Az oxigén szerepe , légzés, oxigén igényA levegőztetés műveleteAerob bioreaktorok

FERMENTÁCIÓS RENDSZEREK LEVEGŐELLÁTÁSA

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés, oxigén igény

A levegőztetés művelete

Aerob bioreaktorok

ANYAGÁTADÁSI MŰVELETEK Léptéknövelés

FERMENTÁCIÓS RENDSZEREK LEVEGŐELLÁTÁSA

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

RESPIRÁCIÓNAK nevezzük azokat az energiatermelés céljából

végbemenõ anyagcsere folyamatokat, amelyekben valamely szerves vagy szervetlen vegyületet az organizmus szervetlen vegyület segítségével

oxidál.

Ha az oxidáló ágens nem oxigén, e folyamatokat

ANAEROB RESPIRÁCIÓNAK nevezzük, ha viszont oxigén, akkor

AEROB RESPIRÁCIÓRÓL ( LÉGZÉS-ről) beszélünk

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

Energiaforrás Oxidáns Respiráció Példa

(redukáló=oxi- (terminális elekt- termékei dálódó vegyület) ron akceptor)

H₂ O₂ H₂O Hidrogén baktériumok

*H₂ SO₄^2- H₂O+S^2- Desulfovibrio

NH₃ O₂ NO^2- + H₂O Nitrifikáló baktériumok NO^2- O₂ NO^3-+H₂O Nitrifikáló baktériumok

*Szerves ve- NO^3- N₂+CO₂ Denitrifikáló baktérium gyület

Fe²⁺ O₂ Fe³⁺ Ferrobacillus

S^2- O₂ SO₂ + H₂O Thiobacillus

Szerves vegyület O₂ CO₂+H₂O A legtöbb

mikroorganizmus,

növényi és állati szervezet

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

glükóz (6 C-atom)

G-6-P F-6-P

F-1,6-diP

Gliceraldehid-P (3C-atom)

PEP Pyr Ac-CoA

citrát

2H2H

Oxálacetát

Cis-akonitát

i-citrát a-keto-glutarát Szukcinát

Fumarát Malát

ADP ATP

ADP ATP

ATP ADP

ATP ADP

2-P-glicerát 3-P-glicerát

1,3-diP-glicerát 2H2H

NAD

koenzimQ 2*3 CO₂ + 6*2H = C₆H₁₂O₆ CO₂

CO2

CO2

2H2H

2H2H 2H2H

2H2H

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

84 168

-0,8 0,4

KJ

0,27 V 51,2 kJ

0,22 V 41,6 kJ

0,53 V 100 kJ NAD

Q

b

c

a

a₃ NAD FP₁ KoenzimQ cyt b cyt c cyt a cyt a₃

ATP ATP

ATP

FP₂

2e^-

1/2O₂

ADP + P_i ATP + H₂O G^kcal =30,7 kJ

2H⁺

H₂O NADH₂

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

Saccharomyces cerevisiae glükóz C-energia forráson levegő jelenléte nélkül is növekedni képes (alkoholos erjedés közben). Ezt az anaerob anyagcserét különböztessük meg az anaerob respirációtól!

1. Vannak olyan biokémiai folyamatok, amelyek során direkt oxigénbeépülés történik, pl.:Trp lebontás 1. lépése (indol gyűrű felnyitás) =>NO ENERGY PRODUCTION

CH2 CH NH2

COOH

C CH2 O

COOH NH2

CH

N CHO

Triptofán pirroláz (oxidáz enzim) O2

N-formil-kinurenin L-Triptofán

KIVÉTELEK:

dioxigenáz

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

2. Funkcionálnak olyan alternatív légzési láncok, amelyekben nem képződik ATP, de oxigént fogyaszt.

Aspergillus niger citromsav fermentáció:

Citromsav szabályozó funkciója: ha sok=cukor STOP <- ezt „verjük át”

MIKROORGANIZMUSOK OXIGÉN IGÉNYE

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

Az oxigén is lehet limitáló szubsztrát

A mikrobák oxigénigényét két módon lehet megadni:

1. légzési sebesség =

dc dt

 mmol O₂/ dm³.h,

kg O₂/ m³ .h

Q x

dc

 1 dt

 h^-1 

2. fajlagos légzési sebesség

dx dt

c

K c x

O

 



2

Y x

O

  c



Mikrobák csak oldott oxigént tudnak használni!

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

x : / c x

K c Y

1 dc

dx Y

1 dt

dc

O2

max O

O

 - 

-

 

Q 1 x

dc dt

1 Y

c

K c

O

max

O₂

  -

 

Q  Q _max

1 1

Y Y

m

O OG

  O

max 

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

elsőrendű kinetika

Q Q_max=_max/Y_O

nulladrendű kinetika

K_O2 C_{kr C}

O2

max

K Q c

Q 

Az oxigén nem limitál

KRITIKUS OXIGÉN KONCENTRÁCIÓ

0,1-1 mg/dm³

Q

Q 

│ Q│

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

_max - Fajlagos növekedési sebesség Y_o - eredő oxigén hozam

m_O - az oxigénre vonatkozó fajlagos fenntartási koefficiens

gO₂/g sejt.h

-maximális oxigénre vonatkozó hozam

Q_max - maximális fajlagos oxigén igény vagy fajlagos légzési sebesség K_O2 - oxigénre vonatkozó telítési állandó

C_kr - kritikus oxigén koncentráció.

max

Y

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

MIKROBA tenyésztési mód

C-forrás Y_o

C-mol/mol O₂

m_O

molO₂/C- mol.h

Methylococcus sp.

Candida lipolitica

folytonos 42^oC szakaszos18^oC

21^oC 27^oC 30^oC

metanol n-alkán n-alkán n-alkán n-alkán

0,39 0,71 0,71 0,70 0,69

0,08 0,03 0,06 0,11 0,14 Candida utilis

E.coli E.coli

Candida utilis Penicillium

chrysogenum Klebsiella

aerogenes

folytonos 30^oC szakaszos20^oC folytonos 37^oC folytonos 30^oC folytonos 25^oC folytonos 30^oC

etanol glicerin ecetsav glükóz glükóz glükóz

1,04 1,92 1,20 2,04 1,64 1,79

0,01 0,003

0,31 0,02 0,02 0,03

Függenek a tenyésztési param.

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

MIKROBA Szubsztrát Y_O  g.g^-1

Aerobacter aerogenes

Candida utilis

Pseudomonas fluorescens Methylomonas sp.

Saccharomyces cerevisiae Penicillium chrysogenum

maltóz fruktóz glükóz glükóz acetát etanol metanol glükóz glükóz

1,5 1,46 1,11 1,32 0,70 0,42 0,53 0,97 1,35

<1,8 ld.

sztöhio

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

C_Kr Q_max

M i k r o b a Hőfok mmol/dm³ mg/dm³  mmol/g.h

Aspergillus oryzae 30 0,02 0,64 - E.coli 37 0,008 0,256 5-8 Penicillium 24 0,022 0,704 20-30

chrysogenum

Saccharomyces 30 0,004 0,128 10-15 cerevisiae

<0,1mg/g

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

idő

Batch ferm.:

Mindig max. görbe

~

BIM2 2002

Az oxigén szerepe , légzés

Glükóz Oxigén

Koncentráció a fermentlében 1% 10⁴ mg/dm3 7 mg/dm3

Kritikus koncentráció 50 mg/dm3 0,7 mg/dm3 (~10%) Fajlagos felhasználási

sebesség 580 mg/g.h 208 mg/g.h

LEVEGŐZTETÉS

U T Á N P Ó T L Á S

1g/L pékélesztő CDW-jű fermentlé:

Elfogy: 24h 2perc

Media<>O₂ reservoir

levegőztetés2 BIM2 2002

KEVERÕMÛ

LEVEGŐELOSZTÓ

A levegőztetés technikai megvalósítása

levegőztetett kevert/levegőztetett

levegőztetés2 BIM2 2002

g

O



k_g k_l

C

gomba pellet

egyedi sejt

Oxigén átadás buborékból

1.A gázbuborék főtömegéből diffúzió a gáz/folyadék határ- felületre. 1/k_g ellenállás

k_g "vezetõképesség„

(anyagátadási tényező)

2.diffúzió a _l vastagságú – a gázbuborékot burkoló – stagnáló folyadékfilmen át.

Ellenállása 1/k_l , vezetőképessége k_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, amely cc függő!.

levegőztetés2 BIM2 2002 Melyik a sebességmeghatározó lépés?

k

D D

g

O gáz

g

O

folyadék

l





 és k



KÉTFILM ELMÉLET

O X I G É N F L U X U S O X I G É N F L U X U S





P

=HC

1/k

1/k

P

=HC

C

C

=P

/H

J ^O ₂

J_O2=?

C*-hipotetikus ox.cc olyan oldat cc-je, ami (fölött)

egyensúlyt tart P_b-vel

P_i=interface nyomás

levegőztetés2 BIM2 2002

H Henry- állandó

p

gázbuborékban mérhető oxigén parciális

nyomás és C* a vele (hipotetikusan) egyensúlyt tartó folyadékban lenne az oldott oxigén

koncentráció.

C

a folyadék fõtömegében mérhető oldott oxigén koncentráció és p* lenne a vele egyensúlyban lévő gáz hipotetikus oxigén parciális nyomása.

C

, p

a határfelületi oldott oxigén szint ill.

parciális oxigén nyomás.

levegőztetés2 BIM2 2002

O X I G É N F L U X U S O X I G É N F L U X U S

_g _l

P_b=HC^*

1/k_g

1/k_l

P_i=HC_i

C_i

C_b=P^*/H

J O

J hajtóerõ

ellenállás

O₂  határfelületen átadott O (mol vagy g )  felület.idõ

2

 

GÁZBUBORÉK HATÁRFELÜLET HATÁRFELÜLET FOLYADÉK J_O

2

 

 -  -

 -  -

p p k

C C k vagy

J Hk C C

p H

p H k

b i

g

i b

l

O g i

i

1 1

1

2

*

*

Nem mérhetőek!

~Ohm

levegőztetés2 BIM2

   

 ^{C C}  ^{k  C C }

Hk J

p

H p p k

p k

J

b i

l i

* g

O

* i

l i

b g

O

2 2

-

 -



-

 -



p

p k

H k p H

k k

i

g l

b

l g







*

1 C Hk C k C

k Hk

i

g l b

l g

 



*

J C C

Hk k

O b

g l

2

 1 - 1



*

2

* b

O

l g

p p

J H 1

k k

 -



levegőztetés2 BIM2 2002

J C C

Hk k

O b

g l

2  1 - 1



*

J p p

H

k k

O b

l g

2  - 1

-

*

1 1 1

K

 Hk

 k

1 1

K

H

k k

g l g

 

 

  ⁾⁾

((

*

2 2

p p

K J

C C

K J

b g O

b L

O

-



-



10

/ /

2

2



 D delta

delta D

k k

folyadék O

gáz O l

g

l

g

k

k 

l

L

k

K 

 

dC

dt  K a C _L ^* - C

TELJES ANYAGÁTADÁS

EREDŐ FOLYADÉKOLDALI OXIGÉNÁTADÁSI

KOEFFICIENS

EREDŐ GÁZOLDALI OXIGÉNÁTADÁSI KOEFFICIENS

Eredő ellenállások

~Ohm

JAV!

*felület H~10⁴

levegőztetés2 BIM2 2002 Fenti KÉTFILMELMÉLET

Nernst 1904:

 D 

k  D 

k

DE valójában n=0,8-0,9

BEHATOLÁSI MODELL Higbie 1935 liquid penetration modell

i érintkezés

πt 2 D

k 

FELÜLETMEGÚJULÁSI MODELL Danckwerts 1951

s . D

k 

FREKVENCIA

surface renewal

A rendszer hidr.din.

viselkedése determinálja

levegőztetés2 BIM2 2002

K_L - az eredő folyadékoldali tömegátadási tényező cm.s^-1

a - térfogategységre jutó anyagátadási felület cm².cm ^-3= cm ^-1

K_La - eredő folyadékoldali (térfogati)oxigénabszorpciós együtthatós^-1 ( h^-1 ).

C* - telítési oxigén koncentráció (mg/dm³) ~oldhatóság C - az aktuális oldott oxigén koncentráció (mg/dm³)

 

dC

dt  K a C _L ^* - C

levegőztetés2 BIM2 2002

 

C  C ^* 1 - e ^{- K a t}

^.

 

dC

dt  K a C

- C

OLDJUK MEG!

 

 _- ^

^{- - }

0

t

0

L

* C

0

*

d ln( C C ) K a . dt

C C

dC

levegőztetés2 BIM2 2002

C

t

K

a.C

C

dC

dt

t

=OTR

Nézzük a fermentációs rendszert! Mikorobák is jelen vannak és lélegeznek

levegőztetés2 BIM2 2002

 

dC

dt  K a C _L ^* - C - xQ

OLDÓDÁSI SEBESSÉG FOGYASZTÁSI SEBESSÉG

 

dC

dt  0 és K

a C

- C  xQ mindíg

K

a(C* - C)  xQ ...HA... K

a(C* - C)  xQ Á L L A N D Ó S U L T Á L L A P O T

BIZONYÍTÁS

Oldott oxigén szint

% telítési érték

1 2 3 perc

10 20 ferm. idő (óra)

egyensúlyi C

100% 100%

C

C

lag gyorsuló és exponenciális hanyatló szakasz

C