Μικροβιακή Τεχνολογία- Βιοντιδραστήρες Δημήτρης Κέκος, Καθηγητής ΕΜΠ kekos@chemeng.ntua.gr
Κατανομή πωλήσεων μικροβιακών προϊόντων Κατηγορία Ποσοστό Τυπικά προϊόντα (%) Αντιβιοτικά 42 πενικιλλίνες, κεφαλοσπορίνες Θεραπευτικές πρωτεϊνες 25 ιντερφερόνη, ινσουλίνη, αντισώματα Άλλα φάρμακα 17 στεροειδή, αλκαλοειδή Αμινοξέα 8 λυσίνη, γλουταμινικό Ένζυμα 3 πρωτεάσες, κυτταρινάσες, λιπάσες Οργανικά οξέα 3 γαλακτικό οξύ, κιτρικό οξύ Βιταμίνες 1 Β2, Β1, βιοτίνη Πολυσακχαρίτες 1 ξανθάνη, δεξτράνη
Μηχανική Βιοδιεργασιών Εφαρμογή των αρχών της μηχανικής με στόχο τη βελτιστοποίηση βιοκαταλυτικών διεργασιών Βιοαντιδραστήρες & κινητική Υγρό Αέριο Φαινόμενα μεταφοράς Ρεολογία Ανάκτηση προϊόντων Ρύθμιση διεργασιών Οικονομοτεχνική ανάλυση
Διάγραμμα παραγωγής ινσουλίνης
Βιοδιεργασία Προετοιμασία υλικών τροφοδοσίας Ενέργεια Απόβλητα Αποστείρωση Βιοαντιδραστήρας Ανάκτηση προϊόντων Ρύθμιση Μορφοποίηση προϊόντων
Βιοαντιδραστήρες Ταξινόμηση με βάση τον τρόπο λειτουργίας Διαλείποντος έργου Συνεχούς έργου Ημιδιαλείποντος έργου
Βιοαντιδραστήρες διαλείποντος έργου 1 φορά: αρχή διεργασίας 1 φορά: τέλος διεργασίας
Βιοαντιδραστήρες συνεχούς έργου συνεχώς F in συνεχώς D = F V F out ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΡΑΙΩΣΗΣ (Dilution rate) Σταθερός όγκος F in =F out Συγκεντρώσεις ρεύματος εξόδου = Συγκεντρώσεις βιοαντιδραστήρα Σταθερές τιμές συγκεντρώσεων
Βιοαντιδραστήρες ημιδιαλείποντος έργου Περιοδικά καθ όλη τη διεργασία 1 φορά: τέλος διεργασίας
Συγκέντρωση Μικροβιακή ανάπτυξη ανάλογα με τον τύπο λειτουργίας Διαλείποντος Ημιδιαλείποντος Συνεχούς Κύτταρα Κύτταρα Κύτταρα Υπόστρωμα Υπόστρωμα Υπόστρωμα Χρόνος Χρόνος Χρόνος
Επιλογή τρόπου λειτουργίας ΔΙΑΛΕΙΠΟΥΣΑ Σχετική απλότητα και χαμηλότερο κόστος εξοπλισμού Χαμηλότερος κίνδυνος μολύνσεων Μικρότερος κίνδυνος μετάλλαξης επιστροφής Ευελιξία στον προγραμματισμό της βιομηχανικής παραγωγής Μικρότερη ευαισθησία σε έκτακτα περιστατικά και διαταραχές ΣΥΝΕΧΗΣ Μικρότερος χρόνος μη παραγωγικών διαδικασιών (downtime) Ομοιογενές προϊόν Ευκολότερος έλεγχος ρυθμού ανάπτυξης Αύξηση παραγωγικότητας διεργασιών επεξεργασίας προϊόντος Μεγαλύτερο μέγεθος βιοαντιδραστήρων Μείωση παραγωγικότητας λόγω χρόνου προσαρμογής Δυσκολότερη διατήρηση ασηπτικών συνθηκών Έλλειψη συμμόρφωσης με απαιτήσεις ποιότητας (ξεχωριστές παρτίδες) Πιθανή ελάττωση απόδοσης λόγω απώλειας πλασμιδίων Κάποια προϊόντα δεν παράγονται ικανοποιητικά Πιθανή διαφοροποίηση απόδοσης λόγω μεταβολής ρεύματος τροφοδοσίας
Διεργασίες ημιδιαλείποντος έργου Παράδειγμα παραγωγής ζύμης αρτοποιϊας Ύπαρξη ρυθμοκαθοριστικού σταδίου στο μεταβολισμό του πυροσταφυλικού μέσω της αναπνευστικής δραστηριότητας. Πάνω από μια κρίσιμη τιμή του S (30-40 g/l) παρατηρείται αερόβια παραγωγή αιθανόλης με σκοπό την αναγέννηση του NAD +. Σε διεργασία διαλείποντος έργου: Για την επίτευξη μεγάλης συγκέντρωσης κυττάρων απαιτείται μεγάλη συγκέντρωση υποστρώματος Οι απαιτήσεις σε Ο 2 δεν μπορούν να καλυφθούν Παράγεται αιθανόλη λόγω μεταβολικής υπερχύλισης (φαινόμενο Crabtree) μειώνοντας την απόδοση και προκαλώντας αναστολή της κυτταρικής ανάπτυξης
Εξέλιξη διεργασίας ημιδιαλείποντος έργου 100 80 μ=0.25 h DO -1 2 F 60 40 S 20 0 EtOH 5 10 15 Χρόνος (h) S crit
συγκέντρωση συγκέντρωση συγκέντρωση Μοντέλα παραγωγής μικροβιακών προϊόντων ΠΡΩΤΟΓΕΝΕΙΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΤΕΣ Σχετιζόμενο με την κυτταρική ανάπτυξη Μικτό μοντέλο ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΤΕΣ Μη σχετιζόμενο με την κυτταρική ανάπτυξη χρόνος χρόνος χρόνος dp dt a dx dt Brown - Vass dp dt Leudeking-Piret dx a dt b x dp dt b x dp dt dxt t a dt m
Ένας τυπικός ζυμωτήρας (πλήρους αναμίξεως) 1. Δοχείο ζύμωσης 4 3 9 2 11 2. Μετακινούμενο σκέπασμα 3. Είσοδος υποστρώματος-εμβολίου 4. Σύστημα εισόδου αέρα 6 7 1 5. Θυρίδες αισθητηρίων 12 6. Μανδύας ελέγχου Τ 8 5 7. Θυρίδες εισόδου (οξύ, βάση) 8. Αναδευτήρας 9. Έξοδος αέρα 10. Θυρίδα εξόδου 10 11. Βαλβίδα εκτόνωσης πίεσης 12. Πτερύγια εκτροπής ροής (baffles)
Ζυμωτήρας πλήρους αναμίξεως
Βιοαντιδραστήρες όγκου 2L (BioFlo 310, New Brunswick) Βιοαντιδραστήρας όγκου 150L MBR Βιοαντιδραστήρας όγκου 5 και 20L (MBR) Πολυβιοντιδραστήρας ΕΜΠ
Βιοαντιδραστήρες Ζύμωσης Στερεάς Κατάστασης 20 L και 200 L
ICI βιοαντιδραστήρας (1/2)
Προϊόν: Pruteen (ζωοτροφή) Υποστρώματα: CΗ 3 ΟΗ, NH 3 Όγκος: 750 m 3, Ύψος: 42 m, Πλάτος: 11 m Καταλύτης: Methylophilus methylotrophus ICI, Μ. Βρετανία (1981)
Τυπικές λειτουργίες ζυμωτήρα Βασικές λειτουργίες Εμποδίζει την ανταλλαγή μικροοργανισμών ανάμεσα στο χώρο της ζύμωσης και το περιβάλλον (μολύνσεις) Διασφαλίζει την τροφοδότηση των κυττάρων με τα απαραίτητα για την επιβίωσή τους συστατικά Διατηρεί τις κρίσιμες μεταβλητές του περιβάλλοντος των κυττάρων στο επιθυμητό επίπεδο (T, ph) Κρίσιμες παράμετροι Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερμότητας Ανάδευση Ρύθμιση ph Αντιμετώπιση αφρισμού Άλλες λειτουργίες Επιτρέπει την παρακολούθηση ενδεικτικών για την πορεία της διεργασίας παραμέτρων Εγγυάται την ασφάλεια των χειριστών κατά τη διάρκεια λειτουργίας της συσκευής
Αποστείρωση: Πώς ορίζεται και γιατί είναι απαραίτητη; Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Αποστείρωση: Καταστροφή ή απομάκρυνση όλων των μικροοργανισμών που είναι δυνατό να έρθουν σε επαφή με τα θρεπτικά συστατικά ή τον εξοπλισμό μιας διεργασίας Μεταφορά θερμότητας Ανάδευση Ρύθμιση ph Αντιμετώπιση αφρισμού Προβλήματα από την παρουσία ανεπιθύμητων μικροοργανισμών Παρεμπόδιση ανάπτυξης του παραγωγού στελέχους από τοξίνες Μείωση της απόδοσης της διεργασίας λόγω κατανάλωσης υποστρωμάτων ή αποικοδόμησης του προϊόντος από ένζυμα Αρνητική επίδραση στη διαδικασία ανάκτησης των προϊόντων ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΣΤΕΙΡΩΣΗ
Κινητική αποστείρωσης N N o e kt k * e E RT όπου Ν: αριθμός ζωντανών κυττάρων k (ή kd): ειδικός ρυθμός θερμικής καταστροφής (min -1 ή h -1 ) α: παράγοντας συχνότητας (min -1 ή h -1 ) Ε: ενέργεια ενεργοποίησης θερμικής καταστροφής (cal mol -1 ) T: θερμοκρασία (ºΚ) R: σταθερά του νόμου των αερίων (1.98 cal mol -1 ºΚ -1 ) ln N 0 N
Θερμική αποστείρωση συνεχούς έργου Έγχυση ατμού και ταχύτατη ψύξη Ανταλλαγή θερμότητας μέσω εναλλακτών (α) Ψυκτήρας εκτόνωσης (β) Ακατέργαστο μέσο Εναλλάκτης θερμότητας Εναλλάκτης θερμότητας Ακατέργαστο μέσο Αποστειρωμένο μέσο Περιοχή διατήρησης θερμοκρασίας Έγχυση ατμού Αποστειρωμένο μέσο Εναλλάκτης θερμότητας Ατμός Περιοχή διατήρησης θερμοκρασίας μειώνει σημαντικά τις αλλοιώσεις των συστατικών του μέσου επιτυγχάνεται οικονομία κατά 20-25% λόγω μικρότερης κατανάλωσης ατμού απαιτείται μικρότερος χρόνος αφού τα στάδια θέρμανσης & ψύξης είναι ακαριαία περισσότερο αξιόπιστη διεργασία ως προς την κλιμάκωση μεγέθους. ΜΗΚΟΣ - ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ
Διάγραμμα θερμικής καταστροφής κυττάρων Εξάρτηση της θερμικής καταστροφής κυττάρων από τους αριθμούς Peclet και Damkohler. N ο Ν : αριθμός ζωντανών κυττάρων που εισέρχονται και εξέρχονται από το τμήμα Pe διατήρησης της θερμοκρασίας αποστείρωσης, αντίστοιχα. Pe ul D z N/N ο u = μέση γραμμική ταχύτητα ρευστού L = μήκος σωλήνα k d = ειδικός ρυθμός θερμικής καταστροφής D z = συντελεσής αξονικής διασποράς Da kdl u Da
φίλτρα μεμβρανών Αποστείρωση αέριων ρευμάτων πύργοι σταθερής κλίνης (packed tower) κάποιου ινώδους υλικού, όπως χαρτί, βαμβάκι, υαλοβάμβακας Έξοδος αέρα Περίβλημα ανοξείδωτου χάλυβα Ινώδες υλικό πλήρωσης ΜΗΚΟΣ Είσοδος αέρα Πλέγμα υποστήριξης υλικού Άμεση ανάσχεση από τις ίνες (direct interception) Αδρανειακή ενσφήνωση (inertial impaction) Ανάσχεση λόγω διάχυσης (diffusional interception) Ηλεκτροστατική έλξη (electrostatic attraction)
Μεταφορά οξυγόνου Στόχος Παροχή του απαραίτητου για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών στοιχείου Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερμότητας Ανάδευση Ρύθμιση ph Μέθοδοι Διέλευση αέρα μέσα από τη μάζα του θρεπτικού μέσου Παράγοντες που επηρεάζουν τη μεταφορά Ο 2 Ρυθμός παροχής αέρα Ταχύτητα ανάδευσης Διάταξη αερισμού Γεωμετρία βιοαντιδραστήρα
Μεταφορά Ο 2 σε καλλιέργειες κυττάρων Στατικό οριακό στρώμα υγρού Συσσωμάτωμα κυττάρων Αέρια v φυσαλίδα 1 2 3 4 4 5 6 Μεμονωμένο κύτταρο 5 7 8 6 8 Μεμονωμένο κύτταρο Στατικό οριακό στρώμα υγρού Σημείο αντίδρασης οξυγόνου Στατικό οριακό στρώμα υγρού Διεπιφάνεια αέριας-υγρής φάσης
Συντελεστής μεταφοράς Ο 2 σε ζυμωτήρες Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερμότητας Ν Α = k L * α * ( mxc AG C AL ) Ανάδευση Ρύθμιση ph Διαλυτότητα Ο 2 = C * AL 1. Φυσαλίδες (ΑΝΑΔΕΥΣΗ-ΜΕΣΟ) 2. Αντιαφριστικές ουσίες 3. Θερμοκρασία 4. Πίεση και μερική πίεση Ο 2 5. Συγκέντρωση και μορφολογία κυττάρων
Κρίσιμη συγκέντρωση Ο 2 Q o = q o * x Q o : απαίτηση κυττάρων σε Ο 2 (g l -1 s -1 ) q o : ειδικός ρυθμός κατανάλωσης Ο 2 (g g -1 s -1 ) Ν Α = k L α ( C* AL C AL ) = q o *x x max k L ac* q o AL ( k L a) crit ( C * q AL o x C crit )
Υπολογισμός k L α - Μέτρηση Ο 2 σε σταθερή κατάσταση N A 1 V L F C F C g AG i g AG o όπου V L : όγκος του υγρού στο ζυμωτήρα F g : ογκομετρική παροχή αέρα C AG : συγκέντρωση Ο 2 στην αέρια φάση i,o: δείκτες που υποδηλώνουν το ρεύμα εισόδου και εξόδου, αντίστοιχα Ν Α = k L α ( C* AL C AL )
Υπολογισμός k L α - Μέθοδος Δυναμικής Απόκρισης Διακοπή τροφοδοσίας αέρα Επανέναρξη τροφοδοσίας αέρα _ C AL C AL2 C AL * Διαλυτότητα Ο 2 C AL C AL1 _ C AL Συγκέντρωση ισορροπίας Ο 2 C Crit t o t 1 t 2 Χρόνος Στο στάδιο διακοπής της τροφοδοσίας δεν υπάρχει μεταφορά μάζας
x q C C a k dt dc o AL AL L AL * AL AL L o C C a k x q * 1 2 2 1 C ln t t C C C a k AL AL AL AL L Μέθοδος Δυναμικής Απόκρισης
Στόχος Μεταφορά θερμότητας Διατήρηση της βέλτιστης για την παραγωγή του επιθυμητού προϊόντος θερμοκρασίας Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερμότητας Ανάδευση Ρύθμιση ph Αντιμετώπιση αφρισμού Μέθοδοι Εξωτερικός μανδύας Εσωτερικό σπείρωμα με κλειστό κύκλωμα κυκλοφορίας Παράγοντες που επηρεάζουν το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας Έκλυση θερμότητας από τον αναπτυσσόμενο μικροοργανισμό Είσοδος/έξοδος αέριων ή υγρών ρευμάτων Μηχανική ανάδευση Ρυθμός απωλειών ενέργειας στο περιβάλλον
Αποστείρωση Σκοπός της ανάδευσης Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερμότητας Ανάδευση Ρύθμιση ph Αντιμετώπιση αφρισμού ανακάτεμα διαλυτών συστατικών του θρεπτικού μέσου διασπορά αερίων (π.χ. αέρας) μέσα σε υγρό με τη μορφή μικρών φυσαλίδων διατήρηση στερεών σωματιδίων (π.χ. κυττάρων) σε αιώρηση διασπορά μη αναμείξιμων υγρών με σχηματισμό γαλακτώματος ή αιωρήματος σταγονιδίων ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας από και προς το υγρό μέσο
Ρύθμιση ph Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερμότητας Ανάδευση Στόχος Διατήρηση του βέλτιστου για την παραγωγή του επιθυμητού προϊόντος ph Ρύθμιση ph Αντιμετώπιση αφρισμού Μέθοδοι Προσθήκη διαλυμάτων οξέος και βάσεως Δυνατότητα αυτόματης ρύθμισης Χρήση ουσιών με ρυθμιστική ικανότητα (buffering capacity) στο μέσο ανάπτυξης Χρήση κατάλληλης πηγής αζώτου (π.χ. NH 3 ή αλάτων με NH 4+ )
Αντιμετώπιση αφρισμού Αποστείρωση Μεταφορά Ο 2 Μεταφορά θερμότητας Στόχος Πρόληψη μολύνσεων και απωλειών του περιεχομένου του βιοαντιδραστήρα Ανάδευση Ρύθμιση ph Αντιμετώπιση αφρισμού Μέθοδοι Προσθήκη αντιαφριστικών ουσιών (ελάχιστη δυνατή ποσότητα) Χρήση αντιαφριστικών πτερυγίων Ρύθμιση ανάδευσης Ρύθμιση παροχής αέρα Δυνατότητα αυτόματης ρύθμισης
Τύποι βιοαντιδραστήρων Από τη μεγάλη ποικιλία βιοαντιδραστήρων που έχουν σχεδιαστεί, οι ακόλουθοι τύποι είναι οι περισσότερο διαδεδομένοι: Πλήρους αναμίξεως (stirred tank bioreactor) Στήλης φυσαλίδων (bubble column bioreactor) Βρόχου (loop bioreactor) Κλίνης (bed bioreactor) Μεμβρανών (membrane bioreactor) Ζύμωσης στερεάς κατάστασης (solid-state fermentor)
Βιοαντιδραστήρες πλήρους αναμίξεως Καλός έλεγχος και ρύθμιση μεταβλητών Μεγάλος αριθμός ερευνητικών εργασιών Αντιβιοτικά Αμινοξέα Βιομηχανικά ένζυμα
ΚΑΤΑΝΕΜΗΤΗΣ ΑΕΡΑ (sparger) Βιοαντιδραστήρες στήλης φυσαλίδων ΕΞΟΔΟΣ ΑΕΡΑ Χαμηλό κόστος κατασκευής Ικανοποιητική μεταφορά μάζας & θερμότητας Ζύμη αρτοποιϊας Κιτρικό οξύ ΕΙΣΟΔΟΣ ΑΕΡΑ
Βιοαντιδραστήρας βρόχου ΕΞΟΔΟΣ ΑΕΡΑ Ικανοποιητική ανάδευση Πολύ καλή μεταφορά μάζας Προστασία ευαίσθητων κυττάρων Ζωϊκά κύτταρα Επεξεργασία βιομηχανικών αποβλήτων ΕΙΣΟΔΟΣ ΑΕΡΑ
Βιοαντιδραστήρες κλίνης Σταθερής κλίνης (packed bed) Video Ρευστοποιημένης κλίνης (fluidized bed) Video Δυνατότητα συνεχούς λειτουργίας Αυξημένη διεπιφάνεια Μεγάλη συγκέντρωση βιοκαταλύτη Αντιμετώπιση αναστολής από προϊόν Παραγωγή οξικού οξέος (ξίδι) Παραγωγή βιοαερίου από στερεά απόβλητα Εύκολη ρύθμιση ph και Τ Δυνατότητα χρήσης κολλοειδών υποστρωμάτων Επεξεργασία υγρών αποβλήτων Πιλοτική παραγωγή μπύρας χωρίς αιθανόλη (alcohol-free) Πιλοτική παραγωγή anti-hiv αντισωμάτων
Ύψος: 21 m Όγκος: 390 m 3 Βιοαντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης Υπόστρωμα: απόβλητα εργαστασίου παραγωγής ζύμης Βιοκαταλύτης: ακινητοποιημένα βακτηριακά κύτταρα σε άμμο Συνθήκες: αναερόβιες Gist-brocades, Delft - Ολλανδία
Βιοαντιδραστήρες μεμβρανών Βιοαντιδραστήρας κοίλων ινών Θρεπτικά συστατικά ΚΥΤΤΑΡΑ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΚΥΤΤΑΡΑ Απομάκρυνση παρεμποδιστικού προϊόντος ή άλλων παρεμποδιστών Δυνατότητα συνεχούς λειτουργίας Ενζυμικοί βιοαντιδραστήρες Ανάπτυξη ζωικών κυττάρων Ανάπτυξη αρχαιοβακτηρίων
Βιοαντιδραστήρες ζύμωσης στερεάς κατάστασης Ζύμωση στερεάς κατάστασης: ανάπτυξη μικροοργανισμών σε στερεά υποστρώματα απουσία ελεύθερου νερού Με δίσκους Στερεάς κλίνης Περιστρεφόμενου τυμπάνου Με ανάδευση Χαμηλό κόστος εγκατάστασης & λειτουργίας Ευκολότερη ανάκτηση προϊόντων Αμυλάση Πρωτεάση Παραδοσιακά τρόφιμα Α. Ανατολής (soy sauce)
Φωτοβιοαντιδραστήρες Τύπος: Βιοαντιδραστήρας με λήψη πολλαπλών σωληνώσεων 96 σωλ. πολυαιθυλενίου (μήκος 120 m, διάμετρος 25 cm, όγκος: 600 m 3 ) Καταλύτης: κύτταρα κυανοβακτηρίου Arthrospira platensis Τροφοδοσία: αντλία & σωλήνας ανακυκλοφορίας Hidrobiologica SA, La Rioja, Αργεντινή
Επιλογή & σχεδιασμός βιοαντιδραστήρων Κριτήρια - Περιορισμοί Μικροοργανισμός (είδος, φυσιολογία, γενετική αστάθεια) Υπόστρωμα (τύπος, παρεμπόδιση) Προϊόν (φάση παραγωγής, αξία) Κάθε περίπτωση αποτελεί ένα μοναδικό πρόβλημα και πρέπει να εξετάζεται με βάση τους συγκεκριμένους περιορισμούς
Παραγωγή κιτρικού οξέος Aspergillus niger Ο μικροοργανισμός παράγει κιτρικό οξύ σε συνεχή παροχή Ο 2 Το προϊόν έχει χαμηλή τιμή Ικανοποιητικός ρυθμός μεταφοράς Ο 2 Μεγάλος όγκος & απλή δομή αντιδραστήρα Βιοαντιδραστήρας στήλης φυσαλίδων
Παραγωγή ενζύμων από θερμόφιλους μύκητες Thermoascus aurantiacus Στερεό υπόστρωμα Ευαισθησία σε διατμητικές τάσεις Υψηλός ρυθμός εξάτμισης λόγω υψηλής Τ Ζύμωση στερεάς κατάστασης Ήπιες συνθήκες ανάδευσης Διατήρηση της υγρασίας του θρεπτικού μέσου Ζυμωτήρας στερεάς κατάστασης με περιστρεφόμενο τύμπανο
(-ds) ολικό = (-ds) κύτταρα + (-ds) προϊόν + (-ds) διατήρησης O συντελεστής μετατροπής, Υ ορίζεται με βάση το ποσό κατανάλωσης κάποιου συστατικού Συντελεστής μετατροπής (2) υποστρώματος σε μικροβιακή μάζα Ο τρόπος κατανάλωσης του υποστρώματος (S) μεταβάλλεται με τις συνθήκες ανάπτυξης η τιμή του Y /S δεν είναι σταθερή (3) Συντελεστής μετατροπής υποστρώματος σε προϊόν (1) (4) Συντελεστής διατήρησης των κυττάρων 50
Από την εξίσωση (1) Λαμβάνοντας υπόψιν τις εξισώσεις (2), (3) και (4) ds 1 d 1 dt ό Y / S dt YP / S dp dt m Επιπλέον ισχύουν 1 d dt 1 dp dt q P και 51
Προϊόντα από αναπτυσσόμενα κύτταρα (growth associated products) Προϊόντα από μη αναπτυσσόμενα κύτταρα (non growth associated products) Προϊόντα από αναπτυσσόμενα και μη αναπτυσσόμενα κύτταρα (mixed growth associated products) q p = αμ g + β 52
S K S dt dx S m S S Y S 0 0 S Y K Y S Y dt dx S S S S m 0 0 0 0 t S Y S Y S Y K Y S Y S Y K Y m S S S S S S S S S 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ln ln σιγμοειδούς τύπου καμπύλη μικροβιακής ανάπτυξης σε συνθήκες διαλείποντος έργου και η τιμή του Χ τείνει ασυμπτωτικά στην τιμή 0 S 0 Y S με ολοκλήρωση 53
Κινητική ζυμωτήρων συνεχούς έργου F S o F S, ΜΟΝΙΜΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ d dt = ( μ D ) μ = D Μεταβολή D Μεταβάλλοντας την τιμή του D (με αλλαγή της παροχής F), ο ρυθμός ανάπτυξης μπορεί να λάβει την επιθυμητή τιμή μ Κρίσιμη τιμή D crit = μ max [S o ] K s + S o S = S o Βέλτιστη τιμή (παραγωγικότητα ως προς Χ) D opt = μ max ( 1 - K s ) K s + S o
Για περισσότερες πληροφορίες M. Shuler, F. Kargi, Μηχανική Βιοδιεργασιών, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις ΕΜΠ, Αθήνα 2005 Μ. Καλογερή, Δ. Κέκου, Στοιχεία Βιοχημικής Μηχανικής, ΕΜΠ, 2008 Χ. Σταμάτη, Στοιχεία Ενζυμικής Βιοτεχνολογίας και Παραγωγής Βιοτεχνολογικών Προϊόντων, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, 2005 Γ. Αγγελή, Μικροβιολογία & Μικροβιακή Τεχνολογία, Εκδόσεις Σταμούλης, Αθήνα, 2007 P. Doran, Bioprocess Engineering Principles, Academic Press, San Diego, 1995 C. Ratledge, C. Kristiansen, Basic Biotechnology, 2 nd edition, Cambridge University Press, 2001 H. Reim, G. Reed, A. Puhler, P. Stadler, Biotechnology, 2 nd edition, VCH, Weinheim, 1993 M. Flickinger & S. Drew - Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation, Biocatalysis & Bioseparation, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1999