Από τη σκοπιά του Χημικού Μηχανικού, τα στάδια βιολογικών διεργασιών για παραγωγή προϊόντων μπορεί να γίνουν καλύτερα αντιληπτά με βάση τις αρχές της χημικής κατάλυσης. Η μετατροπή ενός υποστρώματος σε επιθυμητό προϊόν επιταχύνεται από την παρουσία του καταλύτη και επομένως επιλεκτικά ευνοείται η αντίδραση αυτή σε σχέση με άλλες. Σύμφωνα μ αυτό το σχήμα ο μικροοργανισμός είναι ένας καταλύτης εξαιρετικής πολυπλοκότητας Κύτταρα (ένζυμα) Γλυκόζη Αιθανόλη + Διοξείδιο του άνθρακα H εφαρμογή της μικροβιακής τεχνολογίας στη βιομηχανική πράξη έδειξε ότι ο πιο σπουδαίος συντελεστής της παραγωγής είναι συνήθως οβιολογικός Για την επιτυχία μιας βιολογικής βιομηχανίας χρειάζεται η προσαρμογή του βιολογικού παράγοντα στις συνθήκες παραγωγής. Αυτό περιλαμβάνε ένα σύνολο χειρισμών των μικροοργανισμών που αναφέρονται στη δημιουργία κατάλληλου περιβάλλοντος ανάπτυξης και δράσης τους
Γενικά, οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται σε υλικά (υποστρώματα) περιέχονταόλατααναγκαίαθρεπτικάστοιχείακάτωαπόορισμένες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η απλοποιημένη μορφή της χημικής εξίσωσης αερόβιας μικροβιακής ανάπτυξης γράφεται ως εξής: Πηγές C και ενέργειας +πηγές+ N + άλλα θρεπτικά στοιχεία + ειδικές θρεπτικές ουσίες + Ο 2 Κύτταρα + προϊόν + νερό + CO 2 + θερμότητα ΣΤΟΙΧΕΙΑΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ Σύμφωνα με το νόμο διατήρησης της μάζας, είναι απαραίτητη η δημιουργία ισορροπίας όσον αφορά τις στοιχειακές απαιτήσεις του κυττάρου για ανάπτυξη και παραγωγή προϊόντων Η στοιχειομετρία της εξίσωσης είναι αναγκαία μόνο για τον υπολογισμό των ελαχίστων θρεπτικών απαιτήσεων του μικροβιακού κυττάρου Δεν είναι ικανή για τον υπολογισμό των ελαχίστων συγκεντρώσεων θρεπτικών στοιχείων οι οποίες είναι μεγαλύτερες από τις απαιτήσεις και πρέπει να εξετάζονται ανάλογα με το είδος του μικροοργανισμού και τις συνθήκες ανάπτυξης του
ΣΤΟΙΧΕΙΑΚΗ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΜΙΚΡΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΖΥΜΩΣΗΣ Μικροοργανισμός % Ξηρού βάρους κυττάρων C H O N S Saccharomyces cerevisiae 45.0 6.8 30.6 9 Penicillium chrysogenum 43.0 6.9 35.0 8 Methylomonas methanolica 45.9 7.2 14 2.6 Προϊόν Χημική σύσταση ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΔΙΑΛΥΤΕΣ Αιθανόλη C 2 H 2 O Ακετόνη C 3 H 6 O ΑΜΙΝΟΞΕΑ Γλουταμινικό οξύ C 5 H 9 O 4 N Λυσίνη C 6 H 14 O 2 N 2 ΑΝΤΙΒΙΟΤΙΚΑ Πενικιλλίνη C 16 H 18 O 4 N 2 S Στρεπτομυκίνη C 21 H 39 O 12 N 7 ΒΙΤΑΜΙΝΕΣ B12 C 63 H 88 O 14 N 14 P Co Ριβοφλαβίνη C 17 H 20 O 6 N 4
Φάση στασιμότητας Εκθετική φάση In (βιομάζα) (Χ) Λανθάνουσα φάση Επιβραδυνόμενη φάση Φάση θανάτου 1 dx X dt = μ = σταθερό μ = ειδικόςρυθμόςανάπτυξης Χρόνος (t)
[S 3 ] > [S 2 ] > [S 1 ] ln N t
1. Πηγή άνθρακα Η πηγή C είναι θεμελιώδους σημασίας για την ανάπτυξη και παραγωγή προϊόντων από το μικροβιακό κύτταρο. Ο ρυθμός ανάπτυξης του κυττάρου εξαρτάται από τη συγκέντρωση θρεπτικών στοιχείων και περιγράφεται από την εξίσωση του Monod: μ = μ S m K s +S μ μ m μ m 2 Όπου : μ = ειδικόςρυθμόςανάπτυξης μ m = μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης S = συγκέντρωση πηγής άνθρακα K s S Κ s = σταθερά συγκέντρωση πηγής άνθρακα σε μ = 0.5 μ m
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΘΡΕΠΤΙΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Κ s = συγκέντρωση πηγής άνθρακα σε μ = 0.5 μ m Στόχος : τότε : μ = μ S m K s +S Γιαναείναι: μ μ m S 10 K s S/S μ = μ m (K s +S)/S 1 μ = μ m K s S + 1 μ μ m K s 0.1 S S 10K s Πηγές C: K s = 1-10 mg/l S 10-100 mg/l
2. Πηγές αζώτου Οι μικροοργανισμοί είναι ικανοί να αναπτύσσονται με το μέγιστο ρυθμό ανάπτυξης σε πολύ χαμηλά επίπεδα συγκέντρωσης αζώτου (π.χ. για τη αμμωνία η K s = 0.1-1 mg/l) Μεγαλύτερες τιμές συγκεντρώσεων του στοιχείου αυτού δεν προκαλούν συνήθως προβλήματα εκτός αν πρόκειται για εξαιρετικά μεγάλες συγκεντρώσεις (π.χ. 3-5 g αμμωνία / l) Ηεπίδρασητηςπηγήςαζώτουεξαρτάταιαπότοείδοςτης. πηγής αζώτου εξαρτάται από το είδος της. Π.χ. το NO 3 μπορεί να αναχθεί σε NO 2 που μπορεί να είναι τοξικό γιατακύτταρα 3. Άλλα θρεπτικά στοιχεία Η αδυναμία βιοσύνθεσης ορισμένων απαραίτητων θρεπτικών ουσιών (βιταμίνες, αμινοξέα, νουκλεοτίδια, κ.α.) κάνει αναγκαία την προσθήκη των ουσιών αυτών στο υλικό καλλιέργειας Η προσθήκη διαφόρων εκχυλισμάτων προϊόντων μπορεί να ικανοποιή τις ανάγκες του κυττάρου, όμως ο προσδιορισμός των ποιοτικών και ποσοτικών απαιτήσεων του είναι μια χρονοβόρα διαδικασία
4. Οξυγόνο Το χρειάζονται οι αερόβιοι μικροοργανισμοί για την ανάπτυξη τους Το χρησιμοποιούν ως δέκτη ηλεκτρονίων στην αερόβια διαδικασία μεταφοράς ηλεκτρονίων στα μιτοχόνδρια όπου το Ο 2 ανάγεται σε H 2 O Το οξυγόνο είναι σε λίγο διαλυτό σε υδατικά θρεπτικά υλικά ενώ οι απαιτήσεις των μικροοργανισμών γι αυτό είναι πολύ μεγαλύτερες Χρησιμοποιούμενο όμως σε μεγάλες μερικές πιέσεις είναι δυνατόν να προκαλέσει τοξικά φαινόμενα στο μικροβιακό κύτταρο
5. Ενεργειακές απαιτήσεις Οι ενεργειακές απαιτήσεις του κυττάρου για τις βιοσυνθετικές τις λειτουργίες εξαρτώνται από την πηγή C που είναι συνδεδεμένη με την παραγωγή ATP Στους αερόβιους μικροοργανισμούς, το οξυγόνο είναι ο πιο κοινός δέκτης ηλεκτρονίων, τα οποία, μέσα από την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, καταλήγουν στην παραγωγή ATP κατά την οξειδωτική φωσφορυλίωση Έτσι, η πηγή άνθρακα, ο μεταβολισμός του οξυγόνου και η παραγωγή ενέργειας είναι αλληλεξαρτώμενα γεγονότα Στους αναερόβιους μικροοργανισμούς δέκτες ηλεκτρονίων είναι συνήθως ενώσεις που προέρχονται από την πηγή άνθρακα Η χρήση των πηγών άνθρακα και ενέργειας απαιτεί τη γνώση του τρόπου με τον οποίο οι πηγές αυτές χρησιμοποιούνται ΗανάγκηαυτήμπορείίσωςεκτιμηθείμετηδημιουργίαισοζυγίουΗ αυτή ίσως εκτιμηθεί με τη ισοζυγίου μάζας άνθρακα
6. Τεχνοοικονομικές συνθήκες Για τη χρησιμοποίηση των θρεπτικών στοιχείων πρέπει να λαμβάνονται υπόψη ορισμένες συνθήκες, όπως θρεπτικά στοιχεία, προϊόν, ανάκτηση, επεξεργασία αποβλήτων 1. Η αξία των θρεπτικών στοιχείων επιβαρύνει το κόστος παραγωγής μικροβιακών προϊόντων μέχρι 60%. Επιβάλλεται η ελαχιστοποίηση του Α. ΠΗΓΗ ΑΝΑΘΡΑΚΑ Οι κυριότερες πηγές C είναι: Υδατάνθρακες (άμυλο αραβόσιτου, γλυκόζη αραβόσιτου, μελάσα, λακτόζη, κυτταρίνη), Άλλες [φυτικά και ζωικά έλαια, προϊόντα πετρελαίου (μεθανόλη, παραφίνες)] 2. Σε παραγωγικές διεργασίες που είναι έντονα εξαρτημένες από το προϊόν (μικροβιακή πρωτεΐνη, χημικές και καύσιμες ύλες, κ.ά.) χρησιμοποιούνται γεωργικά υποπροϊόντα όπως λιγνοκυτταρινούχα υλικά 3. Σε παραγωγικές διεργασίες έντονα εξαρτημένες από το κόστος ανάκτησης των προϊόντων τους χρησιμοποιούνται πηγές C που κάνουν την ανάκτηση ευκολότερη (π.χ. υδρολυμένο άμυλο)
Β. ΠΗΓΗ ΑΖΩΤΟΥ Είναι το δεύτερο σπουδαιότερο θρεπτικό στοιχείο από άποψη κόστους Οι κυριότερες απλές πηγές αζώτου περιλαμβάνουν την αμμωνία και ουρία Οι πηγές αυτές είναι σε πολλές ζυμώσεις προτιμότερες επειδή δεν περιέχουν ξένες ύλες Οι κυριότερες σύνθετες πηγές αζώτου είναι τα υγρά υποπροϊόντα επεξεργασίας αραβόσιτου και απόσταξης αλκοολούχων ποτών, παρασκευάσματα σόγιας και ιχθυάλευρα, εκχυλίσματα ζυμών και υδρολύματα πρωτεΐνης Οι σύνθετες πηγές μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα διαχωρισμού των προϊόντων ενώ από την άλλη πλευρά η κατανόηση ρυθμιστικών μηχανισμών βιοσύνθεσης προϊόντων γίνεται δυσκολότερη Γ. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Η σωστή διαχείριση αποβλήτων βιολογικών βιομηχανικών εγκαταστάσεων κάνει υποχρεωτική την επιλογή των πρώτων υλών αφού ποσοστό 10-15% του πάγιου και λειτουργικού κεφαλαίου αφορά σε δαπάνες διαχείρισης αποβλήτων