INŻYNIERIA BIOPROCESOWA – wybrane tematy egzaminacyjne

Opracowane w 2004 A.D. przez U&E&K

11

Bilans elementarny wzrostu

Co to jest węglomol

Zasada całkowego bilansu wzrosty drobnoustrojów

Współczynniki wydajności

Stopień redukcji i jego interpretacja

Ograniczenia bilansowe wzrostu drobnoustrojów

Bilanse energetyczne wzrostu drobnoustrojów

Bilans entalpowy ,ilość wydzielanego ciepła

Termodynamiczne ograniczenia wzrostu drobnoustrojów

Bilanse różniczkowe wzrostu

Zasada bilansu różniczkowego

Przemiana podstawowa

Graniczne współczynniki wydajności

Kinetyka reakcji enzymatycznej

Mechanizmy reakcji enzymatycznej

Mechanizm Michaelisa ––Menten

Mechanizmy hamowania reakcji enzymatycznej

Wpływ temperatury i pH na szybkość reakcji enzymatycznej

Modele wzrostu drobnoustrojów

Niestrukturalne modele wzrostu

Strukturalne modele wzrostu

Hodowle drobnoustrojów

Hodowle okresowe

Hodowle okresowe z ciągłym zasilaniem

Hodowle ciągłe

Bioreaktory

Bioreaktory zbiornikowe z idealnym wymieszaniem

Bioreaktory kolumnowe z przepływem tłokowym

Bioreaktory membranowe

Procesy przenoszenia w bioreaktorach

Przepływ laminarny i przepływ burzliwy

Opory przepływu

Ruch pęcherza gazowego w cieczy

Opadanie swobodne

Ruch masy przez dyfuzje

Konwekcyjny ruch masy

Wnikanie masy i przenikanie masy

Szybkość absorpcji tlenu

Mechanizmy transportu ciepła

Przenikanie ciepła, intensyfikacja wymiany ciepła

Sterylizacja pożywek

Metody sterylizacji

Kinetyka sterylizacji termicznej

Sterylizacja okresowa i ciągła

Optymalizacja składu pożywek

Rozdrabnianie i mieszanie materiałów ziarnistych

Charakterystyka materiałów ziarnistych

Metody rozdrabniania materiałów stałych

Metody mieszania materiałów ziarnistych

Metody filtracji, zasada, podział ,zastosowania

Filtracja

Filtracja przy stałej grubości warstwy

Filtracja przy stałej różnicy ciśnień

Filtracja ze stała prędkością

Filtracja dwustopniowa

Wydajność cyklu filtracyjnego

Zasada separacji hydraulicznej

Precypitacja

Metody precypitacji

Zasada frakcjonowania przez precypitację

Procesy membranowe

Mechanizm rozdzielania membranowego

Zjawisko polaryzacji stężeniowej

Zasada rozdzielania przez dializę ,elektrodializę ,ultrafiltracje,

osmozę odwróconą

Zasada procesu diafiltracji

Chromatograficzne metody rozdzielania

Zasada rozdzielania chromatograficznego

Typy metod chromatograficznych

Czynniki określające efektywność metod chromatograficznych

Suszenie bioproduktów..

Wykres fazowy para wodna powietrze

Zasada pomiaru psychrometrycznego

Suszenie adiabatyczne

Szybkość suszenia, czynniki wpływające na szybkość suszenia

Suszenie współprądowe i przeciwprądowe

Techniczne realizacje suszenia materiałów biologicznych

Destylacja i rektyfikacja

Zasada rozdzielania przez destylacje

Destylacja równowagowa

Destylacja różniczkowa

Zasada działania kolumny rektyfikacyjnej

Co to jest węglomol.

Węglomol to masa molowa danej substancji  przypadająca na jeden węgiel w tym związku.

Ilość C,H,O,N w 100g (np. w biomasie) przeliczam na mole ,a następnie obliczam współczynniki do wzoru składu standardowego przeliczając na zawartość tylko jednego mola węgla. Masa węglomola biomasy uwzględnia takie przeliczenie oraz to ,że 4 główne rozważane pierwiastki stanowią 95% masy, czyli masa będzie nieco większa niż wynika z  zawartości C,O,H,N.

Zasada całkowitego bilansu wzrostu.

S+N+O=X+P+C+W

Dla każdego z 4 bilansowych pierwiastków ustala się oddzielne równania uwzględniające ich zawartość węglomolową oraz wynikającą z natury procesu określoną przez współczynnik    n ( [ni] - stałe dla danych warunków ,dla danego organizmu itd.).

W przypadku zawartości wodoru w wodzie oraz tlenu w wodzie i dwutlenku węgla uwzględnia się liczbę ich atomów w cząsteczce oraz współczynnik n. Dla węgla zawartość węglomolowa jest zawsze 1 (co wynika z definicji węglomola).

C:   S+N=X+P+C

H:   S+N=X+P+W

O:   S+N+O=X+P+C+W

N:   S+N=X+P

Współczynniki wydajności.

Powyższe 4 równania  dostarczają 7 niewiadomych n . Aby rozwiązać ten układ równań ustala się dodatkowe 3 równania będące powiązaniami niewiadomych

1.       współczynnik wydajności X/S=nX/nS

2.       współczynnik wydajności  P/S=nX/nP

3.       zużycie N/X=nN/nX – rozwinięcie wynika z bilansu azotu

Współczynniki wydajności mogą mieć postać uwzględniającą masę molową związków i dają wtedy wynik masowy [g].

Stopień redukcji i jego interpretacja.

Aby dokonać bilansu tlenu trzeba uwzględnić zależności elektronowe:

G [gamma drukowana] –bezwzględny stopień redukcji-  ilość elektronów oddawanych ze związku przy pełnym utlenieniu , uwzględniając ,że węgiel oddaje 4 ,wodór oddaje 1 ,zaś tlen w związku pobiera 2 elektrony.

g  [gamma mała] – względny stopień redukcji - wprowadza stan odniesienia będący stopniem redukcji źródła azotu ,pozwala pominąć w obliczeniach N ( określając jego stopień redukcji za zerowy).

G i g -są identyczne dla związków bez azotu , w przypadku związku zawierającego azot jego względna redukcja będzie mniejsza od bezwzględnej (bo wlicza teoretycznie zdolność redukcyjną źródła azotu czyniąc ją punktem odniesienia).

Przy obliczaniu zapotrzebowania na tlen należy podzielić bilans elektronowy przez 4  ,bo 4 elektrony przypadają na 1 cząsteczkę tlenu.

Ograniczenia bilansowe wzrostu drobnoustrojów.

Istnieją ograniczenia węglowe i tlenowe wydajności biomasy względem substratu:

1.       węglowe – węgiel w substracie jest jedynym źródłem węgla dla biomasy (i ewentualnie produktu), czyli wydajność X/S oraz P/S musi być mniejsza, równa  1

2.       tlenowe – wydajność X/S i P/S z uwzględnieniem stopni redukcji  (X/S i P/X!) musi być mniejsza, równa 1.

Im większy stopień redukcji substratu (wzg. Biomasy) ,tym większą ilością elektronów dysponuje- nadmiar przeznacza na katabolizm ,a ilość biomasy ograniczona jest ilością węgla w substracie (bo współczynnik wydajności elektronowy = tlenowy wynosi nawet więcej niż 1). Dla dużych stopni redukcji substratu  wydajność utrzymuje się na stałym poziomie węglozależnym.

Im niższy stopień redukcji substratu (wzg. Biomasy),tym mniejszą ilością elektronów dysponuje –część musi przeznaczyć na katabolizm ,część na biomasę i generalnie więcej substratu będzie trzeba zużyć by dostarczyć odpowiednią ilość elektronów do bardziej zredukowanej biomasy. Ograniczenie jest tlenowe – bo oddychanie wymagając elektronów z substratu obniża wydajność. W tym zakresie wydajność jest wzrastająca wraz z wzrostem zredukowania substratu –aż do momentu gdy mowa już o zredukowanym substracie i ograniczeniu węglowym stałym.

Dla wzrostu beztlenowego ograniczenie ma charakter tlenowy- elektronowy. Wydajność  P/S ograniczona jest stosunkiem względnych stopni redukcji S/P ,ale nie może być mniejsza niż wynika z ogólnej liczby elektronów pochodzących z substratu, a nie zmagazynowanych w biomasie.

Bilans entalpowy ,ilość wydzielanego ciepła.

Ciepło to różnica między energią dostarczoną w źródłach węgla, azotu ,a zmagazynowaną w biomasie i produkcie (zapisaną ilościowo w formie entalpii spalania). Entalpia to funkcja stanu nie zależna od stanu odniesienia.

Stosuje się entalpie spalania (energia uwolniona przy utlenieniu całkowitym danego związku), bo pozwalają uniknąć uwzględniania dwutlenku węgla i wody ,które są produktami spalania i podają dane dla temperatury standardowej ,czyli zbliżonej do rzeczywistej prowadzenia hodowli.

Im bardziej związek jest zredukowany tym większą ma entalpię spalania ,czyli jest większym potencjalnym źródłem ciepła. Entalpia spalania jest wprost proporcjonalna do bezwzględnego stopnia redukcji (zależność liniowa).

Efekt cieplny wzrostu jest ściśle związany z bilansem elektronowym ilości tlenu. Można prosto określić ciepło przypadające na zużytą ilość tlenu.

Termodynamiczne ograniczenia wzrostu drobnoustrojów.

Potencjał termodynamiczny ,czyli En. Gibbsa zależy od entalpii , temperatury i entropii. Termodynamiczne ograniczenia zapisuje się w używając potencjałów termodynamicznych bioutleniania (związku względem źródła azotu), które analogicznie do względnych stopni redukcji pozwalają pominąć w obliczeniach źródło azotu. Potencjały te są wprost proporcjonalne do stopni redukcji (jest to ponownie zależność liniowa).

Wydajność X/S ma górną granicę w postaci energetycznego współczynnika efektywności czyli ilorazu potencjałów bioutleniania S/X (im bardziej energetyczny substrat -wzg. Biomasy- tym większa jest teoretyczna wydajność). Im większa dyssypacja tym rzeczywista wydajność jest mniejsza od granicznej.

W przypadku stałego stosunku dyssypacji i ilości biomasy (n), wydajność X/S zależy od stałej empirycznej i stopnia zredukowania substratu. Stałe empiryczne są właściwe dla danych organizmów, reakcji itd.

Zależność wydajności X/S od stopnia zredukowania substratu wykazuje ,że ograniczenie termodynamiczne jest najsilniejsze. W pierwszej fazie ,dla słabo zredukowanego substratu spełnione jest kryterium     Ds./ nx =const  (bo jest stałe zapotrzebowanie na tlen) i wzrost wydajności ma charakter liniowy ,zależny od stałej k. W drugiej fazie warunek nie jest spełniony ,bo zwiększyło się zapotrzebowanie na tlen i silniejsze są procesy cieple (więc większa dyssypacja), więc wydajność osiągnęła wartość graniczną.

Wydajność termodynamiczna: wydajność X/S i P/S poprawiona o współczynniki efektywności jest mniejsza, równa 1.

Istnieją więc 3 ograniczenia hodowli – węglowe ,tlenowe i  termodynamiczne. Dla różnych reakcji stosunek wydajności X/S i  P/S wynika z różnych ograniczeń –raz silniejsze jest tlenowe ,raz termodynamiczne... 

Zasada bilansu różniczkowego.

Bilans różniczkowy nie jest bilansem ilościowym (jak uprzednie całkowe) lecz odzwierciedla zmiany w czasie (szybkości). Bilans różniczkowy określa wydajność definiowaną jako szybkość przyrostu biomasy do szybkości asymilacji substratu. Szybkość asymilacji tlenu jest tu zależna od szybkość asymilacji substratu ,a pomniejszona o szybkość wzrostu biomasy i produkcji produktu i uwzględnia stopnie redukcji. Na tej podstawie określona jest szybkość dyssypacji jako różnica między szybkością asymilacji substratu ,a  szybkością wzrostu biomasy i produkcji produktu, ale przy uwzględnieniu potencjałów bioutleniania ,bo obliczenie ma charakter energetyczny (dyssypacja to energia).

Przemiana podstawowa.

Określa podtrzymanie funkcji życiowych z czym związane są straty energii z punktu widzenia produkcji X/S.

-          Herbert: biomasa zużywana jest na przemianę endogenną ,czyli część substratu ulega pośredniemu rozproszeniu. Zmniejsza to wydajność X/S. Im więcej biomasy tym większe straty (w stosunku do zużywanego substratu).

-          Pirt: substrat częściowo zużywany jest na biomasę ,częściowo na przemianę podstawową. Równanie Pirta jest równaniem energii ,uwzględnia graniczne współczynniki wydajności.

Graniczne współczynniki wydajności.

Dotyczą wydajności X/S i P/S i pochodzą z bilansu różniczkowego.

Uwzględniają rozproszenie energii we wzorach w postaci współczynnika proporcjonalności z obliczeń szybkości dyssypacji. Na ich podstawie można określić różniczkową wydajność X/S ,czyli szybkość przyrostu biomasy do szybkości asymilacji substratu. Współczynniki wydajności występują w koncepcji Pirta gdzie szybkość asymilacji substratu odzwierciedla szybkość wzrostu biomasy ,produkcji produktu przemiany podstawowej i jest analogicznie zapisana do szybkości dyssypacji.

Przy wzroście beztlenowym szybkość dyssypacji zależy od szybkości asymilacji substratu pomniejszonej o  szybkość powstawania biomasy (zastosowano względne stopnie redukcji S/P i X/P) Współczynnik wydajności P/S ma charakter elektronowo-energetyczny.

Mechanizmy reakcji enzymatycznych

Istnieje przejściowy etap reakcji enzymatycznej, w której powstaje kompleks substrat-enzym. Powstaje on by obniżyć energię aktywacji przekształcenia ,nie zmienia  energii S ,ani P oraz nie zmienia stanu równowagi.

Uproszczenia teoretyczne służące do obliczeń kinetycznych:

1.       K (stała równowagi) – pozwala pominąć jedno k w równaniu.

2.       stan pseudoustalony – kompleks SE  ma stałe stężenie ,czyli r1=r2 (z tą samą prędkością kompleks powstaje co się rozpada) ,pozwala to pominąć w obliczeniach stężenie SE i przyjmować całkowite stężenie enzymu.

3.       przewaga substratu nad enzymem – pomijamy enzym w obliczeniach bo jest go bardzo mało ,o szybkości reakcji decyduje oddalenie od stanu równowagi.

4.       stan pseudorównowagi – analog pseudoustalonego – zakłada równowagę S+E i SE ,wyznaczone szybkości reakcji są tu wyższe niż dla MM ( k+2 nie uwzględnione w liczniku stałej K1).

Mechanizm Michaelisa-Menten

Jest to koncepcja stanu pseudoustalonego z założeniem nieodwracalnego tworzenia produktu. Przy niskim stężeniu substratu zakłada liniowy wzrost szybkości reakcji ,przy dużych stężeniach zakłada wysycenie i szybkość zbliżoną do maksymalnej. Km – stężenie substratu pozwalające osiągnąć połowę szybkości maksymalnej. Im większą ma wartość tym więcej potrzebuje substratu  ,a reakcja zachodzi powoli. Jeśli jest małe to reakcja zachodzi szybko i potrzeba niewiele substratu.

Aby wyznaczyć parametry z równania MM (Km ,rm  ) stosuje się linearyzacje stworzone metodą najmniejszych kwadratów błędu.

-          Linweavera-Burke : 1/rs  (1/Cs)- duże błędy przy pomiarach dla bardzo małych stężeń i szybkości

-          Woolfa : Cs/ rs  (Cs) – pomiary dla dużych Cs mają wpływ na postać funkcji i dają mały błąd

-          Hofsteego : rs  (rs /Cs) – równomierny wpływ wszystkich zmiennych

Kinetyka MM uwzględnia sytuacje aktywowania i inhibowania substratem.

Mechanizmy hamowania reakcji enzymatycznej

Hamowanie współzawodniczące: inhibitor wiąże się z wolnym enzymem tak samo jak substrat.

Hamowanie niewspółzawodniczące: inhibitor wiąże się do kompleksu  substrat-enzym.

...