UNIVERZITA TOMÁŠE BATI VE ZLÍNĚ FAKULTA APLIKOVANÉ INFORMATIKY PROCESNÍ INŽENÝRSTVÍ 12 Fermentační procesy (2. část) Dagmar Janáčová, Hana Charvátová, Zlín 2013 Tento studijní materiál vznikl za finanční podpory Evropského sociálního fondu (ESF) a rozpočtu České republiky v rámci řešení projektu: MODERNIZACE VÝUKOVÝCH MATERIÁLŮ A DIDAKTICKÝCH METOD
2 Obsah... 3 1. Kinetika enzymových reakcí... 4 2. Modelování fermentačních procesů... 5 3. Přehled významných enzymových technologí... 7 Enzymová hydrolýza... 7 Zpracování biomasy... 8 4. Použitá literatura... 9
3 Fermentační procesy modelování STRUČNÝ OBSAH PŘEDNÁŠKY: Kinetika fermentačních reakcí, Stadia fermentace Matematické modelování fermentace Přehled významných fermentačních technologií MOTIVACE: V této přednášce se seznámíme s fermentačním procesem, jeho významem, mezi nejznámější patří kvašení alkoholické. Patří mezi nenákladné procesy, probíhající při mírných podmínkách. Lze na ně dobře aplikovat automatické řízení. Tato problematika je v technické praxi je velmi často řešena. CÍL: Seznámit studenty s principy, významem fermentačních procesů, se způsobem návrhu matematických modelů popisujících fermentační pochody.
4 1. Kinetika enzymových reakcí
5 Enzym E a substrát S se kombinují bimolekulární reakcí s rychlostní konstantou k1 za vzniku komplexu enzym-substrát ES. Tento komplex se rozpadne buď dříve, než dojde ke katalytickému ději, a to zpět na enzym a substrát, nebo po proběhnutí enzymové reakce, a to za tvorby produktu P a uvolnění enzymu. Oba tyto procesy jsou monomolekulární a jsou charakterizovány rychlostními konstantami k 1 a k 2. Hlavní faktory ovlivňující enzymovou aktivitu. Existuje mnoho faktorů, které ovlivní enzymovou aktivitu. Do skupiny těch nejvážnějších patří: 1. vlastní substrát reakce, 2. skupina látek označovaných jako efektory (inhibitory, aktivátory), 3. teplota, 4. ph, 5. síly působící v kapalině (hydrodynamické síly, hydrostatický tlak a mezifázové napětí), 6. záření, 7. iontová síla roztoku. Enzymy (resp. 'určité oblasti molekuly enzymu, které vedle zbytků aminokyselin mohou obsahovat koenzymy nebo ionty) mění rychlost reakcí tím, že: 1) snižují aktivační energii tvorby přechodných stavů, 2) slouží jako templáty / templát - zdroj informace pro tvorbu jiného biopolymeru /zvyšující lokální koncentrace substrátů, 3) obsahují aminokyseliny se specifickou úlohou v katalýze. Enzymy sice výrazně ovlivňují rychlost reakcí, nemají však vliv na jejich rovnovážné konstanty ani na celkové změny volné energie. Navázání substrátu a katalýza probíhá na aktivním místě enzymu. Po přiblížení substrátu se může měnit konformace katalytických míst. 2. Modelování fermentačních procesů Kvantifikace fermentačního procesu. Inženýrské hodnocení fermentačních procesů vyžaduje jednak přesně defi:p.ovat jednotlivé fáze procesu a z naměřených veličin získat co nejvíce odvozených veličin, ze kterých bude moci technolog proces hodnotit a dále určovat jeho vývoj. Kvantifikace zahrnuje tyto kroky:. vyjádření rychlosti procesu,. vyjádření stechiometrických vztahů,. vyjádření stupně přeměny substrátu na produkt (výtěžnostní koeficienty),. charakteristiku produktivity systému,. ekonomické ukazatele procesu.
6 Průběh koncentraci jednotlivých meziproduktů c
7 Typy bioreaktorů τ 3. Přehled významných enzymových technologí Enzymová hydrolýza
8 Zpracování biomasy
9 Přednáškový text se vztahuje k této otázce: Modelování fermentačních procesů, významné technologie 4. Použitá literatura [1] Kolomazník, K. a kol.: Nové technologické a ekologické trendy při zpracování přírodních polymerů, VZ MSM 265200014, FT UTB Zlín, 2004 [2] Váńa, J.: Skripta z předmětu ekologie a ekotechnika, 2. doplněné vydání, VÚ rostlinné výroby, 1998 [3] Malijevský,A., Novák, J., P., Labík, S., Malijevská, I: Breviář fyzikální chemie, VŠCHT Praha, ÚFCH, 2001 [4] Dvořáčková, M.: Deproteinace chromitých kalů při jejich recyklaci, disertační práce, FT UTB, 2004 [5] Co je co, e-encyklopedie, dostupná na http://www.cojeco.cz/, poslední revize 12.12.2006 [6] e-encyklopedie Wikipedie, dostupná na http://cs.wikipedia.org/wiki, poslední revize 12.12.2006 [7] Kadlec,P. a kol.: Procesy potravinářských a biochemických výrob, skripta VŠCHT, Praha, 2003 [8] Demnerová, K., Dostálek, P., Finkeová J., Kmínek M., Melzoch K., Palatová M., Rychtera, M.: Modelování bioprocesů a jednotkových operací, analýza rizik. Elektronická učebnice, VŠCHT v Praze, 2002, dotupné z: http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mb/index.htm