Moderne Biotechnologie van cel naar fabriek 6 vwo
Woudschoten chemie conferentie 4 november 2011
Ontwikkelteam 2008 - 2010 Coach • Coach: Aonne Kerkstra Docenten • Ingeborg de Kooter (Chr. Lyceum Delft) • Dirk Hillenga (Grotius College Delft) • Juleke van Rhijn (Coornhert Gymnasium Gouda) redactie • Sander Haemers (Stanislas College Pijnacker) • Daan Robeerst (LST student TU Delft) Experts • WO: - TUDelft, Leiden univ. • Bedrijven:- PURAC, DuPont (en Goodyear)
Hoofdstukindeling module 1 2 3 4
Inleiding Bacteriën Biosynthetische routes (de cel als fabriek) Klassieke biotechnologie:
De melkzuurfabriek 5 Moderne biotechnologie:
De productie van 1,3-propaandiol Verdiepende hoofdstukken 6 Gibbs energie 7 Gibbs energie en de dissimilatie van glucose
Inhoud (totale)module: concepten en vaardigheden * 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11)
Scheidingsmethoden Polariteit/oplosbaarheid (verdelings)evenwichten Zuren en basen Chemisch rekenen (massaverhoudingen) Blokschema’s Organische chemie Stereochemie Polymeerchemie Industriële chemie Informatieverwerking*
Volledige module Les 1
H1: Inleiding: context vragen
Nieuwe scheikunde
Les 2
H2: Bacteriën en membraantransport
•
Les 3
H3: bacterie als fabriek
Les 4
H3: bacterie als fabriek
Les 5
H4: Synthese melkzuur
Les 6
H4: Zuivering melkzuur opdracht
Les 7
Route 1
Route 2
Route 3
Route 4
Route 5
Les 8
Route 1
Route 2
Route 3
Route 4
Route 5
Les 9
H4: synthese PLA
Les 10
Route -1
Les 11
H4: Oefenopgaven
Les 12
H5: Synthese 1,3-propaandiol
Les 13
1
Les 14
H5: Oefenopgaven
Les 15
H6: Gibbs energie
Les 16
H6: Gibbs energie
Les 17
H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
Les 18
H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
2
Route 6
3
Route 7
4
5
• • • •
Opdracht
6
7
8
9
In context toepassen van al geleerde concepten Leerling in de rol van toekomstig beroep Keuze mogelijkheden voor leerling Activerende didactiek: expertmethode Scheikunde van de 21ste eeuw
Variant 1 Light met polymeerchemie Les 1
H1: Inleiding: context vragen
Les 2
H2: Bacteriën en membraantransport
Les 3
H3: bacterie als fabriek
Les 2
Les 4
H3: bacterie als fabriek
Les 3
Les 5
H4: Synthese melkzuur
Les 4
Les 6
H4: Zuivering melkzuur opdracht
Les 5
Les 7
Route 1
Route 2
Route 3
Route 4
Route 5
Les 6
Les 8
Route 1
Route 2
Route 3
Route 4
Route 5
Les 7
Les 9
H4: synthese PLA
Les 10
Route -1
Les 11
H4: Oefenopgaven
Les 10
Les 12
H5: Synthese 1,3-propaandiol
Les 11
Les 13
1
Les 14
H5: Oefenopgaven
Les 12
Les 15
H6: Gibbs energie
Les 16
H6: Gibbs energie
Les 17
H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
Light met polymeerchemie
Les 18
H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
2
Route 6
3
Les 1
Les 8 Route 7
4
5
Opdracht
6
7
Les 9
8
9
Varianten 2 en 3 Light zonder polymeerchemie of Industriële chemie Les 1 Les 1 Les 1 Les 2
H2: Bacteriën en membraantransport
Les 3
H3: bacterie als fabriek
Les 2
Les 2
Les 3
Les 4
H3: bacterie als fabriek
Les 3
Les 3
Les 4
Les 5
H4: Synthese melkzuur
Les 4
Les 4
Les 5
Les 6
H4: Zuivering melkzuur opdracht
Les 5
Les 5
Les 7
Route 1
Route 2
Route 3
Route 4
Route 5
Les 6
Les 6
Les 8
Route 1
Route 2
Route 3
Route 4
Route 5
Les 7
Les 7
Les 9
H4: synthese PLA
Les 10
Route -1
Les 11
H4: Oefenopgaven
Les 8
Les 10
Les 12
H5: Synthese 1,3-propaandiol
Les 9
Les 11
Les 13
1
Les 14
H5: Oefenopgaven
Les 15
H6: Gibbs energie
Les 16
H6: Gibbs energie
Les 17
H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
Les 18
H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
2
Route 6
3
Les 2
Les 8 Route 7
4
5
Opdracht
6
7
Les 9
8
9
Les 6 Les 7
Les 10
Light zonder polymeerchemie
Biotechnologie zonder Light industriële met chemie polymeerLes 12
chemie
Varianten 4 en 5 Melkzuur en verdieping evenwichten Les 1
Les 1
H1: Inleiding: context vragen
Les 2
H2: Bacteriën en membraantransport
Les 3
H3: bacterie als fabriek
Les 2
Les 2
Les 3
Les 4
H3: bacterie als fabriek
Les 3
Les 3
Les 4
Les 5
H4: Synthese melkzuur
Les 4
Les 2
Les 4
Les 5
Les 6
H4: Zuivering melkzuur opdracht
Les 5
Les 3
Les 5
Les 7
Route 1
Route 2
Route 3
Route 4
Route 5
Les 6
Les 4
Les 6
Les 8
Route 1
Route 2
Route 3
Route 4
Route 5
Les 7
Les 5
Les 7
Les 9
H4: synthese PLA
Les 6
Les 8
Les 10
Route -1
Les 7
Les 9
Les 11
H4: Oefenopgaven
Les 8
Les 8
Les 10
Les 12
H5: Synthese 1,3-propaandiol
Les 9
Les 13
1
Les 14
H5: Oefenopgaven
Les 15
H6: Gibbs energie
Les 16
H6: Gibbs energie
Les 17
H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
Les 18
H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
2
Route 6
3
Route 7
4
5
Les 1
7
8
Les 1 Les 2
Opdracht
6
Les 1
9
Alleen Les 11 industriële chemie
Les 10
Light zonder polymeerchemie
Les 12
Light met polymeerchemie
Les 6
Verdieping evenwichten en energie
Les 7
Biotechnologie zonder industriële chemie
Les 1 Les 2 Les 3 Les 4
Hoofdstuk 4 Klassieke biotechnologie: de melkzuurfabriek
? glucose melkzuur polymelkzuur
Hoofdstuk 5 Moderne biotechnologie: de productie van 1,3-propaandiol
glucose 1,3-propaandiol Sorona®
Hoofdstuk 3 Biosynthetische routes
Hoofdstuk 4 Klassiek: de cel als melkzuurfabriek
Hoofdstuk 4 Klassiek: scheidingsmethoden
Hoofdstuk 4 Klassiek: Polymelkzuurproductie
CH3
+ n H2O
_
_
_ _
_
_
_
_
H O _C_ _ C O _
_
H OH _ _ __ O n H C C C OH H H _
n
Hoofdstuk 5 Modern: metabolic engineering
Hoofdstuk 5 Modern: metabolic engineering
Hoofdstuk 5 Modern: metabolic engineering A
Glucose
Fosfoenolpyruvaat
3
Pyruvaat
2 1 Glucose-6-fosfaat GAD-3P
B
Cytoplasma
Glucose
Glucose
4 Glucose-6-fosfaat
Cytoplasma
Hoofdstuk 5 Modern: Ook de scheidingsmethoden! 1 Met. Eng. E.coli
Gluc os e 2 Reactor
3 Verhitten
4 Mic rofiltra tie
5 Ultra f iltra tie
6 Nanofiltra tie
7 Ione nwiss elaar
8 Dubbele ......... Destillatie
1,3-propaandiol (l) 9 Re actor
Sorona®
Vragen van Directie Vraag 1 Metabolic engineering E.coli. Hoe gaat het inbrengen van genen precies te werk? Kan kort maar duidelijk uitgelegd worden wat de functies van plasmiden en promotoren zijn? Vraag 2 Is glucose de werkelijke grondstof? Welke grondstoffen zijn in Nederland beschikbaar? Vraag 3 De reactor is een aërobe (bio)reactor. Er is dus zuurstof nodig. Hoe wordt die in de reactor gebracht? Geef een schematische afbeelding van een aërobe (bio)reactor die geschikt zou zijn voor de productie van 1,3-propaandiol Vraag 4 Waarom is het nodig te verhitten? De micro-organismen verdwijnen door filtratie toch al uit het product? Vraag 5 Hoeveel kJ per kg geproduceerd 1,3-propaandiol kost het verhitten als een batch een 1,3-propaandiol concentratie heeft van 135 g/L? Vraag 6 Wat zijn eigenlijk de afmetingen af van de poriën bij microfiltratie, bij utrafiltratie en bij nanofiltratie? Waarom na elkaar in drie stappen Micro,Ultra en nanofiltratie? Waarom niet in 1 stap? Zijn Micro,Ultra en nanofiltratie geschikt voor industriële schaal en hoe dan? Vraag 7 Hoe werkt een industriële ionenwisselaar. En wat wordt er gescheiden? Waarom moet er een stof toegevoegd worden. Vraag 8 Waarom dubbele destillatie? Waarom moet de 1,3-propaandiol een zuiverheid van 99,992 % hebben? Vraag 9 Welke grondstof(fen) is/zijn, naast 1,3-propaandiol, nog meer nodig voor de productie van Sorona®.? Hoeveel ton van die grondstof is nodig per ton geproduceerde Sorona® ?
Uitproberen: • • • • • • • • • • • •
Groep 1: Extractie melkzuur Groep 2: Reactieve extractie melkzuur Groep 3: Reactieve destillatie melkzuur Groep 4: Kristallisatie calciumlactaat Groep 5: Elektrodialyse melkzuur Groep 6: Grondstoffen melkzuur Groep 7: Productie van PLA via dilactide Groep 8: PLA via directe polycondensatie Groep 9: Oefenopgaven H4 Groep 10: Synthese van 1,3-propaandiol Groep 11: Productie van 1,3-propaandiol Groep 12: Oefenopgave H5
§4.3 route 1 (lees eerst §4.2) §4.3 route 2 (lees eerst §4.2) §4.3 route 3 (lees eerst §4.2) §4.3 route 4 (lees eerst §4.2) §4.3 route 5 (lees eerst §4.2) §4.3 route -1 §4.4 route 6 §4.4 route 7 §4.5 §5.1 opdracht 1 (blz. 57) §5.3 opdracht (blz. 64) §5.4
~15 min. Plenair rapporteren en evalueren door groepjes
Afsluiting Meer informatie:
[email protected]
Geraadpleegde bronnen bij hoofdstuk Melkzuurbacterie als melkzuurfabriek Vijayakumar, J; Aravindan, R; Viruthagiri, T Recent trends in the production, purification and application of lactic acid Chemical and Biochemical Eengineering Quaterly 2008, 22, 245-264 Oh, H.; Wee, Y. J.; Yun, J. S., et al Lactic acid production from agricultural resources as cheap raw materials Bioresource Technology 2005, 96, 1492-1498 Wee, Y. J.; Kim, J. N.; Ryu, H. W. Biotechnological production of lactic acid and its recent applications Food Technology and Biotechnology 2006, 44, 163-172 Arora, M. B.; Hestekin, J. A.; Snyder, S. W., et al. The separative bioreactor: A continuous separation process for the simultaneous production and direct capture of organic acids Separation Science and Technology 2007, 42, 2519-2538 Figuur 7 Yang, S. T., White, S. A., Hsu S. T., Extraction of Carboxylic Acids with Tertiary and Quaternary Amines: Effect of pH Ind. Eng Chem. Res. !991, 30, 1335-1342 Figuur 13 Dimov, S., Kirilov, N., Peykov, S., Ivanova I. Growth Characteristics of Twenty Lactobacillus Delbrueckii Strains Isolated from Bulgarian Home made Yoghurts Biotechnol. & Biotechnol. EQ. 2007, 21, 172-176 Figuur 14 Cao, X., Lee, H. J., Yun H. S., Koo Y. K., Solubilities of Calcium and Zinc Lactate in Water and Water-Ethanol Mixture Koreano r. Chem. Eng.2001, 18, 133-135 Kubantseva, N., Hartel, R. W., Swearingen, P. A. Factors Affecting Solubility of Calcium Lactate in Aqueous Solutions J. Dairy Sci. 2004 87:863–867 ScheikundeInBedrijf.nl http://www.scheikundeinbedrijf.nl/Module/index.rails?id=3 Industrial Biotechnology Case Study 2008: Design of a Future lactic Acid Plant TUDelft/Purac
