BIOMÉRNÖKI MŰVELETEK ÉS FOLYAMATOK II Tantárgyfelelős: Dr. Karaffa Levente Oktató: Dr. Karaffa Levente, Dr. Fekete Erzsébet Tanszék: Mikrobiológiai és Biotechnológiai Tanszék Megkövetelt előzmény: Biomérnöki műveletek és folyamatok I Képzés: Biológus Laboratóriumi operátor Periódus: 1 Óraszám: 2+0+0 Kredit: 3 Számonkérés: Kollokvium 1. előadás Bioreaktorok tervezése I. Történeti előzmények. Egy bioreaktor alapvető funkciói és a vele szemben támasztott legfontosabb követelmények. A bioreaktor méreteinek szélső értékei. A fermentortest anyaga, felépítése, méretei és arányai, a fermentor méretének és funkciójának függvényében. A mechanikusan kevert tankreaktor felépítése. Az oszlop-(air-lift) reaktorok típusai, felépítésük, működésük és alkalmazásuk. A Waldhof-típusú fermentor. Acetátorok és kavitátorok. A fluidizált ágyreaktor. A ciklon reaktor. A merülősugaras (deep-jet) reaktor. Fotobioreaktorok felépítése és alkalmazása. Membránfermentorok. Keverőtárcsás reaktorok. A fémtest korróziója, elhárításának lehetőségei. A bioreaktorok hőtana. A fermentor hűtésének illetve fűtésének biológiai okai és technikai lehetőségei. A fűtés illetve a hűtés energiaigénye és ennek becslése. A reaktor hűtésének illetve fűtésének költségvonzata. Steril körülmények fenntartása a bioreaktorban. A sterilizálást követő ráadagolás illetve inokulálás megvalósításának technikai háttere. Szelepek típusai: kapuszelep, gömbszelep, dugószelep, hengerszelep, tűszelep, pillangószelep, labdaszelep, diafragmaszelep, nyomásszabályzó szelep felépítése és alkalmazása. Biztonsági szelepek felépítése, működése és jelentősége. 2. előadás Bioreaktorok tervezése II. Anaerob fermentációk. Az oxigén távoltartásának fontossága és megvalósításának technikai lehetőségei. Aerob fermentációk. A levegőellátás biztosítása. A bioreaktor levegőztetőrendszerének részei. A keverőlapát funkciói és típusai. A Rushtontárcsa. A keverőlapát mérete, arányai, teljesítménye, áramfelvétele és ennek költségtényezői. A keverőlapát-tengely reaktortestbe való beépítésének lehetőségei; a sterilitás és a hatékonyság szempontjai. A keverőlapát meghajtásának géptana. Energiaigény, költségtényezők. Tömítőgyűrűk típusai. A levegő-fúvóka kialakításának elvi háttere és típusai. A fúvóka és a keverőlapát funkcionális kapcsolata. A levegű befúvatását végző kompresszorok általános felépítése, és a biomérnöki gyakorlatban használt speciális típusok ismertetése. Nyomáscsökkentők és kondenzvízcsapdák. A torló fogalma és gyakorlati jelentősége. A torlók elhelyezése a bioreaktorban. A torlók méretarányai. A mintavevő rendszer felépítésének lehetőségei és az elterjedtebb típusok ismertetése. 3. előadás Az oxigénigény és az oxigénellátás mennyiségi kérdései. A glükóz oxidációja és az aerob légzés oxigénigénye. A fermentáció teljes oxigénigénye. Az oxigénigény szénforrás-függése. A biomassza-koncentráció és az oxigénigény kapcsolata. Az oxigén vízben való oldékonysága, az oldékonyságot növelő illetve csökkentő tényezők. A Henry-törvény. A kritikus oldott oxigén koncentráció fogalma és értelmezése a növekedés illetve a termelés szempontjából. Bioreaktorok oxigénellátásának biztosítása. A léptéknövelés és az
oxigénellátás kapcsolata. A rázatott lombik. Az egyesített tömegátviteli koefficiens (Kla) jelentése, értelmezése. A Kla érték becslésének módjai: a szulfit-oxidációs módszer, a statikus illetve dinamikus gassing-out technika, az oxigén-egyensúly módszer. Az egyes módszerek technikai kivitelezése, relatív előnyeik és hátrányaik. A KLa értékét befolyásoló tényezők: a bioreaktor mérete és arányai, a tápfolyadék összetétele, reológiája, a mikroorganizmus morfológiája és élettani állapota, a levegőbefúvatás mértéke, a keverés sebessége, a keverőlapát mérete, elhelyezése és kialakítása. A habzás és a habzásgátlók kapcsolata az oxigéntranszferrel. A KLa és a bioreaktor kevertetés során bekövetkező áramfelvétele közti összefüggések. A kevertetés áramigénye és a fermentáció fizikai paraméterei közötti kapcsolat. A Reynolds-szám és a Froude-szám. A Reynolds-szám függése a bioreaktor típusától. 4. előadás A bioreaktorokban végbemenő folyamatok műszeres kontrollja I. A kontrollált környezet jelentősége a fermentációs folyamat sikerében. A kontroll-rendszer (szabályzókör) alapelemei: a változó, a szenzor, a jelátalakító (transzducer) és a szabályozó. A szabályozás lehetőségei: kézi vezérlés, automatizált vezérlés. Az automatizált vezérlés alapesetei: kétpoziciós szabályzás, proporcionális szabályzás, integrál szabályzás, derivatív szabályzás. Kombinált szabályozási típusok. A fermentáció szempontjából legfontosabb paraméterek: hőmérséklet, kémhatás, kevertetés sebessége, tápközeg oldott oxigéntartalma, a tápközeg redoxpotenciálja, a levegőbeáramlás sebessége, az elmenő levegő gázegyenlege, a bioreaktor áramfelvétele, a reaktoron belüli nyomás, a bioreaktor súlya, a habzás mértéke. A fenti paraméterek mennyiségi meghatározásának okai és elméleti alapjai. Az egyes paraméterek műszeres mérése a biomérnöki gyakorlatban: hőmérséklet mérése. Hőmérők típusai (higanyos, bimetálos, termisztoros, ellenálláson alapuló, termokapcsoló), az egyes típusok előnyei és hátrányai. Szabályzókör a hőmérséklet állandó értéken tartására, a fűtés és a hűtés összehangolása. Hőcserélők típusai és jelentőségük. 5. előadás A bioreaktorokban végbemenő folyamatok műszeres kontrollja II. A levegőáramlás mennyiségi meghatározása: lebegőtestes áramlásmérő (rotaméter), hődrótos áramlásmérő. A levegő áramlását mérő készülékek felépítése és működése. Steril és nem-steril folyadékok áramlásának nyomonkövetése, az áramlási sebesség mérése laboratóriumi illetve termelői léptékű bioreaktorban. A bioreaktorokban fellépő nyomásértékek. A nyomás mérése. A Bourdon-csöves nyomásmérő. Mechanikus és elektromos nyomásérzékelők. Piezoelektromos transzdúcer alkalmazása a nyomásmérésben. Bioreaktorok áramfelvétele. Az áramfelvétel nagyságrendje és mérése a reaktor méretének függvényében. Torziós dinamométer alkalmazása. A keverés sebességének mérése. Tachométerek típusai. A habzás érzékelése és mértékének meghatározása. Habzásérzékelő szenzorok, a habzás kontrollja. Habzásgátlók adagolásának módjai. Mechanikus habzásgátlás (habtörők). A bioreaktor súlyának mérése, az így nyert adat jelentősége. A „mérleg” felépítése és működése. 6. előadás A bioreaktorokban végbemenő folyamatok műszeres kontrollja III. A fermentlében oldott oxigén mennyiségi meghatározása. Galvanikus és polarográfiás oxigénelektródok. Az oldott oxigén gázfázisba történő kivezetésén alapuló analitikai módszerek. A folyadékban oldott szén-dioxid mennyiségi meghatározása, a szén-dioxid szenzor felépítése és működése. Az elmenő levegő minőségi és mennyiségi analízise. Az oxigén. Paramágneses illetve deflekciós oxigénmérő működési elve és felépítése. A szén-dioxid. Infravörös elnyelésen alapuló készülékek felépítése és működése. Az alkohol mennyiségi meghatározása. Kombinált
gázelemző készülékek. Tömegspektrométer alkalmazása az elmenő levegő analízise során. A kémhatás. A fermentlé kémhatásának mérése és szabályozása. Kombinált üvegelektródok alkalmazása. A pH-elektróda nyomással és hőmérséklettel szembeni érzékenységének csökkentése. Az elektróda hőmérséklet hiszterézisének problémája és leküzdése. A kémhatás szabályozásának technikai megvalósítása a bioreaktor méretének tükrében. A redoxpotenciál. A redoxpotenciál mérésének jelentősége és kivitelezése. Ionszelektív elektródok, enzimalapú elektródok. Immobilizált mikroorganizmusokat alkalmazó elektródok és ezek gyakorlati jelentősége. Fluoriméterek alkalmazása a biomérnöki gyakorlatban. A számítógép kitüntetett szerepe a biomérnöki folyamatok műszeres kontrollja során. 7. előadás Termékkinyerés a bioreaktorból I. A termékkinyerés munka-és költségvonzata a fermentációs folyamaton belül. A termék lokalizációja, a termék koncentrációja, a termék kémiai és fizikai tulajdonságai, a termék tervezett felhasználása, a termék tisztasági kritériumai, a fermentlében lévő szennyezők, illetve a termék ára, mint a kinyerési technológia kiválasztását befolyásoló alapvető tényezők részletes tárgyalása konkrét példákon keresztül. Extracelluláris termékek kinyerésének folyamata: az elsődleges tisztítás technikai megvalósítása. Szilárd anyagok és a mikroorganizmus sejtjeinek eltávolítása. Szűrés. A szűrési folyamat elméleti alapjai: a Darcyegyenlet és értelmezése. Filter-típusok a biomérnöki gyakorlatban, folytonos és szakaszos (batch) szűrők. A vákuum dobszűrő felépítése. A centrifugálás folyamata. Centrifuga-típusok ismertetése: kosárcentrifuga, többkamrás centrifuga, dekantáló centrifuga, korongos illetve csöves centrifuga. Az egyes centrifuga-típusok kiválasztásának szempontjai. A mikróbasejtek aggregációja és flokkulációja. Habbal történő elválasztás, a folyamat elméleti háttere és technikai megvalósítása. A termék kicsapása (precipitáció). 8. előadás Termékkinyerés a bioreaktorból II. Intracelluláris termékek kinyerésének folyamata: sejtfeltárás. A sejtfeltárás fizikai-mechanikai lehetőségei: nagy nyomást alkalmazó folyadékhomogenizátorok (Manton-Gaulin homogenizátor), szilárdtest-homogenizátorok (X-press, French-press), forgótárcsás homogenizátorok. Ismétlődő fagyasztást és olvasztást alkalmazó dezintegrátorok. A fenti készülékek felépítésének és működésének részletes ismertetése. A sejtfeltárás kémiai lehetőségei: detergensek alkalmazása, ozmotikus sokk alkalmazása, lúgos illetve enzimes kezelés. Az elsődleges tisztítást követő lépések: frakcionálás. Folyadékfolyadék extrakció alkalmazása termékkinyerésre. Egylépcsős folyadékextrakció. Párhuzamos illetve ellenáramú folyadékextrakciós készülékek felépítése és működése. A Podbielniakextraktor. Az oldószer visszanyerésének módjai. Másodlagos és harmadlagos tisztítási lépések. Adszorpciós, ioncserélő és affinitás-kromatográfia alkalmazása a biomérnöki gyakorlatban. Gélszűrés. Folytonos kromatográfia. Ultraszűrés. Szárítás, kristályosítás. A folyamatokhoz tartozó készülékek működése. A teljes fermentlé tisztítása, a módszer előnyei és hátrányai. A teljes fermentléből történő termékkinyerést könnyítő biomérnöki lehetőségek. 9. előadás A biomérnöki folyamat hulladékainak kezelése. A hulladékanyagok alapvető típusainak ismertetése. A fermentációs-biomérnöki folyamatok hulladékainak jellegzetes tulajdonságai. A hulladékanyagoknak a viz oldott oxigén koncentrációjára gyakorolt hatása. A „biológiai oxigénigény” és a „kémiai oxigénigény” fogalma és meghatározása. A két érték arányának jelentősége. Üzemi hulladék-kezelési program tervezése. A tervezés előtt meghatározandó és lemérendő üzemi paraméterek és adatok. A szennyvíz szervesanyagtartalmának jelentősége. A szennyvíz felhasználásának módjai. Aerob szennyvíztisztítás aktivált iszap segítségével. A folyamat áttekintése, fontosabb elemeinek ismertetése. Membrán-bioreaktorok felhasználása
aktivált iszap előállítására. Anaerob szennyvíztisztítás. Biogáz előállítás szerves hulladékok konverziójával. Az anaerob lebontás szakaszai: a hidrolitikus, a szintropikus és a metanogén szakaszok mikrobiológiai és technológiai jellemzése. Az UASB és az EGSB-típusú reaktorok felépítése és működése. Az aerob illetve anaerob szennyvíztisztítás jellemzőinek összevetése. Az aktivált iszap teljesítményének fokozása biomérnöki eszközökkel. A víz üzemen belüli újrahasznosítása. A szennyvízkezelő üzemek automatizálása. Szilárd állapotú hulladékok lebontása. Komposztáló üzemek típusai, felépítésük és működésük. Szennyezett talaj kezelése. Gáz állapotú hulladékok lebontása: illékony szerves anyagok kezelése. Illékony szerves anyagok típusai. Adszorpciós megoldások. Biofilterek. A kén és a nitrogén tartalmú anyagok eltávolítása a gáz állapotú hulladékokból. 10. előadás Emlőssejt-tenyészetek előállítása bioreaktorban. Történeti áttekintés. Emlőssejt-tenyészetek gyakorlati felhasználása. Meghatározott élettartamú illetve immortalizált emlőssejtvonalak. A kétféle sejtvonal összehasonlítása, egy normál sejtvonal folytonosan osztódóvá tétele. Az emlős (illetve eukarióta) sejtciklus rövid áttekintése. Az individuális emlőssejtek viselkedése süllyesztett tenyészetben, összehasonlításuk a mikrobiális és növényi sejtekkel. Hibridóma és mielóma sejtek. Glikozilált proteintermelés hibridóma sejtekkel: glikoproteinek felépítésének áttekintése, a cukorrész fehérjéhez kötődésének biológiája, a termékek piaci felhasználása. Az emlőssejt tenyészetek tápközegei, összehasonlítása a mikrobiális tápközegekkel. A glutamin szubsztrátum jelentősége az in vitro emlőssejt tenyészetek anyagcseréjében. Az emlőssejt tenyészetek növekedésének kinetikája, metabolikus rátája és hozamkonstansa. Az emlőssejt tenyészetek növekedésének korlátai: melléktermék-gátlás. Metabolit túltermelés emlőssejtek segítségével. A túltermelő anyagcsere létrehozása. Az emlőssejtek tenyésztésének technikai feltételei, emlőssejt-bioreaktorok felépítése, összehasonlításuk a ’hagyományos’ reaktorokkal. A levegőztetés és a keverés technikai megoldásai. Batch, fed-batch, kemosztát és perfúziós tenyészetek az emlőssejt-tenyésztésben. Léptéknövelés emlőssejt-tenyészetekkel. A termékek kinyerése. Termékhozamok emlőssejt-tenyészetek esetén. Emlőssejt vonalak fejlesztése. A rekombináns DNS-technika alkalmazása az emlőssejteket használó biomérnöki gyakorlatban. 11. előadás Katalízis bioreaktorokban. Definíciók, történeti áttekintés. A biokatalitikus folyamatok és a biológiai katalizátorok csoportosítása, példákon keresztül. A biológiai és a kémiai katalízis összehasonlítása, az előnyök és hátrányok bemutatása példákon keresztül. Az ideális biológiai katalizátor legfontosabb tulajdonságai. A szelektivitás alapvető jelentősége. A biokatalizátor kiválasztása és szelekciója. Egyedi tulajdonságokkal rendelkező biokatalizátorok izolálása. Szelekciós technikák ismertetése. Már alkalmazásban lévő biokatalizátor korábban nem ismert tulajdonságainak leírása, kiaknázása. Léptéknövelés a biokatalizátorok alkalmazásakor. A biokatalizációs folyamat hatékonyságának optimalizálása, jósolhatósága (predikció) és mennyiségi meghatározása. Biokatalizátorok genetikai módosítása. Biokatalizátorok in vivo illetve in vitro létrehozása. In vivo technikák: géntranszfer, kópiaszám-növelés, génfúzió, rekombináció, mutagenezis. A biokatalizátor in vivo genetikai módosításának bemutatása az Escherichia coli baktérium indigó festék bioszintézisének példáján. „Protein engineering”: alapelvek és gyakorlati példák. A biokatalízis fizikai megvalósulása, a katalízis-reaktor felépítése, típusai, működési alapelvei. 12. előadás Immobilizált enzim-reaktorok. Enzimológiai és enzimkinetikai alapfogalmak áttekintése. Az immobilizáció fogalma és értelmezése. Immobilizálható biokatalizátorok típusai: enzimek, növényi, állati, mikrobiális sejtek. Az immobilizáció előnyei és limitációi. Az immobilizáció
hatása az enzimek működésére. Az enzimkonformáció változása a rögzítés során. Sztérikus és tömegátviteli hatások elemzése. Az immobilizáció technikai kivitelezése: keresztkötés kétilletve többfunkciós reagensekkel; a glutáraldehid kitüntetett jelentősége. Szilárd hordozót alkalmazó immobilizáció: felszíni és oldatba szilárdító eljárások. A szilárd hordozók bemutatása, fizikai-kémiai tulajdonságik ismertetése. Mi alapján válasszunk hordozót? – lehetőségek és korlátok. Az enzim-hordozó közötti kapcsolat típusai: kovalens kötés, ionos kötés, adszorpció, példák bemutatásával. Az oldatba szilárduló immobilizáció: elméleti alapok és technikai kivitelezés. Többféle enzim illetve sejt párhuzamos immobilizációja. A biokonverziós lépés megvalósítása: a gyakorlatban alkalmazott enzim-reaktorok bemutatása. Batch reaktorok, folytonos reaktorok, fluidizált ágy-reaktor, membránreaktor. A biokatalízis és a reakcióközeg kapcsolata. Szerves fázisban, szuperkritikus folyadékokban és gázokban történő biokatalízis: elméleti alapok és technikai kivitelezés. 13. előadás A biomérnöki üzletág gazdasági vonatkozásai I. A befektetés. Egy üzem létrehozásának okai. A termék árának és a termelés volumenének meghatározása. Befektetési költségek, működési költségek. Direkt (fix) és indirekt (munkajellegű) befektetési költségek. A befektetési kiadások rész-tételei: földterület beszerzése, a terület előkészítése, termelési eszközök és alkatrészeik, a műszerek és az üzembeállítás költségei, az alvállalkozó díja. A működés felügyeletének költségei, a biztosítás és az adóteher. A működési költségek rész-tételei: fix rész (a termelés mértékétől független tételek) és változó tételek (a termelés volumenétől függő tételek). A költségek becslése, az egyes tételek becslésének hibahatárai. A termelési folyamat tervezése. A „minél nagyobb, annál jobb” elv a biomérnöki iparban. A termelői egységek (bioreaktorok) számának és méretének eldöntése. A fermentor tömegátviteli tulajdonságainak jelentősége a költségek tervezésében. A termelési folyamat sztöchiometriája és a költségek. A biomassza hasznosításának anyagi vonatkozásai. A sterilezés és a hőntartás költségei. A termelés költségeinek részletes becslése egy konkrét fermentációs folyamat példáján. Egy biomérnöki üzem kiadásainak fő egységeinek jelenlegi világpiaci árai. A járulékos költségek mértéke Magyarországon. A hulladék-kezelés és a munkaerő költségei. 14. előadás A biomérnöki üzletág gazdasági vonatkozásai II. Az értékesítés. A fermentációs-biomérnöki ipar helye és jelentősége a világgazdaságban és a társadalomban, fejlettsége kontinensenként, országonként, régiónként, kapcsolódása egyéb iparágakkal. Az egészségügyi vonatkozások jelentősége a biomérnöki üzletágban. Szabadalmak jelentősége, generikus termék fogalma. Egy szabadalom benyújtásának alapvető feltételei. Egy biotechnológiai termék piaci sikerének valószínűsége, és a befektetés/ haszon arány mértéke. Összefoglaló termelési statisztikák. A biomérnöki üzletág termékeinek részletes áttekintése: élelmiszer-és mezőgazdasági termékek. Transzgénikus növények és állatok piaca. Rekombináns enzimek alkalmazása az élelmiszeriparban, a keletkezett termékek piaca. A kertészeti biotechnológia termékeinek piaca. Gyógyszeripari termékek. A környezetvédelmi biotechnológia piaci lehetőségei. Egy biotechnológiai-biomérnöki vállalkozás indításának alapvető feltételei. A „belevágni vagy sem” dilemma eldöntésének kvantitatív módja. Egy induló biotechnológiai vállalkozás (start-up) finanszírozásának elvi lehetőségei. Vállalati stratégia és üzleti terv. A tőzsde és a biotechnológia kapcsolata. Kötelező irodalom:
Sevella Béla: Biomérnöki műveletek és folyamatok, Műegyetemi kiadó, 1998 Sevella Béla: Biomérnöki műveletek példatár, Műegyetemi kiadó, 2001 Karaffa Levente, Kozma József, Szentirmai Attila: Fermentációs és biomérnöki műveletek. (egyetemi jegyzet; nyomdai kiadás előkészületben) Ajánlott irodalom: Pirt J.S.: Principles of Microbe and Cell Cultivation. Blackwell Scientific Publications, Oxford, UK, 1975 Stanbury P.F., Whitaker A.: Principles of Fermentation Technology, Pergamon Press, Oxford, UK, 1984
