Bioinženýratví II – sylabus k předmětu
BIOINŽENÝRSTVÍ II Energetický metabolismus buněk Vznik a přenos energie v buňce Přeměny energie v biosféře, uvolňování energie v katabolismu, biologické redoxní systémy, redoxní potenciál, volná energie a její změny, exergonické a endergonické reakce, změny entropie a entalpie, vztah mezi volnou energií a rovnovážnou konstantou. Spřažení reakcí a reakčních systémů. Spřažení exergonických a endergonických reakcí v buňce – podmínky spřažení, konformační energie molekuly, konzervace uvolněné volné energie, faktory ovlivňující hodnotu uvolněné volné energie, energeticky bohaté sloučeniny v buňce, fosfageny a polyfosfáty a jejich úloha v metabolismu buněk.
Transferový potenciál fosforylovaných sloučenin, vznik a úloha ATP, NAD(P) Vznik ATP na substrátové úrovni, spřažení dvou katabolických reakcí, účast ATP v syntetických reakcích, výpočet změn volné energie a účinnosti jejího využití, princip spřažení katabolismu a anabolismu. Role NAD (P) v metabolismu – transhydrogenasová reakce. Charakteristika fyziologického stavu buněk z hlediska buněčné energetiky – energetický náboj, princip regulace. Typy kultivací buněk z hlediska spřažení katabolismu a anabolismu.
Buněčná energetika z hlediska způsobu přenosu elektronů Proces fermentace – charakteristické vlastnosti, nefermentovatelné substráty, vlastnosti oxido-redukčních reakcí při fermentaci, energetická bilance, účinnost konzervace uvolněné energie, energetický zisk. Proces aerobní respirace – charakteristické vlastnosti, mitochondriální a bakteriální respirační řetězec – vlastnosti, odlišnosti, přenos elektronů respiračním řetězcem. Oxidační fosforylace – charakteristika procesu, energetika přenosu elektronů, lokalizace přenašečů, účinnost procesu, P/O poměr. Účinnost využití uvolněné energie v procesu aerobní respirace, porovnání s procesem fermentace. Proces anaerobní respirace – charakteristické vlastnosti, rozbor jednotlivých typů procesů z hlediska finálního akceptoru elektronů, energetického zabarvení procesu, fyziologických donorů vodíku a elektronů, dráhy přenosu elektronů, enzymů podílejících se na přenosu elektronů a jejich lokalizace, regulace procesů a jejich energetický zisk. Respirace: nitrátu, fumarátu, tetrathionátu, sulfátu, CO2. Výskyt jednotlivých procesů v biosféře a jejich úloha. Regulační mechanismy vyřazující nevýhodné dráhy přenosu elektronů v buňkách majících schopnost využít více různých finálních akceptorů elektronů.
-2Porovnání všech uvedených způsobů získávání energie z hlediska energetické výhodnosti.
Transformace, konzervace a transdukce energie v buňce Vysvětlení jednotlivých dějů, interkonvertibilita přeměny a konzervace energie v buňce, teorie vzniku ATP dle postupného vývoje (chemická, konformační, protonového gradientu), funkce a působení odpřahovadel a inhibitorů procesu oxidační fosforylace.
Energetické spřažení v průběhu růstu buněk Energetické aspekty růstu buněk. Podmínky podmiňující účinné spřažení katabolismu se syntetickými reakcemi, funkce řídící reakce, odlišnosti ve využití uvolněné volné energie je-li řídící reakce v katabolismu a v anabolismu. Princip a mechanismus respirační kontroly (regulace rychlosti respirace). Odpřažení katabolismu od růstu buněk – osud uvolněné volné energie v buňce. Faktory ovlivňující odpřažení katabolismu od růstu (živiny, teplota kultivace, membránová ATP-asa, některé ionty). Vnější projevy odpřažení. Posouzení spřažení katabolismu s růstem a jeho účinnosti z experimentálních dat kultivací. Výtěžnost YATP – definice, podmínky udržení její konstantní hodnoty. Maintenance energie – kvantitativní určení z experimentálních dat kultivací pomocí výtěžností nebo metabolických kvocientů YX/S, qS, YATP, qATP, qO2, YX/O2. Faktory ovlivňující hodnotu YATP. Endogenní metabolismus buněk – faktory ovlivňující jeho aktivitu.
Tvorba tepla v průběhu mikrobního procesu Příčiny uvolňování tepla v průběhu kultivace buněk, význam kvantitativního určení množství uvolněného tepla. Problémy s chlazením bioreaktorů. Způsoby měření uvolněného tepla – mikrokalorimetrie, tepelná bilance reaktoru, výpočtem. Stanovení uvolněného tepla ze spotřeby substrátu a tvorby produktů. Stanovení uvolněného tepla ze spotřeby kyslíku. Výpočet množství uvolněného tepla v průběhu kultivace buněk – vliv výtěžnosti biomasy vztažené na spotřebovaný zdroj uhlíku a energie, vliv oxidačního stupně zdroje uhlíku a energie, vliv produktivity procesu. Uvolňování tepla v průběhu anaerobního růstu. Praktické příklady s různými zdroji uhlíku a energie a důsledky nedostatečného chlazení bioreaktorů.
Procesy a zařízení biotechnologických výrob Bioreaktory Rozdělení reaktorů podle různých hledisek, velikosti používaných reaktorů.
Bioreaktory s mechanickým mícháním Reaktory s radiálním míchadlem, cirkulační reaktory s vrtulovým míchadlem a s kombinovanými míchadly. Reaktory bez distributoru vzduchu, reaktory s násobnými míchadly. Vícestupňové reaktory s malým a vysokým oddělovacím efektem, reaktory s vibračním mícháním, horizontální tubulární reaktory.
-3-
Konfigurace, významné parametry, výhody a nevýhody, praktické aplikace. Faktory ovlivňující ekonomicky optimální návrh míchacího zařízení (technologická operace, délka operace, investiční a provozní náklady).
Pneumaticky míchané reaktory Reaktory s neuspořádaným prouděním kapaliny – cylindrokónický reaktor, reaktory s trubkovými distributory vzduchu, probublávané kolony, věžové vícestupňové reaktory s perforovanými překážkami. Airlift reaktory – s vnitřní a vnější cirkulací, šachtové reaktory, význam perforovaných překážek. Konfigurace, významné parametry, výhody a nevýhody, praktické aplikace.
Reaktory s hydraulickým mícháním Princip, odlišnost mezi hydraulickým a hydrodynamickým způsobem míchání. Cirkulační reaktory s ponořenou tryskou – způsoby distribuce vzduchu (ejektorový, injektorový typ), tryska vzhůru, tryska dolů. Cirkulační reaktory s ponořeným paprskem proudu. Reaktor s definovanou malou dodávkou kyslíku (eliminace střižných sil). Konfigurace, významné parametry, výhody a nevýhody, praktické aplikace.
Speciální bioreaktory pro kultivace mikrobních, rostlinných a tkáňových buněk Membránové reaktory různých typů a konfigurací, perfusní reaktory – princip, význam, aplikace mikronosičů, typy. Reaktory s fluidní vrstvou – používané částice, výhody, nevýhody, praktické aplikace. Náplňové reaktory – náplňové materiály, výhody, nevýhody, praktické aplikace. Trickle bed reaktory – náplňové materiály, výhody, nevýhody, praktické aplikace. Zařízení pro povrchovou kultivaci. Zařízení pro kultivaci na tuhém substrátu. Zařízení pro kultivaci tkáňových kultur – typy rollerů, regulace rychlosti, konstrukční detaily. Typy třepaček – dynamicky vyvážená zařízení, problémy s instalací (hmotnost) a provozem (hlučnost). Speciální mechanicky míchané reaktory pro čištění kontaminovaných půd. Bioreaktory pro výrobu vakcín a očkovacích látek (specifické požadavky).
Konstrukční materiály pro biotechnologický průmysl Přihlédnutí ke specifickým požadavkům biologického procesu, udržení hygieny a aseptických podmínek. Kovové materiály – litina, oceli uhlíkové a nerezavějící, měď, hliník, titan, cín, mosaz, bronz, speciální slitiny.
-4Kvalita povrchu, kouty, rohy, štěrbiny. Nekovové materiály – sklo, polyethylen, polypropylen, PVC, polyamid, fluorované plasty, polyethersulfony, akrylonitrilbutadienstyren (ABS). Pryže: vulkanizáty butylkaučuku, ethylenpropylendicyklopentadien (EPDM), vulkanizáty styrenbutadienu (SBR), neopren, vulkanizáty nitridového kaučuku, silikonová pryž, fluorovaná pryž (Viton). Keramické materiály, dřevo.
Konstrukce bioreaktorů Tvar reaktoru, míchací a aerační zařízení, pohon a regulace frekvence otáčení míchadla, magnetické spojky, mechanické ucpávky hřídele míchadla, utěsnění pohonu vibračního míchadla, tubusy pro vložení elektrod a jejich umístění, pro vstup louhu, kyseliny, pro inokulaci, zařízení pro odběr vzorků, snižování odparu z reaktoru, řešení vstupu živného média do reaktoru, řešení přívodu aeračního vzduchu do distributoru, typy distributorů vzduchu, řešení vypouštěcího potrubí a průlezu, zabránění úniku aerosolu (s buňkami) a pachů z bioreaktoru – hledisko bezpečnosti (výstupní filtr).
Měření a regulace provozu bioreaktorů Požadavky kladené na měřící a regulační přístroje v provozních podmínkách. Objem kultivačního média v reaktoru a zásobnících (aseptické, neaseptické podmínky). Tlak, průtoky vzduchu a kapalin. Frekvence otáčení a příkon míchadla, typy pohonů. Teplota. Odpěňování – chemické metody, mechanické odpěňovače. Rheologické vlastnosti mikrobiálních suspenzí. pH média. Redox potenciál, tense rozpuštěného kyslíku, tense rozpuštěného CO2. Analyzátory O2 a CO2 v plynech. Turbidita, koncentrace iontů, enzymové elektrody. Celková koncentrace tuhé fáze (total suspended solids). Celková koncentrace organického uhlíku (TOC). V jednotlivých případech uvedeny principy měření, typy používaných čidel, princip regulace včetně akčních členů.
Speciální zařízení Armatury (ventily, šoupátka, kohouty, pojistné ventily, zpětné klapky) pro aseptické a neaseptické části výrob. Redukční ventily a regulátory tlaku vzduchu, solenoidové ventily (tlačkové), jehlové regulační ventily. Potrubní spojení, druhy těsnění. Čerpadla pro neaseptické a aseptické podmínky (objemová, dávkovací, syringe pumps) – vysvětlení a popis různých typů.
Přípravné operace a zařízení biotechnologických výrob. Uskladnění a manipulace se surovinami. Příprava vzduchu pro bioreaktor – sání vzduchu, kompresorovna, rozvodné potrubí, předfiltr, sterilační filtr, měření a regulace průtoku vzduchu. Příprava kultivačního média – doprava a dávkování surovin, rozpouštěcí nádrže a mezizásobníky, doprava do bioreaktoru. Odlišnosti při použití zemědělských surovin a chemicky čistých látek. Homogenizace v průběhu dopravy (statické mísiče).
-5Sterilace kultivačního média a zařízení – pro batch a kontinuální procesy. Definice základních pojmů. Výpočet. Sterilace vzduchu pro výrobu a pro výrobní haly – typy filtrů. Čištění a sanitace výrobních strojů a zařízení. Větrání, vytápění a úprava vzduchu pro laboratoře a výrobní haly. Voda technologická a technická – okruh chladící vody, problémy při provozu. Nároky kladené na technologickou vodu. Příprava inokula – popis a význam propagační stanice. Očkování sporami.
Dokončovací operace a zařízení biotechnologických výrob. Dezintegrace buněk – mechanické a nemechanické způsoby. Popis jednotlivých metod, výhody, nevýhody, dodávaná aseptická zařízení. Filtry a odstředivky – typy, funkce, aplikace. Odparky a kondenzátory – typy, funkce, aplikace. Sušárny – typy, funkce, aplikace. Destilační zařízení – vnitřní vybavení kolon, konstrukce kolony, vařáky, kondenzátory, příslušenství kolon. Metody stabilizace produktu.
Doporučená literatura: Rychtera M., Uher J., Páca J.: Lihovarství, drožďářství a vinařství, skriptum VŠCHT, SNTL, Praha 1991 Sikyta B.: Metody technické mikrobiologie, SNTL, Praha 1978 Kaprálek F.: Fyziologie bakterií, SNP, Praha 1986 Weide H., Páca J., Knorre W. A.: Biotechnologie, Fischer Verlag, Jena 1991 Horák J., Kotyk A., Sigler K.: Biochemie transportních popochodů, Academia Praha, 1984 Krumphanzl V., Řeháček Z.: Mikrobiální technologie, Academia, Praha 1987 Cudlín J.: Vybrané metody v mikrobiologii, Academia, Praha 1981 Páca J.: Kvasný průmysl č. 1,3-7,10,11 (1987) Páca J.: Kvasný průmysl č. 2,3 (1990)
