ii. el_adás (történet)
DESCRIPTION
biochemical engineeringTRANSCRIPT
BIOMÉRNÖKI M ŰVELETEK ÉS BIOMÉRNÖKI M ŰVELETEK ÉS FOLYAMATOK I.FOLYAMATOK I.
II. előadásII. előadás
A bioipari technológiák áttekintése és A bioipari technológiák áttekintése és történetetörténete
FERMENTÁCIÓFERMENTÁCIÓ
•• („(„ ferverefervere”, „erjedni” ”, „erjedni” -- latin)latin)•• A A biokémiábanbiokémiábanolyan energianyerő anaerob olyan energianyerő anaerob
folyamat, melyben az elektron folyamat, melyben az elektron donordonor illetve az illetve az elektron elektron akceptorakceptor egyaránt szerves molekula.egyaránt szerves molekula.elektron elektron akceptorakceptor egyaránt szerves molekula.egyaránt szerves molekula.
•• A A biomérnöki technológiábanbiomérnöki technológiábanminden olyan (aerob minden olyan (aerob vagy anaerob) folyamat, melyben sejtek vagy anaerob) folyamat, melyben sejtek (mikroorganizmusok) valamilyen terméket (mikroorganizmusok) valamilyen terméket állítanak elő.állítanak elő.
FERMENTÁCIÓS TECHNOLÓGIAFERMENTÁCIÓS TECHNOLÓGIA
•• Azon (biológiai, kémiai, műszaki, vegyipari) Azon (biológiai, kémiai, műszaki, vegyipari) ismeretek összessége, melyeknek birtokában egy ismeretek összessége, melyeknek birtokában egy adott gyártási folyamat (mikro)biológiai műveleteit adott gyártási folyamat (mikro)biológiai műveleteit optimálisan meg lehet tervezni, illetve el lehet optimálisan meg lehet tervezni, illetve el lehet optimálisan meg lehet tervezni, illetve el lehet optimálisan meg lehet tervezni, illetve el lehet végezni.végezni.
•• Egyidős az emberiséggel (ókori Egyiptom, Egyidős az emberiséggel (ókori Egyiptom, Mezopotámia, Kína, Izráel, görögök, sumérok, stb.)Mezopotámia, Kína, Izráel, görögök, sumérok, stb.)
FERMENTÁCIÓS FOLYAMATFERMENTÁCIÓS FOLYAMAT
szubsztrátumok
SEJT
termékek
szén-dioxid
Intracelluláris biokémiai szubsztrátumok
biomassza
termékekbiokémiai reakciók
KEVERÉS
FERMENTOR KEVERŐ TENGELY
KEVERT TANKREAKTORKEVERT TANKREAKTOR
LEVEGŐZTETÉS
KEVERŐ
FERMENTLÉ
SŰRÍTETTLEVEGŐ
FERMENTOROKFERMENTOROK
ÓKORÓKOR
Alapvetően élelmiszer jellegű Alapvetően élelmiszer jellegű termékek (ételek, italok)termékek (ételek, italok)
ÓKORÓKOR
•• And NOAH began to be a husbandman, and he And NOAH began to be a husbandman, and he planted wineyard, and he drank of wine, and was planted wineyard, and he drank of wine, and was drunken, and he was uncovered within his tent drunken, and he was uncovered within his tent (Genesis, 9)(Genesis, 9)(Genesis, 9)(Genesis, 9)
•• És NOÉ megházasodott és szőlőt ültetett, és ivék a És NOÉ megházasodott és szőlőt ültetett, és ivék a borból, és lerészegedék, és meztelen vala sátrának borból, és lerészegedék, és meztelen vala sátrának közepén (Genesis, 9)közepén (Genesis, 9)
BORÁSZATBORÁSZAT
•• Legalább 8.000 éves múltLegalább 8.000 éves múlt•• ÓkorÓkor : : MezopotámiaMezopotámia–– szőlőtermesztés; szőlőtermesztés; Ősi EgyiptomŐsi Egyiptom –– első első
borkultúra; borkultúra; ÓszövetségÓszövetség–– Noé részegsége; Noé részegsége; Ősi görögökŐsi görögök––Dionüszosz; Dionüszosz; Római BirodalomRómai Birodalom –– a köznép italává is válik; a köznép italává is válik; ízesített borok!!! ízesített borok!!! ������ízesített borok!!! ízesített borok!!! ������
•• KözépkorKözépkor: szerzeteses, kolostorok szerepe. Szárazabb borok : szerzeteses, kolostorok szerepe. Szárazabb borok elterjedése. Angol borimport kezdete.elterjedése. Angol borimport kezdete.
•• XVIIXVII--XVIII. szXVIII. sz .: visszaesés (tiszta ivóvíz elterjedése).: visszaesés (tiszta ivóvíz elterjedése)•• XIX. szXIX. sz. pezsgő ‘feltalálása’, portói, bordeaux. pezsgő ‘feltalálása’, portói, bordeaux--i, burgundi i, burgundi
borok; USA színre lép; Filoxéraborok; USA színre lép; Filoxéra--járványjárvány•• XX. sz.XX. sz.magas műszaki tartalmú technológiák megjelenésemagas műszaki tartalmú technológiák megjelenése
SÖRGYÁRTÁSSÖRGYÁRTÁS
•• Ősi technológiaŐsi technológia(sumér írások; az emberiség (sumér írások; az emberiség legrégibb írásos emlékei közé tartozik!)legrégibb írásos emlékei közé tartozik!)
•• Alapvető összetevőkAlapvető összetevők: : VíZVíZ, valamint, valamint
MALÁTA, ÉLESZT Ő KOMLÓ
SÖRFŐZÉS ÉS SÖRÁLDOZAT NIN-HARRA ISTENN ŐNEK
SÖRGYÁRTÁSSÖRGYÁRTÁS
KÖZÉPKORKÖZÉPKOR --ÚJKORÚJKOR
•• Sörfőzdék megjelenéseSörfőzdék megjelenése•• a reaktortest a reaktortest agyagbőlagyagből készülkészül•• a reaktortest a reaktortest fábólfából készülkészül•• a reaktortest a reaktortest rézbőlrézből készülkészül
1000 éves sör- / chika-főzde az Andokban
•• a reaktortest a reaktortest rézbőlrézből készülkészül•• egyszerű hőcserélőkegyszerű hőcserélők•• hőmérőkhőmérők
SÖRGYÁRTÁSSÖRGYÁRTÁS
•• Alapvető sörfajták:Alapvető sörfajták:–– Felsőerjesztésű sörFelsőerjesztésű sör (ale): az élesztő 15 (ale): az élesztő 15 –– 20 Celsius fok 20 Celsius fok
között erjeszt. Angliaközött erjeszt. Anglia–– Alsóerjesztésű sörAlsóerjesztésű sör (lager): az élesztő 10 Celsius fok körül (lager): az élesztő 10 Celsius fok körül
erjeszt (természetes szelekció erjeszt (természetes szelekció ––barlangokban tárolás barlangokban tárolás ––erjeszt (természetes szelekció erjeszt (természetes szelekció ––barlangokban tárolás barlangokban tárolás ––Lagern!), majd a sört fagypont körül kondicionálják Lagern!), majd a sört fagypont körül kondicionálják (hűtőgépek kifejlesztése!). Csehország (Pilsen), (hűtőgépek kifejlesztése!). Csehország (Pilsen), Németország, Belgium; leggyakoribb.Németország, Belgium; leggyakoribb.
–– Lambikus sörLambikus sör: Belgium Payottenland tartománya. : Belgium Payottenland tartománya. Természetes (vad) élesztőpopulációval erjesztenek, mely a Természetes (vad) élesztőpopulációval erjesztenek, mely a Zenne folyóban él.Zenne folyóban él.
–– Kevert sörök:Kevert sörök: ale és lager keverékeiale és lager keverékei
MIKROSZKÓPMIKROSZKÓP
•• JanssenJanssen: első kétlencsés mikroszkóp : első kétlencsés mikroszkóp (1590; 30 x nagyítás)(1590; 30 x nagyítás)
•• HookeHooke (1665)(1665)•• LeeuwenhoekLeeuwenhoek(1676; 200 x nagyítás)(1676; 200 x nagyítás)•• LeeuwenhoekLeeuwenhoek(1676; 200 x nagyítás)(1676; 200 x nagyítás)
MIKROSZKÓPMIKROSZKÓP
Antonio van Leeuwenhoek(1632-1723)
XIX. SZÁZADXIX. SZÁZAD
•• A sörA sör--, bor, bor--, ecet, ecet--, tejsavgyártás ‘tudományos , tejsavgyártás ‘tudományos igényű” megközelítéseigényű” megközelítése
•• Technológiai fejlesztések (Technológiai fejlesztések (acetátoracetátor, , kalandriakalandria , , steril levegő)steril levegő)
•• Mikroorganizmusok szerepének felismeréseMikroorganizmusok szerepének felismerése•• CagniardCagniard--LatourLatour , , SchwannSchwann, , KützingKützing (1837), (1837),
TraubeTraube (1858)(1858) LiebigLiebig, , BerseliusBerselius, Wöhler, Wöhler•• PasteurPasteur(1866)(1866)
élesztő + cukor � CO2 + etanol
KALANDRIAKALANDRIA
1900 1900 –– II. VILÁGHÁBORÚII. VILÁGHÁBORÚ
•• glicerolglicerol--, citromsav, citromsav--, aceton, aceton--, butanolgyártás, butanolgyártás
•• Fleming, WeizmannFleming, Weizmann•• Clostridium acetobutylicumClostridium acetobutylicum(kordit alapanyag)(kordit alapanyag)•• A bioreaktor sterilitásaA bioreaktor sterilitása•• A fermentációk léptéknövelése; inokulumA fermentációk léptéknövelése; inokulum
•• Ráadagolásos (fedRáadagolásos (fed--batch) fermentációkbatch) fermentációk•• A penicillin történeteA penicillin története
A PENICILLIN STORYA PENICILLIN STORY
Penicillin GPenicillin G
Penicillium chrysogenumPenicillium chrysogenum
II. VILÁGHÁBORÚ II. VILÁGHÁBORÚ -- NAPJAINKIGNAPJAINKIG
•• Egyéb antibiotikumokEgyéb antibiotikumok•• Aminosavak, enzimekAminosavak, enzimek•• SzteroidokSzteroidok•• Vitaminok (pl. BVitaminok (pl. B 1212))•• Törzsfejlesztő programokTörzsfejlesztő programok•• Törzsfejlesztő programokTörzsfejlesztő programok•• SingleSingle--Cell Protein (SCP)Cell Protein (SCP)•• Sterilezhető bioreaktorokSterilezhető bioreaktorok•• Oxigénigényes fermentációkOxigénigényes fermentációk•• Kísérleti üzemek elterjedéseKísérleti üzemek elterjedése•• FolyamatszabályozásFolyamatszabályozás
‘NEW BIOTECHNOLOGY’‘NEW BIOTECHNOLOGY’
•• Rekombináns DNS technológia alkalmazásaRekombináns DNS technológia alkalmazása
•• E. coliE. coli alkalmazása inzulin előállítására alkalmazása inzulin előállítására (1978)(1978)
•• Magasabbrendű eukarióta Magasabbrendű eukarióta •• Magasabbrendű eukarióta Magasabbrendű eukarióta sejtek fermentációjasejtek fermentációja
•• Genomika, proteomika, Genomika, proteomika, metabolomikametabolomika
•• A fermentációs technológia A fermentációs technológia jelentősége változatlanjelentősége változatlan
‘NEW BIOTECHNOLOGY’‘NEW BIOTECHNOLOGY’
A HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETEA HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETE
Technológia / termékTechnológia / termék ÉvÉv Helyszín Helyszín
habzóbor 1720 Szentgyörgy
ecet 1787 Pozsony
Növényolaj termelés 1790 Pest
Brandy 1804 Újlak
Répacukor előállítás 1808 Ercsi
Pezsgő 1825 Pozsony
Sörgyár 1844 Budapest
Élesztőgyár 1853 Budapest
Szalámi 1862 Budapest
A HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETEA HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETE
Technológia / termékTechnológia / termék ÉvÉv Helyszín Helyszín
Konzervgyár 1872 Rohonc
Szövetkezeti tejüzem 1882 Szombathely
Keményítőgyár 1887 Fűzfő
Tejsav 1923 Budapest
Aceton / butanol 1924 Budapest
Alkaloid (morfin) 1927 Tiszavasvári
Glicerin 1941 Kisperkáta
Penicillin 1946 Budapest
Neomycin, oxytetraciklin 1951 Debrecen
A HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETEA HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETE
Technológia / termékTechnológia / termék ÉvÉv Helyszín Helyszín
Tobramycin 1952 Debrecen
B12 vitamin 1953 Budapest
Enzimes sörfőzés 1969 Sopron
Ipari alkohol 1971 Szabadegyháza
A BIOIPAR CÉLJAIA BIOIPAR CÉLJAI--LEHET ŐSÉGEILEHETŐSÉGEI
•• Sejttömeg termelésSejttömeg termelés(pékélesztő, SCP)(pékélesztő, SCP)
•• Sejtkomponensek előállításaSejtkomponensek előállítása (enzimek, (enzimek, nukleinsavak, poliszacharidok)nukleinsavak, poliszacharidok)
•• Metabolit termelésMetabolit termelés•• Metabolit termelésMetabolit termelés•• PrimerPrimer : etanol, tejsav, aminosav, karbonsav, stb.: etanol, tejsav, aminosav, karbonsav, stb.•• SzekunderSzekunder: antibiotikumok, vitaminok, : antibiotikumok, vitaminok,
gyulladáscsökkentők, növekedésgyulladáscsökkentők, növekedés--serkentők, stb.serkentők, stb.
•• KonverzióKonverzió
BIOIPARI ENZIMEKBIOIPARI ENZIMEK
EnzimEnzim Iparág Iparág Felhasználás Felhasználás Amiláz Malom- és pékipar Tészta viszkozitásának
csökkentése
Proteáz Sör-és malomipar Gabonaszemek aprítása
Pektináz, hemicelluláz Kávégyártás Pektin, hemicelluláz tartalom csökkentése
Invertáz Cukorgyártás Szacharóz hasítása
Amiloglükozidáz Cukorgyártás Keményítő glükózzá alakítása
Glükóz izomeráz Cukorgyártás Glükóztartalom fruktózzá alakítása
Kataláz Tejipar H2O2 (sterilezési maradvány) eltávolítása
Laktáz Tejipar Laktóz hasítása
Glükóz oxidáz Szörpök Oxigén eltávolítása
BIOIPARI KONVERZIÓKBIOIPARI KONVERZIÓK
•• A A mikroorganizmusmikroorganizmus enzimrendszere segítségével enzimrendszere segítségével lejátszódó lejátszódó kémiai reakciókkémiai reakciók (dehidrogénezés, oxidáció, (dehidrogénezés, oxidáció, hidroxilezés, kondenzáció, dekarboxilezés, aminálás, hidroxilezés, kondenzáció, dekarboxilezés, aminálás, deaminálás, stb.) eredményeként a kiindulási deaminálás, stb.) eredményeként a kiindulási anyaghoz szerkezetileg hasonló, de annál anyaghoz szerkezetileg hasonló, de annál értékesebbértékesebb(drágább) anyagot kapunk.(drágább) anyagot kapunk.(drágább) anyagot kapunk.(drágább) anyagot kapunk.
•• A kémiai átalakítással szembeni előnyei:A kémiai átalakítással szembeni előnyei:•• Nem igényel drága, környezetkímélő katalizátorokatNem igényel drága, környezetkímélő katalizátorokat•• Semleges pHSemleges pH--n, alacsony hőmérsékleten játszódnak len, alacsony hőmérsékleten játszódnak le•• Specifikusak (kevés melléktermék)Specifikusak (kevés melléktermék)•• sztereospecificitássztereospecificitás