FERMENTÁCIÓ MŰVELETEI

1. FERMENTÁCIÓ MŰVELETEI • Nyersanyag előkészítés • Tápközeg összeállítása • Sterilezés • Levegőztetés • Elválasztási műveletek

2. A mikroorganizmusok tápanyag szükséglete A mikroorganizmusok olyan tápközegben illetve tápközegen szaporodnak, amely tartalmazza az összes vitális tápanyagot. Prototróf mikroorganizmusok: glükózból minden szükséges összetevőt szintetizálnak Auxotróf mutánsok: A B C Energia forrás: Szénhidrátok (glükóz, keményítő) ATP Szénforrás: glükóz, keményítő, melasz, (cellulóz), etilalkohol, metanol, n-paraffinok Nitrogénforrás: szervetlen: ammóniumsók, nitrátok szerves: 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 …)

3. Ipari fermentáció nyersanyagai I. Laboratóriumi munkánál pontos összetételű tápközegek Ipari fermentációknálkomplex anyagokkal dolgoznak Változó minőség miatt Tápközegek összetételének optimalizálása tápanyag szállítmányoknak megfelelően - adaptáció Szénforrásként használt anyagok: Melaszok szénforrás mellett nitrogén-tartalmú vegyületek vitaminok, 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 olajok Metanol, etanol, alkánok

4. 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

5. Sterilezés • Definíció: mikroba pusztítás mentesítés • Sterilezés: fizikai módszerek: • hő • szűrés • Sugárzás • Dezinficiálás: kémiai sterilezés

6. logN logN0 T° T2 →k2 T1 →k1 Mikrobák hőpusztulása Hőinaktíválódás(80°C felett) tápanyagok (vitaminok) mikrobák Első rendű kinetika T°= konstans N0= kiindulási M koncentráció N = végső M koncentráció t = idő k = pusztulási sebességi állandó k= f(T, M, környezet (pH)) t HŐ, VEGYSZER, SUGÁRZÁS

7. REAKTOROK MIKROBÁK O2 – IGÉNYE O2 ABSZORPCIÓ 3 1 2 Buborék Mikroba 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

8. Levegőszűrés • Elvárás: mikroba- és pormentes • Igény: gyógyszeripar • Kiszerelő, ampullázó • Fermentáció (Be- és kimenő levegő) • Műtők • Mikroelektronikai ipar! Lamnáris box Patogén vagy rekombináns törzseknél

9. N2 L N1 Mélységi szűrők Nominál, nem abszolút szűrők Töltetek: gyapot, üveggyapot, műanyag szál k= szűrési állandó L90: a 90 %-ot visszaartó szűrő hossz. L90 = f(df, no, α, mikroba, v) df: szűrő szál átmérője no: az elemi szál hatékonysága a: térfogat frakció v: légsebesség

10. Kis légsebesség Nagy légsebesség Mélységi szűrők visszatartási mechanizmusai • Ütközés (szűrés) • Diffúzió (Brown-mozgás) • Ülepedés • Elektrosztatikus hatás Áramszünet: v leesik Fertőzés! A bemenő levegő melegítése a nedvesség kondenzációjának megakadályozására!

11. LEVEGŐ Felületi ultraszűrők A membrán pórusmérete uniformizált, kicsi<PARTIKUM Abszolút szűrők • LAPSZŰRŐK (AIBA: ECHO-SZŰRŐ Folyadék szűrők: lapszűrők URETÁN HAB ELŐSZŰRŐ POLIVINIL-ALKOHOL LAPSZŰRŐ Sterilezés: Gőzzel v. Etilén-oxiddal Élettartam min. 1 év

12. MIKROBÁK O2 – IGÉNYE O2 ABSZORPCIÓ REAKTOROK 3 1 2 Reaktorok • Mechanikus keverős bioreaktorok • Levegőztetett bioreaktorok • Cirkulációs,loop (hurok) reaktorok

13. Laboratóriumi fermentor

14. Kevert, levegőztetett fermentorok

15. Keverő nélkülilevegőztetett fermentorok

16. Hurok reaktorok

17. Szaporodás szakaszos tenyészetben A növekedés kifejezhető sejtszám (N) vagy biomassza (x) növekedéssel m=f(S), , dx=mxdt, lnx=mt +C ahol: x = a sejt koncentráció (mg/cm3) t = az inkubációs idő (óra) = fajlagos növekedési sebesség (óra-1) 1. lag fázis 2. gyorsuló szaporodási fázis 3. logaritmikus vagyexponenciális fázis mmax, tgen nincs S limitáció 4. hanyatlú szaporodási fázis 5. Állandósult állapot

18. S Kemosztát rendszer A fajlagos növekedési sebességet a hígítási sebességgel szabályozzák, mivel m=D A hígítási sebesség definiciója:

19. x Folytonos fermentáció kinetikája 1 2 3 4 5 X [g/l] • Ürítés • Mosás • Feltöltés • Felmelegítés • Sterilezés X [g/l] t [óra] t [óra] Produktivitás = meredekség = [g/l*h] F X, S Higítási sebesség: D = F / V [1/h] időegységre eső térfogatcserék száma Anyagmérleg a mikrobatömegre nézve: mikrobatömeg változása = növekedés - elvétel

20. Nyílt Homogén 1 lépcsős 1 fázisú x x x x Heterogén 2 fázisú Zárt több lépcsős - kaszkád X=0 Plug flow R P 100% Folytonos fermentációs rendszerek osztályozása Előny: 5-10-szer nagyobb produktivítás, mint a szakaszos fermentációknál Ipari alkalmazás nagyon általános: etanol, SCP, szennyvíz tisztítás A mikroba, a szubsztrátum és a termék koncentráció homogén a rendszerben Folyadék, szilárd és gáz fázis lehet a rendszerben A mikrobatömeg a rendszerben marad vagy kilép onnan

21. Tenyésztési technológiák összehasonlítása • Szakaszos fermentáció • kis produktivitás • nagy flexibilitás • egyszerű • Folytonos fermentáció • nagy produktivitás • nem flexibilis • egyszerű • a fertőzés és a degeráció problémát okozhat

22. Elválasztási műveletek Extracelluláris, intracelluláris • Sejtfeltárás • Elválasztási műveletek • Szűrés • Ülepítés • Flotálás • Elektrokinetikai • Extrakció • Membrános eljárások • Desztilláció • Csapadékképzés • Kromatográfiás módszerek