Η βιολογική κατάλυση παρουσιάζει παρουσιάζει ορισμένες ορισμένες ιδιαιτερότητες ιδιαιτερότητες σε

Transcript

1 Η βιολογική κατάλυση παρουσιάζει ορισμένες ιδιαιτερότητες σε σχέση με τη μη βιολογική που οφείλονται στη φύση των βιοκαταλυτών Οι ιδιαιτερότητες αυτές πρέπει να παίρνονται σοβαρά υπ όψη κατά το σχεδιασμό των σχετικών διεργασιών Έτσι, εκτός από τις θρεπτικές και ενεργειακές απαιτήσεις του μικροβιακού κυττάρου οι κυριότεροι περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη και δράση του είναι το ph και η θερμοκρασία 1. ph Είναι ιδιαίτερα σπουδαίος παράγων υξης των μικροοργανισμών και χρήσιμων προϊόντων. Οι πιο πολλοί μικροοργανισμοί αναπτύσσονται σε εύρος 3 έως 4 μονάδων ph που σημαίνει ένα εύρος συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου 1,000 έως 10,000 φορές Μόνο γενικές διαπιστώσεις ως προς τις περιοχές του ph στις οποίες αναπτύσσονται οι διάφοροι μικροοργανισμοί μπορούν να γίνουν

2 Βακτήρια Άριστο ανάπτυξης: ph Όρια ανάπτυξης: ph Εξαίρεση τα βακτήρια της οξικής ζύμωσης (π.χ. Acetobacter suboxydans) και της οξείδωσης το θείου που αναπτύσσονται σε χαμηλό ph Ζύμες Άριστο ανάπτυξης: ph Όρια ανάπτυξης: ph Μύκητες Άριστο ανάπτυξης: ph Όρια ανάπτυξης: ph Εξαίρεση ο Aspergilus niger (ph < 3.0, παραγωγή κιτρικού οξέος) Ο έλεγχος του ph κατά τη διάρκεια ανάπτυξης είναι μεγάλης σημασίας επειδή οι αλλαγές του επηρεάζουν τη μικροβιακή δραστηριότητα Π.χ. Πρόσληψη ΝΗ 4 ελευθερώνει Η + (ΝΗ 4 ΝΗ 3 + Η + ), αυξάνει το ph Προσθήκη ΝΟ 3 (NaNO 3 ) παίρνει Η +, ελαττώνει το ph

3 2. Θερμοκρασία Όπως οι χημικές αντιδράσεις έτσι και η μικροβιακή ανάπτυξη επηρεάζεται από τη θερμοκρασία Γενικά, το μικροβιακό κύτταρο αναπτύσσεται σε θερμοκρασιακό εύρος από 25 έως 30 o C Υπάρχουν όμως μικροοργανισμοί που αναπτύσσονται σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από 0 o C και υψηλότερες από 93 o C Από άποψη θερμοκρασιακών απαιτήσεων οι μικροοργανισμοί διακρίνονται σε τέσσαρες ομάδες Ψυχρόφιλους Μεσόφιλους Θερμόφιλους Υπερθερμόφιλους

4 ΨΥΧΡΟΦΙΛΟΙ ΘΕΡΜΟΦΙΛΟΙ ΜΕΣΟΦΙΛΟΙ ΥΠΕΡΘΕΡΜΟΦΙΛΟΙ μ / μ m t ( 0 C)

5 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΟΝ ΕΙΔΙΚΟ ΡΥΘΜΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ Εξίσωση Arrhenius Όπου : Ε μ = Αe Ε RT μ = ειδικόςρυθμόςανάπτυξης A = σταθερά Arrhenius E = ενέργεια ενεργοποίησης (kca l / mol))) R = παγκόσμια σταθερά αερίων T = απόλυτη θερμοκρασία Λογαριθμίζοντας : ln μ = Ε + RT ln Α log μ = Ε 1 2.3R T + log Α

6 Ε log μ = 1 2.3R T + log Α log Α log μ Κλίση = Ε 2.3R 1/Τ Από το διάγραμμα αυτό είναι εύκολος ο προσδιορισμός των Α και Ε Οι τυπικές τιμές της Ε για τη μικροβιακή ανάπτυξη είναι kcal / mol

7 Η θερμοκρασία επηρεάζει τη μετατροπή των πηγών άνθρακα και ενέργειας σε κυτταρική μάζα Πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι οι μέγιστες τιμές της μετατροπής λαμβάνονται σε θερμοκρασίες μικρότερες από τη θερμοκρασία μέγιστης ανάπτυξης Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την αριστοποίηση της διαδικασίας που στοχεύει στη μεγιστοποίηση του ρυθμού ανάπτυξης αλλά όχι στη μεγιστοποίηση της απόδοσης της καλλιέργειας Η θερμοκρασία επηρεάζει επίσης πολλές μεταβολικές δραστηριότητες που αναφέρονται στη βιοσύνθεση βιομορίων Κατά την αριστοποίηση μικροβιακών δραστηριοτήτων πρέπει να λαμβάνεται υπ όψη η διαφορετική επίδραση της θερμοκρασίας στο ρυθμό ανάπτυξης του μικροοργανισμού και στην παραγωγή προϊόντων

8 ΟΡΙΣΜΟΙ: Αερόβια ή αναερόβια διεργασία ανάπτυξης μικροβιακών κυττάρων για την παραγωγή προϊόντων κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες Louis Pasteur: Ζωή χωρίς αέρα (οξυγόνο) ΣΥΧΡΟΝΟΣ ΟΡΙΣΜΟΣ: Μεταβολική διαδικασία κατά την οποίαν παράγεται ενέργεια από οργανικές ουσίες που δρουν ως δότες και δέκτες ηλεκτρονίων Τρεις δυνάμεις ωθούν τη ζύμωση: 1. Θερμοδυναμική: Τα προϊόντα έχουν μικρότερο ενεργειακό περιεχόμενο από το υπόστρωμα 2 Χημική: Η ανακατανομή δεσμών Η και Ο γίνεται από ενώσεις υψηλότερης ενέργειας υδροξύλια, καρβονύλια) προς ενώσεις χαμηλότερης ενέργειας καρβοξύλια) 3. Μεταβολική: Ενζυμική μεταφορά ενέργειας σε βιομόρια υψηλής ενέργειας (ΑTP, ADP, AMP)

9 Ηζύμωσηγίνεταιστοζυμωτήραήβιοαντιδραστήρα Τυπικό παράδειγμα βιοαντιδραστήρα βυθισμένης καλλιέργειας: Καταγραφέας θερμοκρασίας Καταγραφέας ph Καταγραφέας στροφών Ηλεκτρόδιο ph Κινητήρας Εισαγωγή εμβολίου Εξαγωγή δείγματος Εισαγωγή αέρος Αναδευτήρας Δοχείο

10 Η ζύμωση είναι μια αερόβια ή αναερόβια διεργασία ανάπτυξης μικροβιακών κυττάρων για την παραγωγή προϊόντων κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες. Διακρίνεται σε διεργασία: 1. ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (ΚΛΕΙΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ) Χρόνος ζύμωσης (ημέρες)

11 2. ΗΜΙΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (ΚΛΕΙΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ) Στη διεργασία αυτή αποστειρωμένο θρεπτικό υλικό προστίθεται στο βιοαντιδραστήρα σε ορισμένα χρονικά διαστήματα ή συνεχώς Χρόνος ζύμωσης (ημέρες) Τα πλεονεκτήματα της ζύμωσης αυτής οφείλονται κυρίως στην αύξηση της παραγωγής βιομάζας και στην εξουδετέρωση της καταβολικής καταστολής

12 3. ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΟΥ ΗΜΙΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (ΚΛΕΙΣΤΟ / ΑΝΟΙΧΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ) Χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι ποσότητες θρεπτικού υλικού και μικροοργανισμών αφαιρούνται από το βιοαντιδραστήρα σε χρονικά διαστήματα Χρόνος ζύμωσης (ημέρες) Το κλειστό σύστημα της ζύμωσης ημιδιαλείποντος έργου μετατρέπεται σε ένα μερικώς ανοιχτό σύστημα όπου ο όγκος του θρεπτικού υλικού, ο ρυθμός τροφοδοσίας και ο ειδικός ρυθμός ανάπτυξης υφίστανται κυκλικές μεταβολές Όταν οι μεταβολές γίνονται σε σταθερά χρονικά διαστήματα η καλλιέργεια περνά μέσα από συνθήκες ισορροπίας που μπορούν να συνοδεύονται από υψηλούς ρυθμούς παραγωγή προϊόντων

13 4. ΗΜΙΣΥΝΕΧΟΥΣ ΕΡΓΟΥ (ΚΛΕΙΣΤΟ / ΑΝΟΙΧΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ) Η ζύμωση αυτή είναι μια μερικώς ανοιχτή ζύμωση. Διαιρείται σε μια κυκλικά-συνεχή ζύμωση και σε ένα ημισυνεχές στάδιο ανακύκλωσης κυττάρων Χρόνος ζύμωσης (ημέρες) Οι στόχοι της είναι η χρησιμοποίηση του βιοσυνθετικού δυναμικού του κυττάρου με περιοδική προσθήκη νέου θρεπτικού υλικού και την αφαίρεση ισόποσου όπου η εναπομείνασα ποσότητα λειτουργεί ως εμβόλιο Το υλικό που αφαιρείται χρησιμοποιείται για την παραλαβή βιομορίων ήωςεμβόλιο νέας καλλιέργειας σε άλλους βιοαντιδραστήρες (ασηπτική διεργασία)

14 5. ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΕΡΓΟΥ (ΑΝΟΙΧΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ) Η ζύμωση αυτή, ως ανοιχτό σύστημα, λειτουργεί υπό συνθήκες : Σταθερού όγκου θρεπτικού υλικού Σταθερού ειδικού ρυθμού ανάπτυξης του μικροοργανισμού Νέο θρεπτικό υλικό εισάγεται στο βιοαντιδραστήρα με σταθερά ταχύτητα ροής και υπό ασηπτικές συνθήκες ενώ ταυτόχρονα ίσο ποσό υλικού καλλιέργειας κυττάρων αφαιρείται από αυτόν Η διεργασία αυτή χαρακτηρίζεται ανάλογα με : Τη φύση του τελικού προϊόντος (π.χ. βιομάζα ή μεταβολικό προϊόν) Τον τύπο της διαδικασίας ή λειτουργίας (π.χ. ομογενή/ ετερογενή συστήματα, απλά / πολλαπλά συστήματα, συστήματα με ή χωρίς επαναχρησιμοποίηση των κυττάρων) Τον τρόπο ελέγχου του βιοαντιδραστήρα (π.χ. χημοστάτης όταν η διαδικασία ελέγχεται από τη είσοδο των θρεπτικών στοιχείων)

15 ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΖΥΜΩΣΗΣ ΧΗΜΟΣΤΑΤΗΣ ΜΟΤΕΡ ΜΟΤΕΡ ΦΡΕΣΚΟ ΘΡΕΠΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ V ΦΡΕΣΚΟ ΘΡΕΠΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ V ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΑΖΑΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΙΣΟΔΟΥ ΘΡΕΠΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΡΟΗ ΕΞΟΔΟΥ > ΡΟΗ ΕΞΟΔΟΥ

16 Η διεργασία συνεχούς έργου έχει ορισμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με εκείνη του διαλείποντος έργου. Τα σπουδαιότερα είναι : Η δυνατότητα χρησιμοποίησης μεγαλύτερων μεγεθών ζύμωσης με καλύτερα οικονομικά αποτελέσματα Ο πληρέστερος έλεγχος λειτουργίας της διεργασίας Η ελάττωση της απώλειας του μικροοργανισμού, οοποίοςως καταλύτης δεν καταναλώνεται κατάτηδιάρκειατηςζύμωσης Η ακριβέστερη μαθηματική μοντελοποίηση της διεργασίας Τα σπουδαιότερα μειονεκτήματα είναι : Η δυσκολία διατήρησης συνθηκών ασηψίας Η περιορισμένη εναλλακτική δυνατότητα χρησιμοποίησης της για παραγωγή διαφορετικών προϊόντων χρησιμοποιώντας τον ίδιο βιοαντιδραστήρα Οι περισσότερες βιολογικές βιομηχανίες (π.χ. φαρμακευτικές) είναι κατά κανόνα μικρές σε μέγεθος Οι κυριότερες εφαρμογές είναι : Η αναερόβια χώνευση για την παραγωγή βιοαερίου (μεθάνιο) Ο βιολογικός καθαρισμός αποβλήτων

17 ΒΙΟΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΥ ΑΣΤΙΚΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ