BIOINŽENÝRSTVÍ II. Charakteristika fyziologického stavu buněk z hlediska buněčné energetiky energetický náboj, princip regulace.

Transkript

1 Bioinženýratví II sylabus k předmětu Energetický metabolismus buněk BIOINŽENÝRSTVÍ II Vznik a přenos energie v buňce Přeměny energie v biosféře, uvolňování energie v katabolismu, biologické redoxní systémy, redoxní potenciál, volná energie a její změny, exergonické a endergonické reakce, změny entropie a entalpie, vztah mezi volnou energií a rovnovážnou konstantou. Spřažení reakcí a reakčních systémů. Spřažení exergonických a endergonických reakcí v buňce podmínky spřažení, konformační energie molekuly, konzervace uvolněné volné energie, faktory ovlivňující hodnotu uvolněné volné energie, energeticky bohaté sloučeniny v buňce, fosfageny a polyfosfáty a jejich úloha v metabolismu buněk. Transferový potenciál fosforylovaných sloučenin, vznik a úloha ATP, NAD(P) Vznik ATP na substrátové úrovni, spřažení dvou katabolických reakcí, účast ATP v syntetických reakcích, výpočet změn volné energie a účinnosti jejího využití, princip spřažení katabolismu a anabolismu. Role NAD (P) v metabolismu transhydrogenasová reakce. Charakteristika fyziologického stavu buněk z hlediska buněčné energetiky energetický náboj, princip regulace. Typy kultivací buněk z hlediska spřažení katabolismu a anabolismu. Buněčná energetika z hlediska způsobu přenosu elektronů Proces fermentace charakteristické vlastnosti, nefermentovatelné substráty, vlastnosti oxido-redukčních reakcí při fermentaci, energetická bilance, účinnost konzervace uvolněné energie, energetický zisk. Proces aerobní respirace charakteristické vlastnosti, mitochondriální a bakteriální respirační řetězec vlastnosti, odlišnosti, přenos elektronů respiračním řetězcem. Oxidační fosforylace charakteristika procesu, energetika přenosu elektronů, lokalizace přenašečů, účinnost procesu, P/O poměr. Účinnost využití uvolněné energie v procesu aerobní respirace, porovnání s procesem fermentace. Proces anaerobní respirace charakteristické vlastnosti, rozbor jednotlivých typů procesů z hlediska finálního akceptoru elektronů, energetického zabarvení procesu, fyziologických donorů vodíku a elektronů, dráhy přenosu elektronů, enzymů podílejících se na přenosu elektronů a jejich lokalizace, regulace procesů a jejich energetický zisk. Respirace: nitrátu, fumarátu, tetrathionátu, sulfátu, CO 2. Výskyt jednotlivých procesů v biosféře a jejich úloha. Regulační mechanismy vyřazující nevýhodné dráhy přenosu elektronů v buňkách majících schopnost využít více různých finálních akceptorů elektronů.

2 -2- Porovnání všech uvedených způsobů získávání energie z hlediska energetické výhodnosti. Transformace, konzervace a transdukce energie v buňce Vysvětlení jednotlivých dějů, interkonvertibilita přeměny a konzervace energie v buňce, teorie vzniku ATP dle postupného vývoje (chemická, konformační, protonového gradientu), funkce a působení odpřahovadel a inhibitorů procesu oxidační fosforylace. Energetické spřažení v průběhu růstu buněk Energetické aspekty růstu buněk. Podmínky podmiňující účinné spřažení katabolismu se syntetickými reakcemi, funkce řídící reakce, odlišnosti ve využití uvolněné volné energie je-li řídící reakce v katabolismu a v anabolismu. Princip a mechanismus respirační kontroly (regulace rychlosti respirace). Odpřažení katabolismu od růstu buněk osud uvolněné volné energie v buňce. Faktory ovlivňující odpřažení katabolismu od růstu (živiny, teplota kultivace, membránová ATP-asa, některé ionty). Vnější projevy odpřažení. Posouzení spřažení katabolismu s růstem a jeho účinnosti z experimentálních dat kultivací. Výtěžnost Y ATP definice, podmínky udržení její konstantní hodnoty. Maintenance energie kvantitativní určení z experimentálních dat kultivací pomocí výtěžností nebo metabolických kvocientů Y X/S, q S, Y ATP, q ATP, q O2, Y X/O2. Faktory ovlivňující hodnotu Y ATP. Endogenní metabolismus buněk faktory ovlivňující jeho aktivitu. Tvorba tepla v průběhu mikrobního procesu Příčiny uvolňování tepla v průběhu kultivace buněk, význam kvantitativního určení množství uvolněného tepla. Problémy s chlazením bioreaktorů. Způsoby měření uvolněného tepla mikrokalorimetrie, tepelná bilance reaktoru, výpočtem. Stanovení uvolněného tepla ze spotřeby substrátu a tvorby produktů. Stanovení uvolněného tepla ze spotřeby kyslíku. Výpočet množství uvolněného tepla v průběhu kultivace buněk vliv výtěžnosti biomasy vztažené na spotřebovaný zdroj uhlíku a energie, vliv oxidačního stupně zdroje uhlíku a energie, vliv produktivity procesu. Uvolňování tepla v průběhu anaerobního růstu. Praktické příklady s různými zdroji uhlíku a energie a důsledky nedostatečného chlazení bioreaktorů. Procesy a zařízení biotechnologických výrob Bioreaktory Rozdělení reaktorů podle různých hledisek, velikosti používaných reaktorů. Bioreaktory s mechanickým mícháním Reaktory s radiálním míchadlem, cirkulační reaktory s vrtulovým míchadlem a s kombinovanými míchadly. Reaktory bez distributoru vzduchu, reaktory s násobnými míchadly. Vícestupňové reaktory s malým a vysokým oddělovacím efektem, reaktory s vibračním mícháním, horizontální tubulární reaktory.

3 -3- Faktory ovlivňující ekonomicky optimální návrh míchacího zařízení (technologická operace, délka operace, investiční a provozní náklady). Pneumaticky míchané reaktory Reaktory s neuspořádaným prouděním kapaliny cylindrokónický reaktor, reaktory s trubkovými distributory vzduchu, probublávané kolony, věžové vícestupňové reaktory s perforovanými překážkami. Airlift reaktory s vnitřní a vnější cirkulací, šachtové reaktory, význam perforovaných překážek. Reaktory s hydraulickým mícháním Princip, odlišnost mezi hydraulickým a hydrodynamickým způsobem míchání. Cirkulační reaktory s ponořenou tryskou způsoby distribuce vzduchu (ejektorový, injektorový typ), tryska vzhůru, tryska dolů. Cirkulační reaktory s ponořeným paprskem proudu. Reaktor s definovanou malou dodávkou kyslíku (eliminace střižných sil). Speciální bioreaktory pro kultivace mikrobních, rostlinných a tkáňových buněk Membránové reaktory různých typů a konfigurací, perfusní reaktory princip, význam, aplikace mikronosičů, typy. Reaktory s fluidní vrstvou používané částice, výhody, nevýhody, praktické aplikace. Náplňové reaktory náplňové materiály, výhody, nevýhody, praktické aplikace. Trickle bed reaktory náplňové materiály, výhody, nevýhody, praktické aplikace. Zařízení pro povrchovou kultivaci. Zařízení pro kultivaci na tuhém substrátu. Zařízení pro kultivaci tkáňových kultur typy rollerů, regulace rychlosti, konstrukční detaily. Typy třepaček dynamicky vyvážená zařízení, problémy s instalací (hmotnost) a provozem (hlučnost). Speciální mechanicky míchané reaktory pro čištění kontaminovaných půd. Bioreaktory pro výrobu vakcín a očkovacích látek (specifické požadavky). Konstrukční materiály pro biotechnologický průmysl Přihlédnutí ke specifickým požadavkům biologického procesu, udržení hygieny a aseptických podmínek. Kovové materiály litina, oceli uhlíkové a nerezavějící, měď, hliník, titan, cín, mosaz, bronz, speciální slitiny.

4 -4- Kvalita povrchu, kouty, rohy, štěrbiny. Nekovové materiály sklo, polyethylen, polypropylen, PVC, polyamid, fluorované plasty, polyethersulfony, akrylonitrilbutadienstyren (ABS). Pryže: vulkanizáty butylkaučuku, ethylenpropylendicyklopentadien (EPDM), vulkanizáty styrenbutadienu (SBR), neopren, vulkanizáty nitridového kaučuku, silikonová pryž, fluorovaná pryž (Viton). Keramické materiály, dřevo. Konstrukce bioreaktorů Tvar reaktoru, míchací a aerační zařízení, pohon a regulace frekvence otáčení míchadla, magnetické spojky, mechanické ucpávky hřídele míchadla, utěsnění pohonu vibračního míchadla, tubusy pro vložení elektrod a jejich umístění, pro vstup louhu, kyseliny, pro inokulaci, zařízení pro odběr vzorků, snižování odparu z reaktoru, řešení vstupu živného média do reaktoru, řešení přívodu aeračního vzduchu do distributoru, typy distributorů vzduchu, řešení vypouštěcího potrubí a průlezu, zabránění úniku aerosolu (s buňkami) a pachů z bioreaktoru hledisko bezpečnosti (výstupní filtr). Měření a regulace provozu bioreaktorů Požadavky kladené na měřící a regulační přístroje v provozních podmínkách. Objem kultivačního média v reaktoru a zásobnících (aseptické, neaseptické podmínky). Tlak, průtoky vzduchu a kapalin. Frekvence otáčení a příkon míchadla, typy pohonů. Teplota. Odpěňování chemické metody, mechanické odpěňovače. Rheologické vlastnosti mikrobiálních suspenzí. ph média. Redox potenciál, tense rozpuštěného kyslíku, tense rozpuštěného CO 2. Analyzátory O 2 a CO 2 v plynech. Turbidita, koncentrace iontů, enzymové elektrody. Celková koncentrace tuhé fáze (total suspended solids). Celková koncentrace organického uhlíku (TOC). V jednotlivých případech uvedeny principy měření, typy používaných čidel, princip regulace včetně akčních členů. Speciální zařízení Armatury (ventily, šoupátka, kohouty, pojistné ventily, zpětné klapky) pro aseptické a neaseptické části výrob. Redukční ventily a regulátory tlaku vzduchu, solenoidové ventily (tlačkové), jehlové regulační ventily. Potrubní spojení, druhy těsnění. Čerpadla pro neaseptické a aseptické podmínky (objemová, dávkovací, syringe pumps) vysvětlení a popis různých typů. Přípravné operace a zařízení biotechnologických výrob. Uskladnění a manipulace se surovinami. Příprava vzduchu pro bioreaktor sání vzduchu, kompresorovna, rozvodné potrubí, předfiltr, sterilační filtr, měření a regulace průtoku vzduchu. Příprava kultivačního média doprava a dávkování surovin, rozpouštěcí nádrže a mezizásobníky, doprava do bioreaktoru. Odlišnosti při použití zemědělských surovin a chemicky čistých látek. Homogenizace v průběhu dopravy (statické mísiče).

5 -5- Sterilace kultivačního média a zařízení pro batch a kontinuální procesy. Definice základních pojmů. Výpočet. Sterilace vzduchu pro výrobu a pro výrobní haly typy filtrů. Čištění a sanitace výrobních strojů a zařízení. Větrání, vytápění a úprava vzduchu pro laboratoře a výrobní haly. Voda technologická a technická okruh chladící vody, problémy při provozu. Nároky kladené na technologickou vodu. Příprava inokula popis a význam propagační stanice. Očkování sporami. Dokončovací operace a zařízení biotechnologických výrob. Dezintegrace buněk mechanické a nemechanické způsoby. Popis jednotlivých metod, výhody, nevýhody, dodávaná aseptická zařízení. Filtry a odstředivky typy, funkce, aplikace. Odparky a kondenzátory typy, funkce, aplikace. Sušárny typy, funkce, aplikace. Destilační zařízení vnitřní vybavení kolon, konstrukce kolony, vařáky, kondenzátory, příslušenství kolon. Metody stabilizace produktu. Doporučená literatura: Rychtera M., Uher J., Páca J.: Lihovarství, drožďářství a vinařství, skriptum VŠCHT, SNTL, Praha 1991 Sikyta B.: Metody technické mikrobiologie, SNTL, Praha 1978 Kaprálek F.: Fyziologie bakterií, SNP, Praha 1986 Weide H., Páca J., Knorre W. A.: Biotechnologie, Fischer Verlag, Jena 1991 Horák J., Kotyk A., Sigler K.: Biochemie transportních popochodů, Academia Praha, 1984 Krumphanzl V., Řeháček Z.: Mikrobiální technologie, Academia, Praha 1987 Cudlín J.: Vybrané metody v mikrobiologii, Academia, Praha 1981 Páca J.: Kvasný průmysl č. 1,3-7,10,11 (1987) Páca J.: Kvasný průmysl č. 2,3 (1990)