-glükonát Ribulóz-5P CO 2 ATP ADP NADP+ NADPH Ribóz-5P Xilulóz-5P izomeráz Gliceraldehid-3P Szedoheptulóz-7P epimeráz F-6P transzaldoláz Eritróz-4P 2:1 10,20:1 Gyors lassú növekedés transzketoláz F-6P Gliceraldehid-3P
Entner Doudoroff út Néhány baktériumban -EMP helyett glükóz dehidratáz ATP ADP G-6P aldoláz NADP + NADPH 6P-glükonát H 2 O 2-keto-3-deoxi-6P-glükonát G3P Pyr
Citromsav ciklus Szentgyörgyi-Krebs ciklus Pyr+ CoA+NAD + Piruvát- dehirogenáz Acetil-CoA+ CO 2 + NADH Pyr+ CO 2 + ATP 6 Piruvát- karboxiláz 4 AcCoA glioxilát 6 5 Oxaloacetát+ADP +Pi anaplerotikus
Az oxigén szerepe, légzés FP 2 2e - 1/2O 2 KJ NAD FP 1 KoenzimQ cyt b cyt c cyt a cyt a 3 2H + H 2 O 0,4 NAD 168 84 ATP Q 0,27 V 51,2 kj b ATP c 0,22 V 41,6 kj a ATP 0,53 V 100 kj -0,8 ADP + P i ATP + H 2 O G kcal =30,7 kj a 3
Krebs Cycle (C4-C6 intermediate compounds) NAD NADH Pyruvate 3CO 2 (C3) (C1) Oxidative phosphorylation NADH O 2 ADP NAD H 2 O ATP
Zsírsaval lebontása -oxidáció
Aminosavak mint C/energiaforrások
ANAEROB ANYAGCSERE SZUBSZTRÁT SZINTŰ FOSZFORILEZÉS (GIKOLÍZIS, TCA) NEMCSAK MIKROBÁKBAN: TEJSAV (homolaktikus fementáció
NADH visszaoxidálása egy sor anyagcseretermék, más elektronakceptorok egy sor anyagcseretermék: heterolaktikus fermentáció
1 egy sor anyagcseretermék: anaerob NADH regeneráló anyagcsereutak, végtermékek CO 2 Formiát glicerin R G Trióz-P R TEJSAV H 2 Oxaloacetát Pyr CO 2 AcO R Etanol Borostyánkősav R Szukcinil-CoA AcCoA Acetolaktát Acetoin R Propionsav R Acetoacetil-CoA 2,3-butándiol CoA, CO 2 Propanol Butiril-CoA ACETON R IZOPROPANOL VAJSAV BUTANOL PROPANOL
NADH visszaoxidálása: más elektronakceptorok Energiaforrás Oxidáns Respiráció Példa (redukáló=oxi- (terminális elekt- termékei dálódó vegyület) ron akceptor) *H 2 SO 2-4 H 2 O+S 2- Desulfovibrio *Szerves ve- NO 3- N 2 +CO 2 Denitrifikáló baktérium gyület S 2- + NO 3 - N 2 +elemi S Thiomargarita
BIOSZINTÉZIS Primer anyagcsere TROPOFÁZIS kiegyensúlyozott növekedés balanced growth Szekunder anyagcsere IDIOFÁZIS kiegyensúlyozatlan növ, fenntartás: folyik a primer anyagcsere részben: m á s f e l é
Ac-CoA Citrát, Itakonát Szekunder a.csere termékek Acetil-koenzim-A-ból x3 Mevalonsav(C6) Zsírsavak (olajok, zsírok) PHB Poliketidek CO 2 Izoprén egységek (C5) C 10 x2 Kinonok terpének C 15 C 20 szteroidok giberellinek karotinoidok
1.fázis Fermentációs tápoldatok POLISZAHARIDOK FEHÉRJÉK ZSÍROK AROMÁSOK Hexózok AS glicerin+zsírsav glükóz BIM2 2002 S-HIDRO LÍZIS 2.fázis PYR AcCoA aketoglu- TÁRSAV OXÁL ECETSAV BOROSTYÁN KŐSAV ALAP METABOL. ÁTALAKULÁS 3.fázis TCA OXIDATÍV FOSZFORILEZÉS ENERGIA
Fermentációs tápoldatok BIM2 2002 Ipari táptalajok
3) REAKTOROK
3) REAKTOROK BIM-BSc 2009
3A FERMENTÁCIÓ KINETIKA -> 6) Model A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM-BSc 2009 1=X 0 *2 0 2=X 0 *2 1 n=1 4=X 0 *2 2 n=2 8=X 0 *2 3 n=3 16=X 0 *2 4 BINÁRISAN OSZTÓDÓ MIKROORGANIZMUS. n=4 n:a generációk száma X=X 0 2 n
x t t A mikroba szaporodás alapösszefüggései x 2 g x 2 0 Generációs idő - doubling time generation time 0 n Sejtszám db/ml N, x BIM SB 2001 Sejttömeg: sz.a. mg/ml, g/l,kg/m 3 dx dt.x MONOD, 1942 μ: fajlagos növekedési sebesség 1 dx h -1 x dt
A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 Jacques Monod dx dt.x dn dt. N x x 0 e t N N 0 e t μ és a generációs idő kapcsolata: t g ln2 Ν : fajlagos szaporodási sebesség
A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 x EXPONEN- CIÁLIS FÁZIS LAG SZAKASZ GYORSULÓ NÖVEKE- DÉSI SZAKASZ HANYATLÓ FÁZIS x 0 t
Élő sejtszám hany lg x exp L Gy stac exp pusztulási idő idő
t x A mikroba szaporodás alapösszefüggései x BIM SB 2001 cot ga max x 0 μ t dx dt
A mikroba szaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 MI AZ OKA A HANYATLÓ FÁZISNAK? 1. TÁPANYAG LIMITÁCIÓ 2. TOXIKUS METABOLIT TERMÉK(EK) 3. HELYHIÁNY max MONOD- modell max K S S S max 2 KRITIKUS KONCENTRÁCIÓ FOGALMA LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT K S S kritikus S
~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ A mikrobaszaporodás alapösszefüggései MELYIK S LESZ LIMITÁLÓ S??? BIM SB 2001 max FERM.IDEJE max FERM.IDEJE C-forrás N-forrás K S C S kr C S 0 C K S N S kr N S 0 N max FERM.IDEJE max FERM.IDEJE O 2 VITAMIN-forrás K SO S kr O S O 0 K V S LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT FOGALMA S kr V S 0 V
HOZAM: dx ds -Y A mikrobaszaporodás alapösszefüggései L I M I T Á L Ó S Z U B S Z T R Á T R A x /s x S 1 dx x dt 1 ds x dt dx ds i K I T E R J E S Z T É S -Y x /s i vagy BIM SB 2001 -Y i MINDÍG IGAZ: r x dx dt x Exponenciális és Hanyatló fázisban: r r x S dx dt ds dt - K 1 Y S S S x /S x K S S S x megoldható diffegy.rendszer MONOD-modell egyenletei
MONOD modell-család BIM2 2002 interaktív vagy multiplikatív leírás: additív leírás μ x μ xmax Több limitáló szubsztrát w j (w n 1 K i1 S K j j K S i i μ μ x x μ μ S1 S s1 1 xmax xmax w n K i1 2 S1 S s1 K K 1 Si S si K i S2 S s2 súlyfüggvények 2 S2 S s2 2 w K nem interaktív leírás μ μs vagy μ = μs vagy... μ = μ n K 1 2 Sn sn Sn S sn S S n n )
MONOD modell-család Monod-modell javításai BIM2 2002 Teissier egyenlet - - KS x max 1 e Moser egyenlet -n x max max 1 K S K s S n S n x s -1 Contois egyenlet x max S K x S sx max SZUBSZTRÁT INHIBÍCIÓ r x dx dt as S x max 2 S K i K S x S
Primer acs. termék MONOD modell-család GAEDEN-féle termékképződési típusok BIM2 2002 Szekunder acs. termék x x x P P P Növekedéshez kötött Vegyes típus Növekedéshez nem kötött μ x μ x μ x μ P μ P μ P
MONOD modell-család TERMÉKKÉPZŐDÉS KINETIKAI LEÍRÁSA BIM2 2002 P LUEDEKING PIRET MODELL r P 1 x dp dx a x dt dt dp P a x dt III. I II. tga I: a0 és = 0 növekedéshez kötött termékképzõdés II: a = 0 és 0 növekedéshez nem kötött termékképzõdés III: a0 és 0 vegyes típusú fermentáció. X
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései C-forrás és hasznosulás BIM SB 2001 Mire forditódik a C-forrás? beépülés energiatermelés S S S S x S x C c S x E E Eredő hozam 1 Y x/s 1 Y C 1 Y E szénhozam energiahozam
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései Irjunk fel egy anyagmérleget a beépülő szénre BIM SB 2001 Sejttömeg C-tartalma 0,46-0,5 50% a2x x S c = Y a1sc C a a 1 2 Szubsztrát C-tartalma Glükóz:0,4 Y E 1 Y 1-1 Y C YYC Y - Y C Y E a1 Y. a2 a1 - Y a 2 a 1 Y. a1 - Y. a 2
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései S S S c E BIM SB 2001? NÖVEKEDÉS FENNTARTÁS -maintenance SEJTMOZGÁS OZMOTIKUS MUNKA RENDEZETTSÉG FENNTARTÁSA II.főtétel reszintézis Y E x S S x S E g m
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései BIM SB 2001 1 1 m Fajlagos maintenance Koefficiens Y Y E EG g/gh =h -1 Eredő hozamra: 1 1 1 m 1 Y x/ s 1 1 Y Y c EG m Y Y Y 1 x/ s c EG S Y x /s 1 Y C S 1 Y EG m m 1 1 Y Y c μ EG
MONOD modell-család BIM2 2002 EREDETILEG ÁLLANDÓ Y hozamkonstans, de... 1 1 1 m Y Y Y x/ s C EG x ds dt S x dx dt i S P i dp dt i 1 Y P/S P i i S -
ATP-hozam A mikrobaszaporodás alapösszefüggései Y ATP g/mol x ATP Y Y x/ s ATP/ s g/mol mol/mol BIM SB 2001 Y x/ s M( s) Yx / s 10,5 g/mol (8,3-32) P P/O hányados mol/gatom O Oxidatív foszforilezés hatékonysága: 3/1=3 NADH + H + + 1/2O 2 + 3 ADP + 3 H 3 PO 4 NAD + + 3 ATP + 4 H 2 O Y p s P S Y p x P x
Y H Y kcal A mikrobaszaporodás alapösszefüggései - H x x. x H S. S x Q BIM SB 2001 HŐ(TERMELÉSI)HOZAM SEJTTÖMEG ÉGÉSHŐ SZUBSZTR.ÉGÉSHŐ METABOLIKUS HŐTERMELÉS Ha van termék. RQ respirációs hányados CO O 2 2 dco dt do2 dt 2 q q CO O 2 2 RQ max <>beépülés
ATP 1 Y ATP ATP ATP 1 Y max ATP g m ATP m 1 1 1 m Y Y Y x/ s c EG Y m μ 1 1 1 O beép max O YO YOG 1 Y 1 beép P Y P Y m ( μ 1 1 N beép N YN )
FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA BIM2 2002 Harrison ipari pékélesztő fermentáió: (nagy mennyiség->átlag, melasz) Harrison, Minkevich Eroshin Herbert 0,585 C 12 H 22 O 11 +3,15 O 2 +0,61 NH 3 + + minor Tt. komponensek 100 g élesztő szárazanyag 44,7 g C 6,16 g H 31,2 g 0 8,54 g N 0,54 g S 1,09 g P
Herbert: FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA mólnyi mikrobatömeg definíciója: C a H b O c... (hamu) a=c%/12, b= H%/1, c =O%/16, d=n%/14, stb. BIM2 2002 Harrison élesztőjének képlete ennek alapján: C 3,72 H 6,11 O 1,95 N 0,61 S 0,017 P 0,035 (+hamu) C-mol formula (Herbert) CH 6,11O 1,95N 0,61...vagyis CH1,64O0,52N 0,16... 3,72 3,72 3,72 Mw=? 1 C-molnyi az a mikrobatömeg, amely 1 g-atomnyi (=12,01 g ) C-t tartalmaz. a 2 =~50%
FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA BIM2 2002 C a H b O c... (hamu) C H b/a O c/a... ELŐNYÖK: -a mikrobák C-tartalma a legnagyobb (50%) és a leginkább független a tenyésztési körülményektõl, emiatt - b, c, d változásai csak kismértékben változtatják meg a C-mol képletet, - C-mérleg a legfontosabb. CH p O n N q..(hamu) VALÓDI MÓLTÖMEG: 12 p 16n 14q 1- R ahol: R a hamutartalom (~5%)
FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA Általános szöhiometriai leírás BIM2 2002 AEROB + 1 TERMÉK +CO 2 ------ legegyszerűbb eset CH m O l + a NH 3 + b O 2 y c CH p O n N q + z CH r O s N t + d CO 2 + c H 2 O C 6 H 12 O 6 v. ammónia Ekv. CH 2 O C 2 H 5 OH CH 3 O 0,5 CH 3 OH CH 4 O 14 paraméter 8 Ismert (m, l, p, n, q, r, s, t)
FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA BIM2 2002 CH m O l + a NH 3 + b O 2 y c CH p O n N q + z CH r O s N t + d CO 2 + c H 2 O C-mérleg: H-mérleg: O-mérleg: 1 = y c + z + d % hatásfokok m + 3a = y c p + zr + 2c l + 2b = y c n + zs + c + 2d N-mérleg: a = y c q + zt 14 paraméter 8 ismert 4 egyenlet 2 szükséges mérés : S, x, O 2, CO 2, P, N...
FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA BIM2 2002 + még egy egyenlet!!! elektron egyenérték oxidációs fok available electron equivalent C: +4 CO O: - 2 2 = 0 NH N: - 3 3 = 0 H 2 O = 0 H: +1 CH m O l A C-energiaforrás elektron egyenértéke: s = 4 + m -2l (Jav.) A sejttömeg elektron-egyenértéke A termék elektron-egyenértéke CH p O n N q x = 4 + p -2n - 3q CH r O s N t p = 4 + r - 2s - 3t
FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA BIM2 2002 Szubsztrátra az égetési egyenlet: CH m O l + (4 valamennyi + m -2l)/4 O 2 CO 2 + m/2 H 2 O CH p O n N q + 1/4 x O 2 = CO 2 + 1/2(p - 3q) H 2 O + q NH 3 Tehát az elektron egyenérték (pl.: x ): egy C-mólnyi (szénforrás ) elégetéséhez szükséges oxigén mólok négyszerese
FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA BIM2 2002 Harrison élesztője: CH 1,64 O 0,52 N 0,164 γ X =4+1,64-1,04-0,492=4,1 Candida utilis CH 1,82 O 0,47 N 0,17 γ X =4+1,82-0,94-0,51=4,37 Átlag baci CH 1,58 O 0,283 N 0,195 γ X =4+1,58-0,566-0,585=4,42 x értéke jó közelítéssel gyakorlatilag állandó, mikrobától és tenyésztési körülményektõl függetlenül 4,2±2 %
FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA ELEKTRON MÉRLEG EGYENLET: BIM2 2002 s + b(-4) = y c x + z p 4b s + y c s x + z s p =1 1 A szubsztrátban levő hozzáférhető elektronok 4b/ s = -od része az oxigénre, y c x / s =-ad része az új sejttömegre és z p s =-ed része a termék(ek)-re tevődik át a fermentáció során. Az, és hatásfok jellegű mennyiségek, az elektronok megoszlására utalnak. xi +4b; /s 14 paraméter 8 ismert 4+1 egyenlet Energiát képviseli k, S- >Term.ox
, s s FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA Különbözõ szerves vegyületek moláris égéshője közel arányos azzal az oxigén mennyiséggel, amely az adott vegyület elégetéséhez szükséges. Az átlagérték (becslés) bármely szerves anyagra: Q 0 =112,6 KJ/gekvivalens, HŐMÉRLEG 0, Ox Q y Q z 0, X c x 0, P p Q Q b - 4 0 BIM2 2002 (ld. Köv. tábl.) 1 g-ekvivalens elektronnak oxigén által történő felvétele (az égés folyamata) során Sejt égéshő ennyi hő szabadul fel. HŐMÉRLEG EGYENLET Q 0,S =Q 0,x =Q 0,x =Q 0,p =Q 0 ε + η + ξ =1 termék égéshő Szubsztrát égéshő =entalpia mérleg Aerob Metabolikus hőtermelés x x Anaerob: YH Ykcal
Kísérletes bizonyíték: légzés ~hőterm. HŐTERMELÉS kj/dm 3.h 50 E.coli glükózon C.intermedia melaszon B. subtilis glükózon 25 0.518 kj/mmol metabolikus hőekvivalens= hőtermelés O 20 40 60 LÉGZÉSI SEBESSÉG mmol/dm 3. h
SEJTHOZAM FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA C-mol hozam HOZAMOK g - atom képzõdött sejt szén y C g - atom fogyott szubsztrát szén BIM2 2002 Mw x Y X/S g sejt g szubsztrát y c 12 p 16n 14q 1 1 - R 12 m 16 l Vagy egyszerűbben: Mw S Y X /S y c 12 a 2 a1 12 y c a a 1 2
FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA BIM2 2002 termék z g atom képzõdött termék szén g atom fogyott szubsztrát szén g termék z 12 r 16s 14t P / g szubsztrát 12 m 16l Y S
Y O OXIGÉN FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA Y O c y 12 p 16n 14q c 1- R y c b 1 32b v. Y O y c a 2 12 1 32b BIM2 2002 g/g Ox Y O yc12 a 2 32 s - 4 y c x - z p 1 b - y - z 4 s c x p Elektron egyenértékbő Y O 3 2a 2 x s y - z x c p - y c Ha nincs termék képzés v. <5%: ~termék, elhanyagolható
Y O FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA 3 2α γ x 4,2 és a 2 0,46-0,5 állandók 2 x γ s y - zγ γ x c p - y c Lehet zéró Y O Y O 0,777 1 3 2a 2 x η - s x y y c - y c γ γ c X S Nem lehet 0 v. negatív γ γ S X y η Mikrobára vonatkozó entalpiahozam c BIM2 2002 η0,7 általában 0,7 0,777. 1,8 0,3 Ennél nem valószínű nagyobb oxigén hozam!!! A S-hő legalább 30%-a metabolikus hő () formájában elvész
metán glükóz metanol Y O 4 FERMENTÁCIÓK SZTÖCHIOMETRIAI LEÍRÁSA S Y O 3 2a 2 x s x y c - y c BIM2 Y O monoton nõ Y X/S növekedésével kis C-hozamoknál közel lineáris a kapcsolat minél kisebb S (a szubsztrát elektron-egyenértéke, redukciós foka), vagyis minél nagyobb az oxigéntartalma, annál meredekebben függ Y O az Y X/S -tõl 2 Valóságba n: létezik a C hozamnak elméleti el nem érhetõ maximuma. A szokásos Y X/S hozamra ez a tartomány 0 Y X/S sa a x 1 2, ha s x 1 és 0 Y ha y C tart S / X értékhez, akkor Y O tart a végtelenhez, aminek szemléletes jelentése az, hogy sejttermeléshez egyre kevesebb oxigén szükséges X/S a a 1 2 ha s x 1 0.5 1.0 1.5 Y x/s Lineáris termodinamikailag lehetséges (gyakorlatilag el nem érhetõ) maximális C-hozam.
3B) Fermentációs technikák 1. Szakaszos (Batch) 2. Folytonos (Chemostat) 3. Félfolytonos (Semi conti v. repeated batch) 4. Rátáplálásos (Fed batch) 5. Sejtvisszatartásos (Cell recycle)
Ideális(=Tökéletes) 2. FOLYTONOS FERMENTÁCIÓ BIM SB f P 1 P 2 S F (=S 0 ) S o S,X f 2002 S,X V Friss tápoldat CSTR leerjedt fermentlé sejttömeg: i-edik szubsztrát: P- szivattyú V dx dt V dx - f. x dt dsi V dt fs növekedés i, F - fs i - V Y x / S i dx dt növekedés f V D Higítási sebesség
2. FOLYTONOS FERMENTÁCIÓ BIM SB 2002 f m3 /h D V m 3 h -1 Higítási sebesség Dilution rate Ráta, arány 1 t D h Átlagos tartózkodási idő Mean residence time
dx dt Állandósult állapotban D FOLYTONOS FERMENTÁCIÓ Egy limitáló szubsztrát esetében ( ha a MONOD modell érvényes): x - Dx - Dx max ds dt max K D S S F - S x - Y dx dt 0 K S ds dt S D illetve S = S - D max S K S - D x S = 0 Az állandósult állapot Szükséges és elégséges feltétele μ=d KEMOSZTÁT BIM SB 2002 x D S F - S Y x Y K D S S F - S Y SF - max - D
Herbert et al (1956): 2. FOLYTONOS FERMENTÁCIÓ BIM SB S, x, J S, x t g x x 3 x 2 x 1 J=D.x S 0 S F3 S F2 S F1 2002 S D S0 D kritikus max S K 0 S max D a kemosztát rendszer mindig szubsztrát limitben mûködik KORLÁTOZOTTAN KIEGYENSÚLYOZOTT NÖVEKEDÉS (a hanyatló fázisnak felel meg!!!)
EGYÉB TENYÉSZTÉSI TECHNIKÁK 3. Félfolytonos fermentáció lnxx x max BIM SB 2002 t max x max x mine vagy ln x t x min D av a a t V t x ln x 1 max max min x min t t Félfolytonos r. produktivitása α.v térfogatot fejtünk le J D. x a x ln x max max min x max 3-5 ciklus, l.glükonsavfermentáció
EGYÉB TENYÉSZTÉSI TECHNIKÁK 3b. Turbidosztát elvű folytonos fermentáció BIM SB 2002
EGYÉB TENYÉSZTÉSI TECHNIKÁK BIM SB 2002 x Ln(x) x max t x min dx dt x t x max - x t min Átlaggal oszt = max IS LEHET!!! t 1 dx 1 x 2 x dt x t x x max min x max - x t min
EGYÉB TENYÉSZTÉSI TECHNIKÁK BIM SB 2002 FELHASZNÁLÁSA: KUTATÁS, OPTIMÁLÁS x S 1 S 2 S 3 t 1 t 2 t 3 t
EGYÉB TENYÉSZTÉSI TECHNIKÁK 4. Rátáplálásos (fed batch) szakaszos fermentáció A hanyatló fázis meghosszabbításaként értelmezhetjük a fed batch technikát, állandó, változó vagy periódikus módon friss tápanyago(ka)t adagolunk a rendszerbe, elvétel nincs. *alacsony állandó szintű S koncentráció (élesztőfermentáció, glükóz represszió, Crabtree effektus), *magas állandó S koncentráció (citromsav fermentáció) *prekurzor folyamatos adagolása (penicillin: fenilecetsav, triptofán:indol) ph szabályozás!! Változó térfogat, f(t): állandó, idõfüggő, folytonos, periódikus
dv dt EGYÉB TENYÉSZTÉSI TECHNIKÁK f t VÁLTOZÓK D t f t V t BIM SB 2002 dx dt dx dt 1 V V x - 1. V D V. x - D x ds dt x X V Tört fg. Deriv. Kvázi állandósult állapot 1 S Sbe - SD - Y K S x max S μ=d V dx - X dv dt dt 2 V S dx dt d Vx dt DK max 1 V S dx dt D x Y S - S be - - 1 V Vx D.X
Állandó betáppal: EGYÉB TENYÉSZTÉSI TECHNIKÁK dv dt V t 0 V 0 f dv f dt V V ft 0 BIM SB 2002 A teljes sejttömeg lineárisan nő X Vx V x f x t x fys t 0 0 be d dt dd dt d V fb f f t dt - t fb 1-2 t V fb 0,5-0,6 V total V vége 0,7-0,85 V total
4A) Az oxigén szerepe, légzés, levegőztetés Az oxigén is lehet limitáló szubsztrát A mikrobák oxigénigényét két módon lehet megadni: 1. légzési sebesség = Q Q max = max /Y O dc dt mmol O 2 / dm 3.h, kg O 2 / m 3.h Q Q max 2. fajlagos légzési sebesség elsőrendű kinetika nulladrendű kinetika Az oxigén Q dc 1 x dt h -1 nem limitál Q Q c max K O 2 K O2 C kr C KRITIKUS OXIGÉN KONCENTRÁCIÓ 0,1-1 mg/dm 3
levegőztetés2 A levegőztetés technikai megvalósítása BIM2 2002 KEVERÕMÛ LEVEGŐELOSZTÓ levegőztetett kevert/levegőztetett
Oxigén átadás buborékból levegőztetés2 BIM2 2002 1.A gázbuborék főtömegéből diffúzió a gáz/folyadék határfelületre. 1/k g ellenállás k l g k g "vezetõképesség (anyagátadási tényező) C 2.diffúzió a l vastagságú O a gázbuborékot burkoló 2 stagnáló folyadékfilmen át. k g Ellenállása 1/k l, vezetőképessége k l l anyagátadási együttható. 3. Folyadék fõtömege szintén ellenállást képvisel. Konvekció, de... 4.Mikrobákat körülvevő folyadékfilm. Oxigén felvétel mechanizmusa, egy folyadék filmen keresztül történő diffúzióval kezdõdik, majd 5. folytatódik a mikroba vagy mikrobatömeg (flokkulum) vagy mikroba telep (pellet) belsejébe történő diffúzív oxigén transzporttal. 6. Ellenállásként tekinthetjük az oxigén hasznosulás "reakció ellenállását" is: a mikroba légzése is idõben bizonyos sebességgel jellemezhetõ folyamat. mikroba flokkulum gomba pellet egyedi sejt
dc dt K a C - L * C K L - az eredő folyadékoldali tömegátadási tényező cm.s -1 a - térfogategységre jutó anyagátadási felület cm 2.cm -3 = cm -1 K L a - eredő folyadékoldali (térfogati)oxigénabszorpciós együtthatós -1 ( h -1 ). C* - telítési oxigén koncentráció (mg/dm 3 ) C - az aktuális oldott oxigén koncentráció (mg/dm 3 ) C 0 C dc * - d ln(c - C) K * La. dt C - C 0 t 0 C C * dc dt K L a.c * C C * 1- e -K L a. t t t
OLDÓDÁSI SEBESSÉG FOGYASZTÁSI SEBESSÉG BIM2 2002 mindíg dc dt dc dt K a C - C - xq L 0 és KLa C - C xq * * egyensúlyi C 100% 100% C * C * 1 2 3 min 10 20 óra
dc dt levegőztetés2 K a C - C - xq L * BIM2 2002 Mitől függ és hogyan a telítési oxigén koncentráció, C*? Mitől függ és hogyan a K L? Mitől függ és hogyan az a? Mitől függ és hogyan a K l a?
A telítési oxigén koncentráció függése a tenyésztési körülményektõl 1. PARCIÁLIS NYOMÁS - Henry törvény : C * 1 H p O2 2. HŐMÉRSÉKLET : Cl-Cl d lnh 1 d T G R lg * Cl-Cl egyenlet közelítő megoldása 3. TÁPOLDAT ÖSSZETÉTELÉTŐL VALÓ FÜGGÉS C 0 2 C H I * i i Ii 0, 5c izi lg * C C i * o szerv C * kc A B t szerv
MIVEL NÖVELHETŐ levegőztetés2 C* ÉRTÉKE? BIM2 2002 ÖSSZNYOMÁS p O 2 GÁZÖSSZETÉTEL TISZTA OXIGÉN HŐMÉRSÉKLET TÁPOLDATÖSSZETÉTEL
MIVEL NÖVELHETŐ k l ÉRTÉKE? KEVERÕMÛ BIM2 2002 Nem kevert reaktorok Kevert reaktorok LEVEGÕELOSZTÓ d b 0 z dc dt -D O 2 C z z0 Fick-törvény a diffúzióra dc/dt= k L (C*- C). Oxigén fluxus (egységnyi felületre jutó aátad seb.)
dc dt MIVEL NÖVELHETŐ C -DO 2 z z0 k l ÉRTÉKE? dc/dt= k L (C*- C). BIM2 2002 megoldhatatlan diff. Egy. Megoldás közelítéséhez dimenziómentes forma: dimenziómentes tömegátadási koefficiens Sherwood-szám Sh kl - D * O2 C kldb 1 C - D - C z O 2 C 1 - C 1 z0 C Sh = g(sc,gr) C z C C * és z = z Megoldás alakja: d b z0 d b buborék átmérő f z, Sh, Sc, Gr
Definíció, értelmezés Általános Oxigénátadáshoz REYNOLDS-SZÁM PECLET-SZÁM (=Bs) SCHMIDT-SZÁM FROUDE-SZÁM MIVEL NÖVELHETŐ Re Pe Sc Fr tehetetlenségi erõk belsõ súrlódási (viszkózus) erõk konvektív komponenesáram konduktív komponensáram momentum diffuzivitás tömeg diffuzivitás centrifugális erõ gravitációs erõ k l ÉRTÉKE? összefüggés dv dv D D 2 v gl használt alak BIM2 2002 d b v b l l dbv b D l O 2 l D O2 GRASHOF-SZÁM (Archimédesz-szám) SHERWOOD-SZÁM (dimenziómentes anyagátadási tényezõ) Gr Sh felhajtóerõ belsõ súrlódási erõ buborékátmérõ filmátmérõ 3 d g kd D 3 d g - l l g 2 2 l b k l d D b O 2
2. CALDERBANK és MOO-YOUNG A legtöbb laboratóriumi és ipari levegőztetett reaktorban a buborékok csoportokban, fürtökben mozognak fel vagy/és le, a buborékok egymással is kölcsönhatásban vannak (hatnak egymás mozgására. ((egyenként, egymástól függetlenül felszálló buborékok esete a valóságban ritka)) Sh MIVEL NÖVELHETŐ kld D d b 2,5 mm O 2 b 1 1 3 0, 31Gr 3Sc Sh hidrofil anyagok kicsiny kyukak (szinterezett, buborékkolonnák) k l ÉRTÉKE? d b >2,5 mm k Ld D O 2 b tiszta víz szitatányér 1 0, 42Gr 3Sc 1 2 BIM2 2002 Mi a minőségi különbség a kis és nagy buborékok között?
MIVEL NÖVELHETŐ a ÉRTÉKE? BIM2 2002 GÁZVISSZATARTÁS= Hold up = GÁZTÉRFOGAT ÖSSZTÉRFOGAT a H 6 0 db Nagyobb felület, ha keverjük Hosszabb út ha keverjük
MIVEL NÖVELHETŐ a ÉRTÉKE? BIM2 2002 A keverés szerepe, funkciói: -energiabevitel a folyadékba MOZGATÁS HŐ P/V K L a -a levegőztető gáz diszpergálása a folyadékban -a gáz- és folyadékfázis elválasztása BUBORÉKKÉPZÉS, ANYAGÁTADÁS FORDÍTOTT A.ÁTADÁS CO 2 -a fermentlé oldott és nem oldott komponenseinek jó elkeverése ÁLTALÁNOS KEVEREDÉSI FUNKCIÓ szubsztrátok, termékek...
LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002
LEVEGŐZTETÉS 3 BIM2 2002
4B) KEVERÉS BIM2 2002 állandó geometriájú bioreaktorra 5 m P AD N 3 Re Fr i n teljesítményszám (Ne=Newton-szám vagy Eu=Euler-szám) : N P P A Re D N 5 i 3 m Fr n
KEVERÉS LEVEGŐZTETÉSSEL P csökken BIM2 2002 Na látszólagos felületi(lineáris) légsebesség keverő ker ületi sebessége 3 F m / s 2 Di 2 m 4 ND m / s i F ND 3 i Jó g/f diszperzió rossz g/f diszperzió Pg f ( Na ) P 0,25-0,4 P g /P flooding elárasztás LEVEGÕZTETÉSI SZÁM*10 2 Q/ND i 3
4B) KEVERÉS BIM2 2002 K a L P g V 0, 4 v 0, 4 0, 5 s N labor fermentorokra K a L P g V a 0, 5 s v N általánosan a mérettől függő állandók, 0,3 0,95 0,5067
5) MÉRÉS SZABÁLYZÁS 1) Online DO, ph, T C, rpm, Base, Acid, Antifoam 2) Offline X,S,P,
2A) STERILEZÉS Csíramentesítés, pusztítás ill növ. gátlás módszerei : Fizikai mechanikai módszerek: szűrés, elektromágneses besugárzás: UV, röntgen, gammasugár hőhatás. Kémiai módszerek: dezinficiálás Mikrobák hőpusztulásának törvényszerűségei
BIM SB 2008 STERILEZÉS - a hőérzékenység függ a mikroba fajtájától - vegetatív sejtek sokkal érzékenyebbek a hőhatásra, mint a kondenzált létformájú"(csökkent szabad víztartalmú) baktériumspórák -a hőérzékenység még adott spéciesz esetén is több tényezőtől függ: a sejt előéletétől, korától (így az exponenciális növekedési fázis sejtjei érzékenyebbek a stacionárius fázis sejtjeinél) -valamennyi sejt szenzitívebb nedves hővel szemben, mint száraz hővel szemben -a hőérzékenység (a hőpusztulás) nő a hőmérséklet emelkedésével, -a hőérzékénység függ a mikrobasejtet hordozó közegtől tápoldat ph-jától, viszkozitásától, ozmózis nyomásától, védőanyagok jelénlététől, edény falától
BIM SB 2008 STERILEZÉS HŐPUSZTULÁS KINETIKÁJA ÁLLANDÓ HŐMÉRSÉKLETEN dn dt -kn N élő csíraszám [db/cm 3 k hõpusztulási sebességi állandó [min -1. ln N N 0 -kt N dn N t = dlnn kdt N N - N 0 0 0 N N e-kt 0
N o N (N/N o ) 1 MÓDSZER k meghatározására 10-1 10-2 10-3 a tga=k t t
BIM SB 2008 STERILEZÉS MITŐL FÜGG k? Mikroba...fajta és forma Közeg hőmérséklet
BIM SB 2008 STERILEZÉS A hőpusztulás valószínűségi értelmezése Kinetikai leírás ha N o 1 JÓ! Ha nem, egyre rosszabb!!! EZ IS sztohasztikus folyamat, Definíció: egy csíra élettartama alatt azt az adott hőfokon értelmezett időtartamot értjük, amely alatt a csíra még életben marad. populáció átlagélettartama N 0 élő csírák kezdeti száma N i a t i élettartamú csírák száma - t 1 N 0 N i t i i1 Life span Átlagos hőpusztulási sebességi állandó 1 t k
BIM SB 2008 STERILEZÉS Ha a hőmérséklet mindenütt azonos, növekedés nincs, az egyes csírák sorsa független a többi csíráétól. annak valsége, hogy adott t időpontban a túlélők száma éppen N (ahol N= 0,1,2,...No), binomális eloszlást követ: P t n N N - 0 - pt 1 pt 0 N N N pt e -kt annak a valsége, hogy egy csíra az adott t idõpontban még túlélő P N t N! N N!N! e N 0 kt 1 e N -N - -kt - - 0 0
BIM SB 2008 P N t N! N N!N! e N 0 kt 1 e N -N - -kt - - 0 STERILEZÉS 0 Mi annak a valsége, hogy valamennyi mikrobasejt elpusztult egy t időpontban? kt P t 1- e - < 1 0 Mindíg 0-nál nagyobb annak a valószínűsége, hogy legalább egy túlélő csíra marad: N 0 kt - - - 1- P t 1 1 e > 0 0 N 0 Sterilezésnél N 0 >>1 1- P 0 t 1- e -N amelyben N = N 0 e -kt. 1- e -N - kt 0e - N 0 e e -x ~ 1-x+...sorfejtés szerint kt
BIM SB 2008 STERILEZÉS Mit jelent tehát a sterilezés biztonsága? Pl.: 99,9% P 0 (t)=0,999 1-P0(t)=0,001=10-3 Annak valsége, hogy a sterilezés nem sikerült, azaz maradt (legalább 1 túlélő:10-3 ) Annak valsége, hogy a sterilezés sikerült, azaz nem maradt 1 túlélő sem :0,999 Minden ezredik sterilezésnél megengedett egy sikertelen sterilezés Valószínűleg ezer sterilezésből egy nem sikerül Sterilezés után a rendszerben maradt élő csírák száma (db)
BIM SB 2008 Hőpenetrációs görbe STERILEZÉS Összemérhető szakaszok! 120-130 o C 20-25 o C fermentáció hõmérséklete t 1 t 2 t v MÉRETFÜGGŐ
BIM SB 2008 STERILEZÉS hőpusztulás a fűtés alatt: ln N 0 N 1 t 1 kdt 0 fûtés hőpusztulás a hőntartás alatt: ln N 1 k N tartás. t 2 - t 1 tartás 2 hőpusztulás a hűtési szakasz alatt: ln N 2 Nv tv t 2 kdt hûtés fûtés tartás hûtés ln N N 0 v 0 1 2 0 1 ln N N N ln N ln N N N N N N 1 2 v 1 2 ln N N 2 v Például: 0,20 0,75 0,05
BIM SB 2008 STERILEZÉS Fermentációs tápoldatok folytonos sterilezése Fermentor méret határ Kihasználtság: (kg termék/fermentor m 3.év). Folytonos művelet előnyei: -nagyobb hőmérsékleten (135-150 o C) végezhető -a rövidebb idejű sterilezés -sterilezés biztonsága nő, egyenletes: st-st-ben működik -kisebb a tápoldat komponensek hőbomlása -nem kell keverni a st. alatt (nem lev. kev telj. nagyobb) -fehérjéket, cukrokat külön lehet sterilezni és keverőtartályban egyesíteni -a folytonos folyamat reprodukálható, -egyforma minőségű steril tápoldatot szolgáltat ez növeli a fermentációs hozamot, -a folytonos sterilező berendezések, a művelet könnyen szabályozható, automatizálható.
BIM SB 2008 STERILEZÉS LEMEZES HŐCSERÉLŐS steril tápoldat elõhûtés gõz tartási szakasz hûtés felfûtés o C elõmelegités tápoldat 2-3 min 20s 20s idõ
csőcsatlakozások összeszerelt lemezes hőcserélő lemezek zárólemez
BIM SB 2008 STERILEZÉS SPIRÁLHŐCSERÉLŐ
Különböző spirális hőcsrélők BE ki KI Spirális hőcserélő modellje és a szétszerelt modell
BIM SB 2008 STERILEZÉS
BIM SB 2008 STERILEZÉS FORRÓ PONTOK ALSÓMEGHAJTÁS KEVERŐ TENGELY TÖMÍTÉS ELEKTRÓDOK
BIM SB 2008 FORRÓ PONTOK FELSŐMEGHAJTÁS LEVEGŐSZŰRŐ STERILEZÉS KEVERŐ TENG. TÖMÍTÉS LEVEGŐ EL SAV,LÚG,HBG INOKULUM AEROSOL MINTAVEVŐ ÜRÍTÉS
SB A gőzsterilezés alapjai jól ismertek, de egy aktuális, jól működő rendszert 2008 megtervezni mégis nagy kihívás 30 év, W.D.Wise (Eli Lilly), ChemicalProcessing.com Mit tegyünk? -légtelenítés (telített gőz!), a levegő higítja a gőzt, légzsákok pre-vákuum ciklusok:csövekből, porózus alkatrészekből, vattadugó, géz BIM -minden alacsonyan lévő ponthoz kondenzedény, v. k-lefúvató. csövek a legalacsonyabb pont felé lejtsenek, hőmérők az alacsony pontokra -A túlnyomás nem elég: ha lyuk van pl. steril levegővezetékben, be fog fertőződni ( Venturi effektus beszívja a nem st. levegőt) -St után, ellennyomás st.levegővel vákuum elkerülésére (gőz kondenzál vákuum!) --Könnyen tisztítható kivitelek Mit ne tegyünk? -Légzsákok 6D szabály, ma inkább 2,5D a mérvadó -Ne használjunk közös elvezető csöveket -Ne legyen stagnáló felső szakasz
gőz lefúvató gőz gőz szűrőház szűrőelem levegő gőz be Steril levegő levegő kondenz kondenzátum
LÉPTÉKNÖVELÉS 1) A kisléptékű M(odell) rendszertől a nagyléptékű P(rodukciós, termelő) rendszer kialakításáig vezető folyamat a léptéknövelés (scale up). 2) DE: termelő méretek tényleges növekedése! Nagy léptékben történő kísérletezés nagy gazdasági kockázata. léptékcsökkentés (scale down) P működését szimuláljuk M rendszerben BIM2 2002 Fenntartható fejlődés =lépték növelés M P P M
LÉPTÉKNÖVELÉS MI A GOND??? BIM2 2002 HÁROMFÉLE leíró TULAJDONSÁG CSOPORT -termodinamikai viselkedés ( gázok oldhatósága egy adott összetételû tápoldatban) -mikrokinetikai viselkedés: a (mikroba)sejt közvetlen környezetében levő tápanyag- és anyagcsere termékek koncentrációja MÉRETFÜGGETLEN MÉRETFÜGGŐ -transzport jelenségek (hőátadás, anyagátadás, momentum transzport). SEBESSÉGMEGHATÁROZÓ LÉPÉS KONCEPCIÓ Időállandók [1/idő] k 1, k 2, K l a,... =characteristic time
LÉPTÉKNÖVELÉS BIM2 2002 transzport jelenségek - időállandók KONVEKCIÓ - szállítás t k L v hossz... sebesség... t k L v KONDUKCIÓ vezetés (diffúzió, diszperzió) O 2 - átadás t k 2 L D Diff.áll. t k 2 L D 2???
LÉPTÉKNÖVELÉS BIM2 2002 SEBESSÉGMEGHATÁROZÓ LÉPÉS KONCEPCIÓ M P Rendszerint folyamat-kinetika függő = a reakciók időállandói a legnagyobbak. REAKCIÓREZSIM = MAKROKINETIK A mikrokinetika Rendszerint folyamat transzport függő = az átadási folyamatok időállandói a legnagyobbak. TRANSZPORT REZSIM + transzport
LÉPTÉKNÖVELÉS BIM2 2002 + BIOLÓGIAI TULAJDONSÁGOK: NÖVEKEDÉS,ADAPTÁCIÓ,MORFOLÓGIA HALÁL, NYÍRÁSÉRZÉKENYSÉG LÉPTÉKNÖVELÉS ELMÉLETI LÉPÉSEI: 1 *KÍSÉRLETEK M RENDSZERBEN SZÉLES KÖRNYEZETI FELTÉTE TARTOMÁNYBAN (S i, C, ph, T, nyírósebesség,...) Labor és pilot plant-ban FUNDAMENTÁLIS *OPTIMUM TARTOMÁNY KIJELÖLÉSE MIKROKINETIKA *KIGÉSZÍTÉS TRANSZPORT EGYENLETEKKEL *MAKROKINETIKAI EGYENLETEK MEGOLDÁSA
LÉPTÉKNÖVELÉS BIM2 2002 1 -LEGEGYSZERŰBB HIDRODINAMIKAI FELTÉTELEK MELLETT IS MEGOLDHATATLANOK AZ EGYENLETEK -AZ EREDMÉNYEK GYAKRAN ELLENTMONDÁSOSAK 2 SZEMI-FUNDAMENTÁLIS MÓDSZER engedményeket tesznek (pl.: idealizált rsz.) a mérleg egyenletek felírásánál. Egyszerűbb, kezelhetőbb alakokat használnak fel. reaktortechnika ismert modelljei (CSTR, PFR, diszperziós modell, sorbakapcsolt kevert reaktor modell, RTD-függvények stb.)
LÉPTÉKNÖVELÉS BIM2 2002 3 Dimenzionál analízis. DIMENZIÓMENTES CSOPORTOK ÁLLANDÓ ÉRTÉKEN TARTÁSA Időállandókat rejtenek 4 TAPASZTALATI SZABÁLYOK (rules of thumb) A 2. és 4. módszerek a léptéknövelés helyes tartományaira (nagyságrend) adnak felvilágosítást. A felsorolt módszerek egyikét sem alkalmazzák kizárólagosan, a "tudományos" módszereket (2,3) általában kombinálják a tapasztalati szabályok felhasználásával.
LÉPTÉKNÖVELÉS BIM2 2002 milyen paramétereket válasszunk léptéknövelési kritériumként (idem-ként)? kötelezők: lényeges környezeti paraméterek ( O C, S, ph...) leggyakrabban idemként választott paraméterek: + K L a - ahol az oxigénátadás szerepe kitűntetett (ez a leggyakoribb). Keverősebesség - nyírásra érzékeny, nem nagy oxigénigényű fermentációknál (pl. állati szövettenyésztés). P/V - az egységnyi térfogatba bevitt keverő energia a jó g/f diszperzióért felelős, ezen keresztül K L a-t határozza meg. Keveredési idő - mind az oxigénellátottságra, mind a makrokinetikára 3 (szubsztrát felvétel, ingrediensekelkeveredése, ND i hőátadás) hatással van. Keverő léforgatási teljesítmény - ( ) - összefügg a keveredési idövel. Re-szám. Ideális: ha mindet idemként Reális:ezt nem lehet, miért?
KÉRDÉSEK 1. Írja föl a Monod modell egyenleteit! 2. Hányféle termékképzési folyamatot ír le a Lüdecking Piret model? Melyeket? 3. Soroljon föl 5 tanult bioreaktor alkatrészt! 4. Mi a limitáló szubsztrát? 5. Mire fordítódik a felvett C/E forrás? 6. Mi az a fenntartás? Miért kell figyelembe venni? 7. Mi az a szénmól? Írjon példát is! 8. Mi a különbség a korlátozott és a korlátlanul kiegyensúlyozott növekedés között? 9. Hogy működik a turbidosztat fermentáció? Mire jó? 10. Mit jelent az egyensúlyi oldott oxigén koncentráció? 11. Mi az a C*? Mitől és hogyan függ? 12. Mi az a levegőztetési szám? 13. Mi az a sterilitási kritérium? 14. Rajzoljon föl egy szakaszos hőpenetrációs görbét! 15. Mik azok a forró pontok? Mutasson be 3-at!