MIKROBIOLOGIA PRZEMYSŁOWA- Wykład ostatni

Podsumowanie procesów przemysłowych

Przemysłowe procesy biosyntezy

Czynniki katalityczne	przykłady
Drobnoustroje	Produkcja Aa, antybiot, polisach, prep paszowe
Kom zwierz	Szczepionki wirusowe, przeciwciała monoklonalne
Kom rośl	Biosynteza Szikoniny i inne elicitory, kwas rozmarynowy
enzymy	Dekstran, glutation, tryptofan

Przemysłowe procesy biotransformacji

drobnoustroje	Biotranformacje steriodod, otrz kw octow, i-sorbozy, kwasu glukonowego
enzymy	Konwersja gluk do frukt, kwasu fumaranow do jablo lub L-asapar, biotransformacja steroidów

Inne procesy przemysłowe

biohydroliza	Enzymy	Hydroliza skrobi, dekstranu, laktozy, aa, wytw soków owoc, ścinanie mleka, hydroliza acetylo-L-aa, hydroliza penicyliny do kwasu 6-aminopenicylinowego, hydroliza rafinozy
Ferment tradycyjna	drobnoustroje	Kwas mlekawoy, etanol, kwas glukonowy
bioługowanie	drobnoustr	Ługowanie minerałów- gł uranu i miedzi
biodegradacja	drobnoustr	Oczyszcz ściek, prod biogazu, biomasy paszowej ze ścieków

Kontrola procesu przemysłowego- aparatura pomiarowa i regulacyjna

Przyrządy do pomiarów parametrów środowiska fermentacyjnego

1. Kontrola parametrów fizycznych:

- temperatura: termometry rtęciowe, termopary, termistory, termometry oporowe

- ciśnienie: manometry membranowe

- moc mieszania: watomierze podłączone do silnika (pomiar przybliżony), czujniki tensometryczne, dynamometry torsyjne

- powstawanie piany: czujniki elektrochemiczne, mechaniczne łamacze piane (odśrodkowe urządzenia odpieniające), dodawanie środków przeciwpieniących (emulsje silikonowe, oleje mineralne)

- natęż przepływu gazów i cieczy: rotametry (położenie pływaka sprzężone z układem regulującym- przetworniki pojemnościowe lub indukcyjne)

-zmętnienie roztworu: pomiary turbidymetryczne, spektrofotometryczne- trudność- wybór próbek reprezentatywnych, osadzanie się skupisk kultur bakteryjnych na czujniku

- lepkość: lepkościomierze (pomiar konduktometryczny)- trudność- mierzona lepkośc zależy od rodzaju metody

1. Kontrola parametrów chemicznych

- pH: elektrody odporne na warunki sterylizacji (osłony zabezpieczające, problem czystości czujnika w czasie długotrwałego stosowania)

- potencjał redoks: elektroda platynowa, regulacja przez dostarczanie gazowych N2 , O2 lub cystyny, kw. Askorbinowego, tioglikolanu sodu

- stęż rozpuszczonych gazów O2 i CO2: odporny na sterylizację czujnik O2- (1) polarograficzny Beckmana (katoda:Au, anoda:Ag), (2) woltametryczny Mackeretha (katoda: Ag, anoda:Pb);

katoda: O2 + 2H2O +4e 4OH-,

anoda: metal metalⁿ⁺ + ne^-

- stęż O2 w gazach wylotowych: analizatory CO2 (podzczerwień), analizatory O2 (czujniki paramagnetyczne, adsorpcja w wodzie)

- poziom prekursora oraz szybkość jego dozowania

- poziom węglowodanów (węgiel) i szybkość dozowania- elektrody enzymatyczne (glukoza)

- poziom białka (azot) i szyb dozowania- elektrody enzymatyczne (mocznik)

- poziom jonów mineralnych (regulatory wzrostu, prekursory): Mg, K, Ca, Na, Fe, SO, PO): elektrody jonoselektywne

- RNA

- DNA

- NAD, NADH: układ NAD/NADH2- metoda fluorometryczna

- ATP, ADP, AMP: analiza enzymatyczna i fluorometryczna

Inne pomiary: pomiar stopnia zmutowania, monitorowanie infekcji

Problemy: sterylizacja czujników, osadzanie się kultur bakteryjnych na czujnikach

Współczynnik oddechowy- miara jednostkowej aktywności komórkowej w bioreaktorze (ile wchodzi O2 i ile wychodzi CO2)

Regulacja bezpośrednia- ciągła obserwacja środowiska fermentacyjnego i reagowanie na jego zmiany, np. oksystaty

Regulacja pośrednia- stabilizacja mediów oraz objętości zawiesiny z aparacie, np. chemostaty

Bioreaktory- urządzenia służące do hodowli drobnoustrojów, kom rośl i zwierzęcych, prowadzenia przemian enzymatycznych (bireaktory enzymatyczne)

Funkcje bioreaktora:

Zapewnienie warunków odpowiednich dla hodowli

Ochrona przed zakażeniem i niekorzystynymi warunkami

Bioreaktory do hodowli wgłębnej:

- beztlenowych: stworzenie warunków beztlenowych, mieszanie nie jest konieczne, zazwyczaj nie powstaje piana

- tlenowych: konieczność doprowadzania i odprowadzania gazu; 3 grupy:

(1) z mieszaniem mechanicznym- rodzaj mieszania zależy od wielkości i geometrii reaktora, lepkości mieszaniny, zapotrzebowania na tlen, rodzaju mikroorganizmów (dla reaktorów >50l prędkość zwykle do 120rpm dla kultur roślinnych i zwierzęcych, dla mikroorganizmów może być szybsza z wyjątkiem grzybów strzępkowych),

(2) z mieszaniem cieczą- ,

(3) z mieszaniem gazem- energia zużywana na sprężanie gazu, kolumny typu air-lift- wykorzystywana jest różnica gęstości cieczy w poszczególnych częściach aparatu- w części wznoszącej sumaryczna gęstość płynu mniejsza niż w części opadającej, 2 typy kolumn: barbotażowa, z półkami sitowymi, zalety mieszania gazowego: prosta konstrukcja bioreaktorów, duża niezawodność, względnie niskie koszty efektywnego napowietrzania

Materiał na bioreaktory: nietoksycznym wytrzymały na sterylizację, odporny na korozję (zazwyczaj stal kwasoodporna)

Bioreaktory z unieruchomionym materiałem biologicznycm

Metody immobilizacji: sorpcyjne, zamykanie w siatce polimeru, zamykanie wewnątrz półprzepuszczalnych membran, tworzenie aglomeratów

Złoże nieruchome

Złoże cyrkulujące

Złoże fluidalne

Czynniki wpływające na efektywność:

- techniki unieruchomienia

- własność nośnika

…

…

…

Bioreaktory membranowe

Membrany półprzepuszcalne oddzielają płyn zaw biokatalizator od strumienia substratu, …….

Zastosowanie: hodowla w łagodnych warunkach, używaneie szczególnie wrażliwego materiału biologicznego (kom rośl, zwi), gdy ze środowiska reakcji trzeba usuwać

metabolizmy hamujące proces

bioreakt fluidalne- problem- dostosow ciężaru wielkości zawieszonych cząstek, napowietrzanie, zmienna lepkość

miniBioreaktory- od 100ml do 0,5l

hodowla ciągła komórek zwierzęcych

Bioreaktory do hodowli nw podłożach stałych- stos do hodowli okresowych, powietrze jako substrat i jako czynnik chłodzący, grubość warstw nie większa niż 6cm, hodowla w grubej warstwie…..

Fotobioreaktory- gł do hodowli kom roślinnych; produkcja astaksantyny, beta-karotenu, optymalizacja natężenia światła, grubośc warstwy do 15cm, źródła wegla: CO2 lub węglany, powolny wzrost, konieczność synchronizacji cyklu z czasem oświetlenia światłem dziennym……

reaktor	Moc kW/m3	Efektywność kgO2/MJ
Klasyczna z mieszadłami barbotażowe	10 2,5	0,08