Αρχές Βιοτεχνολογίας Τροφίμων

Transcript

1 Αρχές Βιοτεχνολογίας Τροφίμων Ενότητα 6: Στοιχεία Ενζυμικής Βιοτεχνολογίας(5/5), 1.5ΔΩ Τμήμα: Επιστήμης και Τεχνολογίας Τροφίμων Διδάσκων: Δρ. Σεραφείμ Παπανικολαου

2 Μαθησιακοί Στόχοι Ημισυνεχής τροφοδοτούμενη καλλιέργεια Συνεχής καλλιέργεια Στοιχεία τεχνολογίας Στοιχεία ενζυμικών διεργασιών Προτυποποίηση (μοντελοποίηση) βιοδιεργασιών

3 Λέξεις Κλειδιά Ημισυνεχής τροφοδοτούμενη καλλιέργεια Συνεχής καλλιέργεια Ενζυμική τεχνολογία Προτυποποίηση (μοντελοποίηση) βιοδιεργασιών

4 Στοιχεία Ενζυμικής Βιοτεχνολογίας 1 Ενζυμικοί Βιοαντιδραστήρες 1. Βιοαντιδραστήρας κλειστού τύπου πλήρους ανάδευσης.

5 Στοιχεία Ενζυμικής Βιοτεχνολογίας 2 Ενζυμικοί Βιοαντιδραστήρες 2. Βιοαντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας πλήρους ανάδευσης. Q, S 0 Q, S, P

6 Στοιχεία Ενζυμικής Βιοτεχνολογίας 3 Ενζυμικοί Βιοαντιδραστήρες 3. Βιοαντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας εμβολικής ροής. d V S v S v+dv Q, S 0 Q, S, P

7 I M K P K S S V v 1 ) ( max S K S V v m max I M K P S K S V v 1 ) ( ) ( max S K S e E k v m t k T d 2 Για όλα τα προηγούμενα, θα πρέπει να βρούμε μια έκφραση του r S σε συνάρτηση με το υπόστρωμα (και ενδεχομένως με το προϊόν, όπου το προϊόν θα έπρεπε να εκφραστεί ως συνάρτηση του υποστρώματος). Θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν διάφορες εκφράσεις όπως η τυπική έκφραση του Michaelis-Menten (ενδεχομένως με την έκφραση της αλλοδομής λόγω επώασης σε θερμοκρασία), η τυπική έκφραση ανταγωνιστικής ή μη ανταγωνιστικής παρεμπόδισης εκ του προϊόντος, κλπ. Στοιχεία Ενζυμικής Βιοτεχνολογίας 4

8 Στοιχεία Ενζυμικής Βιοτεχνολογίας 5 Συμπερασματικά, ποιοτικά, για τα τρία είδη ενζυμικών βιοαντιδραστήρων που είδαμε, οι συγκεντρώσεις του υποστρώματος και του προϊόντος αλλάζουν ως κατωτέρω:

9 Στοιχεία Μοντελοποίησης 1/4 Τύποι μαθηματικών προτύπων I.Πρότυπα τύπου «μαύρου κουτιού» (μη-δομικά, καθοριστικά) (black-box ή unstructured models). Εκτίμηση της βιομάζας και των μεταβολικών κατά τρόπο «συνολικό», χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η επιμέρους «βιοχημεία» των αντιδράσεων του οργανισμού. Υπόστρωμα Βιομάζα & προϊόν Δεν υπάρχει «a priori» γνώση των βιοχημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα Μοντέλο Monod που περιγράφει την αύξηση μικροβιακού πληθυσμού.

10 Στοιχεία Μοντελοποίησης 2/4 Τύποι μαθηματικών προτύπων I.Πρότυπα τύπου «λευκού κουτιού» (δομικά) (whitebox ή structured models). Εκτίμηση της βιομάζας και των μεταβολικών προϊόντων κατά τρόπο «εξατομικευμένο», ξεχωρίζοντας τη φυσιολογική κατάσταση του κυττάρου, τις ενδιάμεσες αντιδράσεις μεταβολισμού κλπ. Υπόστρωμα α Βιομάζα & προϊόν Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιου τύπου προτύπου είναι μια κινητική ενζύμου τύπου Michaelis-Menten, όπου ένα υπόστρωμα βιομετατρέπεται σε ένα προϊόν. S β E γ δ ε P

11 Στοιχεία Μοντελοποίησης 3/4 Το μαθηματικό πρότυπο δίδει τη δυνατότητα ερμηνείας με εξισώσεις ενός βιολογικού φαινομένου. Η αξιοπιστία του προτύπου εξαρτάται Προσαρμογή προτύπου στα πειραματικά δεδομένα (goodness of fit) Σύγκριση θεωρητικών παραμέτρων με αυτές που υπολογίστηκαν πειραματικά Επαλήθευση του προτύπου (Validation)

12 Στοιχεία Μοντελοποίησης 4/4 H χρήση μαθηματικού προτύπου: 1) Διερεύνηση δυνατότητας βελτιστοποίησης καλλιέργειας 2) Πρόβλεψη 3) Έλεγχος διεργασίας (Process control)

13 Στοιχεία Μικροβιακής Οικολογίας 1/3 Μικροβιακή Οικολογία μελετά αλληλεπιδράσεις μεταξύ μ/ο και επιδράσεις περιβάλλοντος στους μ/ο και αντιστρόφως. Μικροοργανισμοί αναπτυσσόμενοι επί ενός ξενιστή (ζώντος οργανισμού, ιστού κλπ) ή ενός νεκρού, απλού ή σύνθετου υποστρώματος. Συμβίωση μικροοργανισμών Ανταγωνισμός Αμενσαλισμός (πληθυσμός αυξανόμενος και μη επιτρέπων την αύξηση άλλου πληθυσμού) Παρασιτισμός (θηρευτής θήραμα) Κομενσαλισμός (πληθυσμός επωφελούμενος από άλλο πληθυσμό) Συμβίωση

14 Στοιχεία Μικροβιακής Οικολογίας 2/3 Στις περισσότερες των περιπτώσεων, σε φυσικά οικοσυστήματα, η προτυποποίηση πραγματοποιείται με τη βοήθεια του λογιστικού προτύπου. Μια περίπτωση προτύπου που περιγράφει την αύξηση θηρευτή και θηράματος είναι το πρότυπο Lotka Volterra. και είναι οι ρυθμοί αύξησης του θηρευτή και του θηράματος.

15 Στοιχεία Μικροβιακής Οικολογίας 3/3 Η Εξέλιξη των Πληθυσμών σε Συνάρτηση με το Χρόνο Γίνεται ως Εξής:

16 Βιβλιογραφία Αγγελής (2007) Μικροβιολογία και Μικροβιακή Τεχνολογία, 1η έκδοση, Α. Σταμούλης. Shuler, Kargi (2002) Bioprocess Engineering, Basic Concepts Second Edition, Prentice Hall (Editions)

17 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδεια χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

18 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

19 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Τροφίμων, Σεραφείμ Παπανικολάου, «Αρχές Βιοτεχνολογίας Τροφίμων». Έκδοση: 1.0. Αθήνα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

20 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων, π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Η άδεια αυτή ανήκει στις άδειες που ακολουθούν τις προδιαγραφές του Oρισμού Ανοικτής Γνώσης [2], είναι ανοικτό πολιτιστικό έργο [3] και για το λόγο αυτό αποτελεί ανοικτό περιεχόμενο [4]. [1] [2] [3] [4]

21 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.