A mikroba szaporodás alapösszefüggései

(1)

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

FERMENTÁCIÓS FOLYAMATOK ÉS MŰVELETEK

(2)

BIM SB 2001 BIM SB

2001 TÖRZS

OLTÓANYAG

1 S S

_i ^TÁPANYAGOK

2 ? ?

REAKTOR

3

STERILEZÉS

2A

KEVERÉS

ANYAGÁTADÁS

4A

LEVEGÕZTETÉS

ANYAGÁTADÁS

4B

MÉRÉS

SZABÁLYOZÁS VEZÉRLÉS

5

ADATOK MATEMATIKAI

MODELL

6

TERMÉK FELDOLGOZÁSI MŰVELETEK

7 Mi kell egy termelő fermentációs folyamathoz?

(3)

BIM2 2004 Fermentációs tápoldatok

MIKROORGANIZMUSOK TÁPANYAG IGÉNYE

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

(4)

C-forrás + N-forrás + O

₂

+ ásványi sók +

+speciális tápanyagok (pl. vitamin)

®

®új sejttömeg(ΔX) + termék(ek) + CO

₂

+ H

₂

O

Tápoldatok szintetikus félszintetikus

természetes alapú Tápanyag igény

(5)

E táptalaj 30 g/dm³ Candida utilis élesztő elõállítására alkalmas szakaszos tenyészetben

g/dm3 Hozam

C-forrás : metanol 60 0,5

vagy etanol 40 0,75

vagy glükóz 60 0.5*

vagy hexadekán 30 1,0**

N-forrás: (NH₄)₂SO₄ 12 P-forrás KH₂PO₄ 1,3

MgSO₄ 1,5

Elemnyomok: Cu, Co, Fe, Ca, Zn, Mo, Mn 10-4 mol/dm3 mennyiségben.

*jellemzõ érték szénhidrátokra (glükóz, keményítő, cellulóz stb.)

**jellemző érték telített szénhidrogénekre (n-paraffinok) szintetikus

(6)

Félszintetikus tt. gomba eredetű proteáz termelésére

Kukoricakeményítő 30g/dm³

Kukoricalekvár 5

Szójaliszt 10

Kazein 12

Zselatin 5

Szeszmoslék por 5

KH₂PO₄ 2,4

NaNO₃ 1

NH4C1 1

FeSO₄ 0,01

(7)

természetes alapú tt. baktériumok eltartására

húskivonat (BACTO BEEF EXTRACT) 10g/dm³

pepton (BACTO PEPTONE) 10

élesztõkivonat (BACTO YEAST EXTRACT) 5

NaCl 1

agar 20

(8)

Ipari táptalajok

(9)

Összetevő mg/dm³

Ásványi anyagok

NH₄NO₃ 1650

KNO₃ 1900

CaCl₂.2H₂O 440 MgSO₄.7H₂O 370

KH₂PO₄ 170

Na₂-EDTA 37,3 FeSO₄ .7 H₂O 27,8

H₃BO₃ 6,2

Mn SO₄ .4H₂O 22,3 Zn SO₄ .4H₂O 8,6 KI 0,83 Na₂MoO₄ 2H₂O 0,25 Cu SO₄ .5H₂O 0.025 CoCl₂ 6H₂O 0,025

Összetevő mg/dm³

Szerves összetevők

Szaharóz 30.000 Agar 10.000 Glicin 2 Indolecetsav 1-30 Kinetin 0,04-10 myo-inozit 1

Nikotinsav.HCl 0,5 Piridoxin.HCl 0,5 Tiamin.HCl 0,1 MURASHIGE-SKOOG (1962) tápoldat növényi sejtek szuszpenziós és kallusz kultúrájához

(10)

ÖSSZETEVŐK mg/dm³ L-aminosavak

arginin 105

cisztine 24

glutamin 292

hisztidin 31

izoleucin 52

leucin 52

lizin 58

metionin 15

fenilalanin 32

treonin 48

triptofán 10

tirozin 36

valin 46

Szénhidrátok glükóz 1000

Szérum 5-10% ÖSSZETEVŐK mg/dm³ Vitaminok kolin 1

fólsav 1

inozit 2

nikotinamid 1

pantoténsav 1

piridoxin 1

riboflavin 0,1 tiamin 1

Ásványi sók NaCl 6.800 KCl 400

CaCl₂ 200 MgCl₂.6H₂O 200

NaH₂PO₄.2H₂O 150

NaHCO₃ 2.000

EAGLE tápoldat állati sejtek tenyésztésére

(11)

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

BINÁRISAN OSZTÓDÓ MIKROORGANIZMUS

1=X₀*2⁰

2=X₀*2¹

4=X₀*2²

8=X₀*2³

16=X₀*2⁴

n=1

n=2

n=3

n=4

n:a generációk száma

. .

X=X₀2ⁿ

(12)

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

t

g

n = t

a generációk száma

Generációs idő - doubling time generation time

N, x

Sejtszám db/ml

Sejttömeg: sz.a.

mg/ml, g/l,kg/m³

n 0

t t

0

2 x 2

x

x =

^g

=

MONOD, 1942

x dt .

dx = m

μ: fajlagos növekedési sebesség

(13)

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

x dt .

dx = m . N

dt

dN = n

Ν : fajlagos szaporodási sebesség

t 0 e x

x = ^m N = N ₀ e ⁿ ^t

μ és a generációs idő kapcsolata:

= ln m 2 t

_g

Jacques Monod

(14)

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

x ¥

t

VALÓSÁG

x

₀

t 0 e x

x = ^m

(15)

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

x

₀

t

LAG

SZAKASZ

GYORSULÓ NÖVEKE- DÉSI

SZAKASZ

EXPONEN- CIÁLIS FÁZIS

HANYATLÓ FÁZIS

(16)

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004 MI AZ OKA A HANYATLÓ FÁZISNAK?

1. TÁPANYAG LIMITÁCIÓ

2. TOXIKUS METABOLIT TERMÉK(EK) 3. HELYHIÁNY

MONOD- modell

S K

S

max +

m

= m

m m

_max

m

_max

2 K

_S

S

_kritikus

S

KRITIKUS KONCENTRÁCIÓ FOGALMA LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT

(17)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései ^{BIM SB} 2004

LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT FOGALMA

m m

_max

K

_S^C

S

_kr^C

S

₀^C

C-forrás

~ ~

FERM.IDEJE

m m

_max

K

_S^N

S

_kr^N

S

₀^N

N-forrás

~ ~

FERM.IDEJE

m

_max

m

K

_S^O

S

_kr^O

S

₀^O

O

₂

~ ~

FERM.IDEJE

m m

_max

K

_S^V

S

_kr^V

S

₀^V

VITAMIN

-forrás

~ ~

FERM.IDEJE

MELYIK S LESZ LIMITÁLÓ S ???

(18)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

dt dS x

1 dt dx x

1 S

x dS Y

dx

s /

x

=

D

= D -

=

dt x

r

_x

= dx = m

S x K

S Y

1 dt

r dS

S x K

S dt

r dx

S S

/ x S

S x

m + -

=

m +

=

HOZAM:

MINDÍG IGAZ:

Exponenciális és Hanyatló fázisban:

MONOD-modell egyenletei

i s

/ x i

-Y

vagy

dS Y dx

i

=

-

=

L I M I T Á L Ó S Z U B S Z T R Á T R A

K I T E R J E S Z T É S

megoldható diffegy.rendszer

(19)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004 C-forrás és hasznosulás

x S x

S x

S

_C _E

D + D D

= D D

D

D S = D S _c + D S _E

Mire forditódik a C-forrás?

beépülés energiatermelés

szénhozam energiahozam

Eredő hozam

Y 1 Y

1 Y

1

E C

x/s

+

=

(20)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

=

2

D x

a ^a

₁

^D ^S

_C

Sejttömeg C-tartalma Szubsztrát C-tartalma

0,46-0,5 50%

2 1 C

c

S Y x

a

= a D =

D

^Glükóz:0,4

Irjunk fel egy anyagmérleget a beépülő szénre

(21)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004 Termék mennyiségébõl becsülhető Y_E értéke

Asszimilált Disszimilált

Törzs Táptalaj szubsztrát hányad

% %

Streptococcus faecalis

anaerob tenyészet komplett 2 98

Saccharomyces cerevisiae komplett

aerob tenyészet 10 90

anaerob tenyészet 2 98

Aerobacter cloaceae minimál 55 45

EtOH élesztő, cukor

AcOH A.aceti, alkohol NADH !!!

Glükonsav A.suboxydans, glükóz

1,2,3,

(22)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

D S = D S _c + D S _E

?

NÖVEKEDÉS FENNTARTÁS -maintenance

SEJTMOZGÁS

OZMOTIKUS MUNKA

RENDEZETTSÉG FENNTARTÁSA II.főtétel reszintézis

Y x

S

x

S S

E

E g m

= =

+ D

D

D D 1 1

Y Y

m

E EG

= +

m

(23)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

1 1

Y Y

m

E EG

= +

m

Fajlagos maintenance Koefficiens

g/gh =h

^-1

1 1 1

Y Y Y

m

x s / c EG

= + +

m

Eredő hozamra:

m m 1 1

Y

_c

+ Y

_EG

1 Y_{x s}_/

1 m

(24)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

O

P

Oxidatív foszforilezés hatékonysága

„P/O hányados”

mol/gatom

NADH + H⁺ + 1/2O₂ + 3 ADP + 3 H₃PO₄ NAD⁺ + 3 ATP + 4 H₂O

3/1=3

x Y P

S

Y P

x p s

p

D

= D D

= D

(25)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

Q x S

. H x

. H Y x

Y

S x

kcal

H

D

= D D

D + D

D -

= D

=

HŐ(TERMELÉSI)HOZAM SEJTTÖMEG ÉGÉSHŐ SZUBSZTR.ÉGÉSHŐ

METABOLIKUS HŐTERMELÉS

csak ha nincs extracelluláris metabolit termelés ha van....

X X/S

S

X/S

S X

kcal

H

ΔH Y ΔH

Y ΔS

ΔH ΔS ΔS ΔH

ΔX ΔS ΔX Y

Y = -

+ -

=

(26)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

RQ respirációs hányados

2 2

O CO 2

2

2 2

q q dt

dO dt dCO O

CO = =

D D

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ 6CO₂ + 6 H₂O ^RQ_max ^{= 1}

2C₂H₅OH + 6 O₂ 4 CO₂ + 6 H₂O RQ_max =4/6= 0,67 C₆H₁₂O₆ C₂H₅OH + CO₂

2 CH₃OH + 3 O₂ 2 CO₂ + 4H₂O C₂H₂O₄ + ½ O₂ 2CO₂ + H₂O

RQ_max =

RQ_max =2/3= 0,67 RQ_max =2/ ½ = 4

¥

(27)

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

^{BIM SB}

2004

T E R M É K K É P Z Ő D É S

(28)

MONOD modell

MONOD modell--családcsalád BIM2 2004

(29)

MONOD modell

(30)

MONOD modell

Növekedéshez kötött Vegyes típus Növekedéshez nem kötött

x x

P P x P

μ_x μ_x μ_x

μ_P μ_P μ_P

GAEDEN-féle termékképződési típusok

Primer acs. termék Szekunder acs. termék

(31)

MONOD modell

MONOD modell--családcsalád BIM2 TERMÉKKÉPZŐDÉS KINETIKAI LEÍRÁSA 2004

LUEDEKING – PIRET MODELL

r dP

dt

dx

dt x x

dP dt

P

P x

= = +

a b

m am b

1

m_P

m_X b

tgf=a f

f b

III.

I II.

I: a>0 és b = 0 növekedéshez

kötött termékképzõdés II: a = 0 és b>0 növekedéshez nem

kötött termékképzõdés III: a>0 és b>0 vegyes típusú

fermentáció.

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

FERMENTÁCIÓS FOLYAMATOK ÉS MŰVELETEK

1

S S

2

? ?

3

2A

4A

4B

5

6

7

Mi kell egy termelő fermentációs folyamathoz?

C-forrás + N-forrás + O

+ ásványi sók +

+speciális tápanyagok (pl. vitamin)

®új sejttömeg(ΔX) + termék(ek) + CO

+ H

O

Félszintetikus tt. gomba eredetű proteáz termelésére

természetes alapú tt. baktériumok eltartására

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

BINÁRISAN OSZTÓDÓ MIKROORGANIZMUS

. .

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

t

n = t

N, x

2 x 2

x

x =

=

x dt .

dx = m

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

x dt .

dx = m . N

dt

dN = n

t 0 e x

x = m N = N 0 e n t

= ln m 2 t

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

x ¥

t

x

t 0 e x

x = m

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

x

x

t

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

A mikroba szaporodás alapösszefüggései

S K

S

S

max +

m

= m

m m

m

2

K

S

S

m m

K

S

S

C-forrás

~ ~

x = ^m N = N ₀ e ⁿ ^t

x = ^m

D S = D S _c + D S _E