Ipari fermentációk

A tantárgy neve: Ipari fermentációk
Heti óraszám: 1+0+1
Kredit: 1+0+1
Számonkérés módja: kollokvium + gyakorlati jegy
Előfeltételek: -
Tantárgyfelelős: Dr. Karaffa Levente
Oktató: Dr. Karaffa Levente, Kedei Richárd Norbert (TEVA Gyógyszergyár Zrt.)
 
Kötelező irodalom:
Sevella Béla: Biomérnöki műveletek és folyamatok, Műegyetemi kiadó, 1998
 
Ajánlott irodalom:
Stanbury P.F., Whitaker A.: Principles of Fermentation Technology, Pergamon Press, Oxford, UK, 1984
 
A tantárgy részletes tematikája:
1. előadás
Bevezetés. Az előadás-sorozat céljainak bemutatása, kapcsolódása a képzés során elsajátított korábbi ismeretekkel. A fermentációs ipar kronológiai-történeti fejlődése, különös tekintettel a hazai vonatkozásokra.
 
2. előadás
Bioreaktorok tervezése I. Történeti előzmények. A fermentortest anyaga, felépítése, méretei és arányai. Mechanikusan kevert tankreaktor. Oszlop-(air-lift) reaktorok Acetátorok és kavitátorok. A fluidizált ágyreaktor. Fotobioreaktorok. Membránfermentorok. Keverőtárcsás reaktorok. A fermentor hűtésének és fűtésének okai és technikai lehetőségei. A fűtés és hűtés energiaigénye. Steril körülmények fenntartása a bioreaktorban.
 
3. előadás
Bioreaktorok tervezése II. Anaerob és aerob fermentációk. A levegőellátás biztosítása. A keverőlapát funkciói és típusai. A keverőlapát mérete, arányai, teljesítménye, áramfelvétele és költségtényezői. 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.
 
4. előadás
Fermentációs tápközegek. A tápközeg minőségi követelményei. Tápközeg tervezése. A víz jelentősége és fontosabb paraméterei. A víz körforgása. Szennyvíz, hűtővíz. Szénforrások jellemzése. Szénhidrátok. A keményítő felhasználása, savas illetve enzimes hidrolízise. A maláta és felhasználása. Szacharóz és laktóz. Növényi olajok szénforrásként történő felhasználása. A kukoricalekvár és felhasználása. Egyéb széntartalmú vegyületek (alkoholok, szerves savak, szénhidrogének) felhasználása. Szervetlen és szerves nitrogénforrások. A tápközeg szervetlen komponensei. Nyomelemek, vitaminok. Prekurzorok, anyagcsere-modulátorok, habzásgátlók.
 
5. előadás
Bioreaktorok oxigénellátása. Az oldott oxigén jelentősége. A fermentáció oxigénigénye. Az oxigén vízben való oldékonysága, az oldékonyságot növelő illetve csökkentő tényezők. A Henry-törvény. A kritikus oldott oxigén koncentráció. Az egyesített tömegátviteli koefficiens (Kla) jelentése, értelmezése. A Kla becslésének módjai, az egyes módszerek kivitelezése, előnyeik és hátrányaik. A Kla értékét befolyásoló tényezők. A habzás és a habzásgátlók kapcsolata az oxigéntranszferrel. A KLa és a kevertetés közti összefüggések. A Reynolds-szám.
 
6. előadás
Fermentációs analitika. A szabályzókör alapelemei. Az automatizált vezérlés alapesetei. A fermentáció legfontosabb műszaki paraméterei: hőmérséklet, kémhatás, kevertetés sebessége, tápközeg oldott oxigéntartalma és redoxpotenciálja, levegőbeáramlás mértéke, bemenő illetve elmenő levegő gázegyenlege, reaktor áramfelvétele és súlya, reaktoron belüli nyomás, habzás mértéke. A fenti paraméterek jelentőségének bemutatása.
 
7. előadás
Sterilizálás. Sterilitási kritériumok. A sterilizálás folyamatának kinetikája. A specifikus pusztulási ráta. A mikrorganizmusok rendszertani típusai és a sterilizálás hatékonysága. Ugyanazon faj eltérő élettani állapotából eredő következmények. Gőzzel történő sterilizálás. A tápközeg sterilizálása. A hőmérséklet vs. időtartam kérdése. Folyamatos és szakaszos sterilezés. A sterilezés energiaigénye és költségei. A tápközeg sterilizálása során lejátszódó kémiai reakciók és jelentőségük. A levegő sterilizálása. Hőhatással, kémai ágensekkel illetve sugárzással történő sterilezés. A sterilezés folyamatának biztonsági követelményei.
 
8. előadás
Sejtek növekedése bioreaktorban, a növekedés kinetikája. A sejtszám és a biomassza fogalma. Süllyesztett és felszíni tenyészetek. Batch, fed-batch és folytonos tenyészetek. A növekedés szakaszai. Szubsztrátum-, biomassza- és termékkoncentráció időbeli változása a tenyésztés során. Fermentációs időprofil értelmezése és elemzése. Limitáló szubsztrátum és reziduális szubsztrátum koncentráció. Populációs illetve specifikus növekedési ráta. A generációs idő fogalma és kapcsolata a növekedési rátával. A hozamkonstans. A Monod-törvény. A Monod-törvény grafikus szemléltetése, linearizálása, és az egyensúlyi szubsztrátum koncentráció kiszámítása.
 
9. előadás
A sejtnövekedés becslése. Közvetett módszerek: száraztömeg és nedvestömeg meghatározás. Sejttérfogat meghatározása. Nitrogéntartalom, fehérjetartalom, DNS-tartalom, RNS-tartalom mérése. Fényszóráson alapuló módszerek – a turbidimetria és a nefelometria összehasonlítása.  Közvetlen módszerek: sejtszámlálás, vitális festékek alkalmazása. A módszer kiválasztását befolyásoló tényezők; gyorsaság, érzékenység, megbízhatóság és költségek összehasonlítása. Növekedés mérése szilárd felszínen. Egyedi problémák és megoldásaik a fágok és vírusok, az egysejtű baktériumok, az élesztők, a fonalas baktériumok és a fonalas gombák növekedésének becslése során.
 
10. előadás
Folytonos és rátáplálásos (fed-batch) tenyészetek. A kemosztát teória alapelvei. Hígítási ráta fogalma és levezetése. A sejtnövekedés mértéke kemosztátban, a hígítási ráta és a specifikus növekedési ráta kapcsolata, az egyensúlyi állapot (’steady-state’) kialakulása. A limitáló szubsztrátum anyagi minőségének és koncentrációjának jelentősége. A kritikus hígítási ráta és a maximális növekedési ráta meghatározása. Folytonos tenyészetek gyakorlati alkalmazása. A turbidosztát. A fed-batch tenyészet alapelve, a rátáplálás élettani magyarázata. A rátáplálásos tenyészetek gyakorlati alkalmazásai, a rátáplálás technikai kivitelezése és műszeres kontrollja.
 
11. előadás
Termékkinyerés. A termékkinyerés munka-és költségvonzata a fermentációs folyamaton belül. Extracelluláris termékek kinyerése. Szilárd anyagok és a mikroorganizmusok eltávolítása. Szűrés. Centrifugálás. Ipari centrifugák ismertetése. Habbal történő elválasztás. Precipitáció. Intracelluláris termékek kinyerése. Sejtfeltárás. A sejtfeltárás fizikai és kémiai lehetőségei. Az elsődleges tisztítást követő lépések: frakcionálás, extrakció, adszorpciós, ioncserélő és affinitás-kromatográfia alkalmazása. Gélszűrés, ultraszűrés. Szárítás, kristályosítás. A teljes fermentlé tisztítása.
 
12. előadás
Szerves savak ipari léptékű fermentációja. Citromsav, itakonsav, almasav, tejsav, ecetsav fermentációs alapú gyártásának technológiai szempontjai.
 
13. előadás
Aminosavak ipari léptékű fermentációja. L-lizin, L-threonin, L-glutaminsav, DL-methionin, L-triptofán, L-aszparaginsav, L-fenilalanin fermentációs alapú gyártásának technológiája.
 
14. előadás
Antibiotikumok ipari léptékű fermentációja. Béta-laktámok, aminoglükozidok, tetraciklinek gyártásának technológiája.
 
15. előadás
Emlőssejtek ipari fermentációja. A mikrobiális és az emlőssejtek közti különbségek a fermentációs technológia szempontjából. A kevert tankreaktor módosításai: levegőztetés, keverés, pH-szabályozás. Nagy sejtsűrűség elérése emlőssejtekkel. Oltóanyag előállítás és sejtfenntartás emlőssejtek esetén.
 
Az előadásokhoz tartozó gyakorlat ismertetése:
A gyakorlatot tömbösítve egy héten keresztül tartjuk, a Biomérnöki Tanszék fermentációs laboratóriumaiban. A 15 liter hasznos térfogatú laboratóriumi fermentorok segítségével a hallgatók megismerkednek a bioreaktorok felépítésével, a levegőellátás, a sterilezés és a termosztálás technikai lehetőségeivel. Ezt követően rázott lombikos inokulum tenyészetet hozunk létre penicillint termelő Penicillium chrysogenum gomba egyik termelői törzséből, majd a fermentorok sterilizálását követően leoltást végzünk vele. Az egyes fermentorokban lévő tápközeg összetételének illetve oxigénellátásának változtatásán keresztül személtetjük az alkalmazott technológia növekedésre és termelésre gyakorolt hatását. A fermentáció teljes időtartama (~ 90 óra) során, steril körülmények között mintákat veszünk, majd növekedésre (száraztömeg mérés), szubsztrátum-fogyásra (glükóz, laktóz) és penicillin termelésre vonatkozó időprofilt veszünk fel. Az eredményeket számítógépen ábrázoljuk.