Transcript A mikrobaszaporodás alapösszefüggései

A mikroba szaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
FERMENTÁCIÓS FOLYAMATOK ÉS MŰVELETEK
Mi kell egy termelő fermentációs folyamathoz?
2
SSi
TÖRZS
TÁPANYAGOK
KEVERÉS
2A
BIM-BSc
BIM SB
STERILEZÉS
4A
ANYAGÁTADÁS
MÉRÉS
ADATOK
?
3
REAKTOR
5
SZABÁLYOZÁS
VEZÉRLÉS
1
OLTÓANYAG
MATEMATIKAI
MODELL 6
TERMÉK FELDOLGOZÁSI
MŰVELETEK 7
LEVEGÕZTETÉS
ANYAGÁTADÁS
4B
2001
2009
A VILÁG LEGKISEBB KÉMIKUSAI
BIM-BSc
2009
BIM-BSc
2009
Saccharomyces cerevisiae
E.coli
Vibrio cholerae
Mucor circenelloides
Aszexuális gombanövekedés
A mikroba szaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
1=X0*20
2=X0*21
4=X0*22
n=1
n=2
n=3
8=X0
*23
n=4
16=X0*24
.
.
n:a generációk száma
X=X02n
BINÁRISAN OSZTÓDÓ MIKROORGANIZMUS
A mikroba szaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
Sejtszám db/ml
t
n
tg
N, x
a generációk száma
Generációs idő - doubling time
generation time
t
tg
x  x0 2  x0 2
Sejttömeg: sz.a.
mg/ml, g/l,kg/m3
n
μ: fajlagos növekedési sebesség
MONOD, 1942
dx
 .x
dt
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
dx
 .x
dt
FAJLAGOS NÖVEKEDÉSI SEBESSÉG
1 dx

x dt
h-1
A mikroba szaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
Jacques Monod
dx
 .x
dt
x  x 0e
μ és a generációs idő kapcsolata:
t
dN
 .N
dt
N  N0 e
t
ln 2
tg 

Ν : fajlagos szaporodási sebesség
A mikroba szaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
x

x  x 0e
t
x0
t
VALÓSÁG

900
x  x 0e
800
700
t
600
x
x
500
400
VALÓSÁG
300
200
100
0
0
5
10
idő
Exponenciális növekedés X0=2 és μ=0,5
15
óra
A mikroba szaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
x
EXPONENCIÁLIS
FÁZIS
GYORSULÓ
SZAKASZ NÖVEKEDÉSI
SZAKASZ
LAG
HANYATLÓ FÁZIS
x0
t
BIM-BSc
2009
Élő sejtszám
lg x
hany
L
exp
stac
Gy
exp
pusztulási
idő
idő
A mikroba szaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
x
x
cot g  max
x0
μ
dx
dt
t
t
A mikroba szaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
MI AZ OKA A HANYATLÓ FÁZISNAK?
1. TÁPANYAG LIMITÁCIÓ
2. TOXIKUS METABOLIT TERMÉK(EK)
3. HELYHIÁNY

max
MONOD- modell
S
   max
KS  S
max
2
KRITIKUS KONCENTRÁCIÓ FOGALMA
LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT
KS
Skritikus
S
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
MELYIK S LESZ LIMITÁLÓ S ???
max
C-forrás
N-forrás
KSC SkrC
S0C

O2
KSO SkrO
KSN
SkrN
FERM.IDEJE
~
~

max
~
~

max
S0N
FERM.IDEJE
~
~
max
~
~

FERM.IDEJE
FERM.IDEJE
VITAMIN-forrás
S0O
KSV
LIMITÁLÓ SZUBSZTRÁT FOGALMA
SkrV S0V
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
LINEWEAVER-BURK
S/
1/
HANES v. LANGMUIR
tg=1/max
tg=KS/max
max
1  1  Ks *1
 max max S
-1/KS

  max  KS
S
KS/max
1/S

S KS
1


*S
 max max
S
KS
max
tg=-KS
EADIE-HOFSTEE
max/KS
/S
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
LI M ITÁ LÓ S Z U BS ZTR ÁTRA
HOZAM:
dx
 Yx / s
dS
MINDÍG IGAZ:
Exponenciális és
Hanyatló fázisban:
1
x x


S 1
x
dx
dt
dS
dt
KITERJESZTÉS
dx
 Yx / si vagy  -Yi
dSi
dx
rx 
 x
dt
dx
S
rx 

x
dt
KS  S
dS
1
S
rS 


x
dt
Yx / S K S  S
MONOD-modell egyenletei
megoldható
diffegy.rendszer
MONOD modell-család
BIM-BSc
2009
Több limitáló szubsztrát
interaktív vagy multiplikatív leírás: μ  μ
x
xmax
S1
S2
Sn

K s1  S1 K s2  S2
K sn  Sn
n
μ x  μ xmax 
i 1
additív leírás μ x  μ xmax  ( w1
Si
K si  Si
S1
S2
S
 w2
   w n
)
K s1  S1
K s2  S2
K sn  Sn
Kj
wj 
nem interaktív leírás
Sj
n
Ki

i 1 S i
súlyfüggvények
μ  μS1  vagy μ = μS2  vagy ... μ = μSn 
MONOD modell-család
BIM-BSc
2009
KÉT LIMITÁLÓ S SPECIÁLIS ESETE
S1S 2
dx
rx 
  x max
x
dt
 K S1  S1  K S2  S 2 
C-forrás, oxigén
rS1
rS1
dS1
1


rx
dt
YX /S1
rS2
dS 2
1


rx
dt
YX /S2

dS1
S1S 2
1


 x max
x  K L a S1*  S1
dt
YX /S1
 K S1  S1  KS2  S 2 
dS1
0
dt
dx
rX 
 YX/S K L aS1*
dt
Lineáris növekedés

0
MONOD modell-család
BIM-BSc
2009
SZUBSZTRÁT INHIBÍCIÓ

x
0,5
KS/xmax
xmax
0,5
S
dx
rx 
  x max
dt
KS 0
S
2
S
aS 
 KS
Ki
S
x
MONOD modell-család
BIM-BSc
2009
Monod-modell „javításai”
Teissier egyenlet
Moser egyenlet
Contois egyenlet

   x max 1  e  KS
   x max
   x max
Sn
Ks  S
n


  x max 1  K sS
S
K sx x  S


 n 1
max
S
MONOD modell-család
BIM-BSc
2009
dv
b
a
 Kv 1  v
dS
ahol v   x /  x max
a
b
K
Monod
0
2
1/Ks
Teissier
0
1
1/K
Moser
1-1/n
1+1/n
n/Ks1/n
Contois
0
2
1/Ksx
MONOD modell-család
BIM-BSc
2009
MONOD modell-család
BIM-BSc
2009
MONOD modell-család
Primer
anyagcsere termék
Szekunder anyagcsere
termék
profázis
x
x
idiofázis
x
P
P
t
P
t
t
GAEDEN-féle termékképződési típusok
μx
μx
μP
μx
μP
μP
t
t
t
MONOD modell-család
BIM-BSc
TERMÉKKÉPZŐDÉS KINETIKAI LEÍRÁSA
dP
dx
rP 

 x
dt
dt
1 dP
  P   x  
x dt
LUEDEKING – PIRET MODELL
P
III.
2009
tg



I
0 és  = 0 növekedéshez
kötött termékképzõdés
II:  = 0 és 0 növekedéshez nem
kötött termékképzõdés
III: 0 és 0 vegyes típusú
fermentáció.
I:

II.
X
MONOD modell-család
BIM-BSc
toxikus metabolit termékek hatása: sok termék: EtOH, tejsav...
2009
dx
rx 
  x max 1  P
dt
dP
rP 
 x
dt
HINSHELWOOD - modell
FRIEDMAN és GADEN modellje
Lactobacillus delbrückii
tejsavfermentációjára
 P   x    P
P’ = P vagy I
Aiba és munkatársai modellje
dx
S
rx 
  x max
e  k iP . x
dt
KS  S
MONOD modell-család
BIM-BSc
2009
Kompetitív termék inhibíció
Nemkompetitív termék inhibíció
EtOH ha >5%
μ x  μ xmax
S


P
S
K s 1 
 K 
p 

1
μ x  μ xmax
P 
 K s 
1 
1 
S  K p 

A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
TÁPOLDATOK, TÁPTALAJOK
HOZAMKIFEJEZÉS ÁLTALÁNOSITÁSA
dx
dx Δx dt μ x μ x




 Yx/si vagy  -Yi
dSi ΔS dS μ S QS
dt
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
C-forrás és hasznosulás
Mire forditódik a C-forrás?
beépülés energiatermelés
S  Sc  SE
S S C S E


x x
x
Eredő hozam
1
1
1


Y x/s YC YE
szénhozam
energiahozam
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
2009
Irjunk fel egy anyagmérleget a beépülő szénre
 2 x = 1SC
Sejttömeg C-tartalma
0,46-0,5 50%
YE 
1
1 1

Y YC

Szubsztrát C-tartalma
x
1
 YC 
Sc
2
YYC
YC  Y
BIM-BSc
Glükóz:0,4
1
Y.
Y.1
2
YE 

1
 Y 1  Y . 2
2
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
Termék mennyiségébõl becsülhető YE értéke
EtOH
AcOH
Glükonsav
Törzs
élesztő, cukor
A.aceti, alkohol
A.suboxydans, glükóz
Táptalaj
Streptococcus faecalis
anaerob tenyészet
Saccharomyces cerevisiae
anaerob tenyészet
aerob tenyészet
Aerobacter cloaceae
1,2,3,
NADH !!!
Asszimilált
Disszimilált
szubsztrát hányad
%
%
komplett
komplett
minimál
2
98
2
10
55
98
90
45
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
S  Sc  SE
?
NÖVEKEDÉS
FENNTARTÁS -maintenance
SEJTMOZGÁS
OZMOTIKUS MUNKA
RENDEZETTSÉG FENNTARTÁSA
II.főtétel
reszintézis
x
x
YE 

S E S g  S m
1
1
m


YE YEG 
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
x
dS
1 dx


dt
Y dt
Y
μx dSg dSm
 dS 


  
dt
dt
 dt  E YE
!!!
μx

dt
YEG
dSg
dS m
  mx
dt
modell
x
x

 mx
YE YEG
1
1
m


YE YEG 
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
1
1
m


YE YEG 
Fajlagos maintenance
Koefficiens
g/gh =h-1
Eredő hozamra:
1
1
1
m



Yx/ s Yc YEG 
Két grafikus ábrázolási módszer
1
Yx / s
 1
1 
  m
S  

 YC YEG 
1
1
1
m



Yx/ s Yc YEG 

 S
Yx / s
1
1

Yc YEG
m
1
1

Yc YEG
m
1

μ
MONOD modell-család
BIM-BSc
2009
EREDETILEG ÁLLANDÓ Y „hozamkonstans”, de....
1
1
1
m



Yx/ s YC YEG  x
dS S dx
S dPi


dt x dt
i Pi dt
1
S

YP/Si
Pi
SZUBSZTRÁT
TELJES FELVETT SZÉN
TELJES FELVETT
C
Aanyagcsere során
Felszabadult
CO2
TELJES
CO2 TERMELÉS
Sejt
Termék
GÁZFÁZISBAN
MÉRHETŐ CO2
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
ATP-hozam
YATP
Yx / s
x


ATP YATP / s
Yx/ s  MYx/ s
g/mol
mol/mol
g/mol
(8,3-32)
AT P  AT P g  AT P m
1
1
m
 max  ATP
YATP YATP

tenyésztési
körülmények
10,5 g/mol
Q ATP 

YATP


max
YATP
 m ATP
fajlagos maintenance
koefficiensek
m
mATP
Aerobacter cloaceae
aerob, glükóz
0,094
14
Saccharomyces cerevisiae anaerob glükóz
0,036
0,52
+ 0,1 mol/dm3 NaCl
Saccharomyces cerevisiae anaerob, glükóz
+1,0 mol/dm3 NaCl
0,360 2,2
Penicillium chrysogenum
aerob
0.,022 3,2
Lactobacillus casei
aerob, glükóz
0,135
1,5
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
P
O
Oxidatív foszforilezés hatékonysága
mol/gatom
„P/O hányados”
NADH + H+ + 1/2O2 + 3 ADP + 3 H3PO4
P
Yp 
S
s
3/1=3
NAD+ + 3 ATP + 4 H2O
P
Yp 
x
x
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
METABOLIKUS
HŐTERMELÉS
x
x
YH  Ykcal 

 H x .x  HS .S Q
HŐ(TERMELÉSI)HOZAM
SEJTTÖMEG ÉGÉSHŐ SZUBSZTR.ÉGÉSHŐ
ΔX
ΔS
YX/S
YH  Ykcal

ΔX
ΔS ΔHS  YX/SΔH X

ΔH X  ΔHS
ΔS
ΔS
csak ha nincs extracelluláris metabolit termelés
ha van....
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
RQ respirációs hányados
dCO 2
q CO 2
CO 2
dt


dO 2
O 2
q O2
dt
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6 H2O
2C2H5OH + 6 O2
C6H12O6
2 CH3OH
4 CO2 + 6 H2O
C2H5OH + CO2
+ 3 O2
C2H2O4 + ½ O2
2 CO2 + 4H2O
2CO2 + H2O
RQmax = 1
RQmax =4/6= 0,67
RQmax =

RQmax =2/3= 0,67
RQmax =2/ ½ = 4
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
PÉLDA (116)
Becsüljük meg, hogy mekkora a P/O hányados egy Aerobacter
aerogenes folytonos tenyésztése során, ha szintetikus, glükóz
alapú tápoldatot használunk.
Méréseket végeztünk a mikroba aerob és anaerob tenyésztése
során. A mikroba anaerob körülmények között ecetsavat
termel. EREDMÉNYEK:
ANAEROB tenyésztés: =0,4 h-1.
Fajlagos glükóz fogyási sebesség QS=0,0154 mol/g.h
Fajlagos acetát képződési sebesség QA=0,0102 mol/g.h
Eredő hozam YX/S=0,144g/g.
AEROB tenyésztés: : =0,4 h-1.
QS=0,0062 mol/g.h
Eredő hozam YX/S=0,36g/g.
Fajlagos légzési sebesség QO2=0,01078 mol/g.h
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
A glükóz anyagcseréje során hol és mennyi ATP képződik?
Anaerob esetben „szubsztrátszintű” foszforilezés folyamataiban:
1 mol glükózból 2 mol ATP glikolízis
1 mol az acetátképződés során
Aerob esetben : + oxidatív foszforilezés ATP termelése
(de nincs ecetsav termelés).
CO2
Ismernünk kell az YATP/S értékét
PYR
Minimál (szintetikus) tápoldaton
AcCoEA
ATP
AcOH
QS = (QS)beépülés + (QS)energiatermelés
(QS)beépülés könnyen számítható a C-re felírt anyagmérlegből:
1(QS)beépülés =2 
QS=/YX/S
= QSYX/S
1= 72 g/180 g =0,4 glülóz C-tratalma
2= 0,5 a mikroba szárazanyag tartalma.
(QS)beépülés =(2/1)
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
QS=/YX/S
(QS)beépülés =(2/1)
= QSYX/S
2
QS beépülés  QSYX/S
1
2
2
QS energiatermelés  QS  QSYX/S  QS (1  YX/S ) 
1
1
 0,4

 0,01541 
0,144  0,0136
 0,5

QATP = (QS)energiatermelés.2+QA.1 = 0,0374
mol/gh
YATP = /QATP =10,69 g/mol.
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009
Aerob esetben
Q ATP


2
P
 2QS 1 
YX/S   2 Q O2
1
O


Ua!!!
QATP=  / YATP


2
  2QS 
1
YX/S 
YATP


1
P



 1,33
O
2YATP QO2
mol ATP/gatom O2
A mikrobaszaporodás alapösszefüggései
BIM-BSc
2009