A BIOTECHNOLÓGIA TUDOMÁNYTERÜLETI KAPCSOLATAI

1. A BIOTECHNOLÓGIA TUDOMÁNYTERÜLETI KAPCSOLATAI BIO-KÉMIA BIOLÓGIA KÉMIA BIOTECH-NOLÓGIA VEGY. MŰV. BIOMÉRNÖK MŰSZAKI TUDOMÁNYOK

2. BIOTECHNOLÓGIA TECHNIKAI MŰVELETEK ÉS IPARI TERMELÉS KERETÉBEN ALKALMAZOTT BIOLÓGIAI ELJÁRÁSOK A mikrobiológia és biokémia alkalmazás-orientált tudománya (1976) BIOTECHNIKA TECHNIKAI ESZKÖZÖK ORVOSI-GYÓGYÁSZATI ALKALMAZÁSA

3. A BIOTECHNOLÓGIA MÚLTJA

4. NÖVÉNYI BIOTECHNOLÓGIA TERMESZTŐK EGY GENOTÍPUS MÓDOSÍTÁSA EGY GENOTÍPUS RÖGZÍTÉSE, VAGY MEGSOKSZOROZÁSA TELJES NÖVÉNYI KULTÚRÁK MÓDOSÍTOTT NÖVÉNY EREDETI NÖVÉNY Génsebészet Haploidizáció Szomatikus hibridizáció EREDETI SEJT Szomatikus embriogenezis MÓDOSÍTOTT SEJT Mutagenezis és szomaklonális variáns MÓDOSÍTOTT SEJTVONAL EREDETI SEJTVONAL Mikroszaporítás Sejtkultúra Sejtkultúra SEJT ÉS SZERV.KULTÚRÁK TÖMEGTENYÉSZETBEN METABOLITOK

5. BIOTECHNOLÓGIA ALKALMAZÁSA AZ ÁLLATTENYÉSZTÉSBEN ÁLLATEGÉSZSÉGÜGYMONOKLONÁLIS DIAGNOSZTIKA KLÓNOZÁSSAL NYERT VÍRUS VAKCINA IMMUNOGÉN VIRUSFEHÉRJÉK EXPRESSZIÓJA (SZÁJ- ÉS KÖRÖMFÁJÁS, VESZETTSÉG, BAROMFIVÉSZ STB.) MONOKLONÁLIS ANTITESTEKKEL VALÓ PASSZÍV IMMUNIZÁLÁS HOZAMNÖVELÉS A TAKARMÁNYOK ÁLLATI FEHÉRJÉKKÉ VALÓ ÁTALAKÍTÁSAKOR TERMELÉKENYSÉG NÖVELÉSE AZ ÁLLATI NÖVEKEDÉS ELŐSEGÍTÉSÉVEL GÉNSEBÉSZETTEL ELŐÁLLÍTOTT ÁLLAI NÖVEKEDÉSIHORMONOK

6. MIKROORGANIZMUSOKBIOTECHNOLÓGIAI ALKALMAZÁSA 1. GYÓGYÁSZAT ANTIBIOTIKUMOK - Penicillin: Penicillium chrysogenum - Streptomycin: Streptomyces grizeus - Peptid antibiotikumok: Bacitracin, Gramicidin, Nisin stb. RÁKELLENES HATÓANYAGOK Actinomycin, Mitomycin, Chromomycin, L-Asparaginase stb. Főleg Streptomycesek STEROID ÁTALAKÍTÁSOK Pl. Progesteron  11- Hidroxiprogesteron Aspergillus ochraceus Cortison, Prednisolon, Testosteron REKOMBINÁNS DNS-TECHNIKA Inzulin, növekedési hormon, serum albumin

7. MIKROORGANIZMUSOK BIOTECHNOLÓGIAI ALKALMAZÁSA 1. ÉLELMISZERIPAR ERJEDÉSIPAROK Sör, bor, alkohol Saccharomyces cerevisiae STARTERKULTÚRÁK Tejipar, húsipar, borászat BIOMASSZA Takarmányélesztő, Pékélesztő S. cerevisiae SCP Methylophilus methylotrophus AMINOSAVAK Glutaminsav, Fenilalanin, Lisin, Triptofán SZERVES SAVAK Ecetsav, tejsav, propionsav, citromsav

8. MIKROORGANIZMUSOK BIOTECHNOLÓGIAI ALKALMAZÁSA 1. IPARI CÉLOKRA KEMÉNYÍTŐ KONVERZIÓ Szeszipar, folyékony cukor POLISZACHARIDOK ELŐÁLLÍTÁSA Alginát: Azotobacter vinelandii Lerán: Zymomonas mobilis Xanthan: Xanthomonas campestris Stabilizálószerek ALKOHOL ELŐÁLLÍTÁSA Cukor-, keményítő-, cellulóz-alapon Saccharomyces cerevisiae Candida pseudotropicalis Zymomonas mobilis ENZIMEK ELŐÁLLÍTÁSA Proteolitikus, Hidrolitikus enzimek Glükóz izomeráz, amiláz stb.

9. EGY BIOTECHNOLÓGIAI ELJÁRÁS ÁLTALÁNOS FOLYAMATÁBRÁJA

10. FERMENTÁCIÓS ELJÁRÁS MEGVALÓSÍTÁSÁNAK LÉPÉSEI 1.Mikroorganizmus kiválasztása 2.Táptalaj kifejleszétse összetétel optimálás 3.Eljárás kifejlesztése Anyag és energiamérlegek matematikai modellek szaporodás, termékképzési kinetika szubsztrátfelhasználás, levegőztetés 4.Léptéknövelés Reaktortípus Szabályozástechnika 5.Termék feldolgozás

11. TÁPTALAJMikrobák átlagos elemi összetétele A hamuban: P, Mg, Cu, Co, Fe, Mn, Mo, Zn, Ca, K, Na

12. FERMENTÁCIÓS CÉLOKRA HASZNÁLHATÓ NYERSANYAGOK TISZTA C-TARTALMÚ MONO- DI ÉS POLISZACHARIDOK SZÉNHIDROGÉNEK, ALKOHOLOK, CO2 KOMPLEX SZUBSZTRÁTOK MELASZ CELLULÓZ GYÁRTÁS SZENNYVÍZE SZULFIT SZENNYLÚG (PAPÍRGYÁRTÁS) KUKORICALEKVÁR SAVÓ N-FORRÁS NH3, NO3-, KARBAMID AMINOSVAK, SZÓJA SZERVETLEN SÓK PO43-, SO42-, CI- - SÓK NYOMELEMEK K, Na, Mg, Ca, Fe, Co, Zn

13. FERMENTÁCIÓS MODELLEK ÁLTALÁNOS ELVEI 1. Fizikai elvek Anyagmegmaradás, anyagmérlegek Termodinamikai I. Hőmérleg - hőelvonás II. Entrópia Nyilt rendszer állandósult állapot Kiegysnúlyozott növekedés Korlátozatlan (exponenciális) Korlátozott (kemosztát) Konstitutív elvek Fizikai-kémiai, reakciókinetikai törvények ri 2. Biológiai elvek Környezeti tényezők hatása rH pH  transzport Hőmérséklet  ARRHENIUS Oxigénellátottság  (Pasteur-effektus) Modellek: Struktúra nélküli (MONOD, KONO-ASAI stb.) Strukturális modellek (bonyolult kezelhetőség)

14. SZAKASZOS SZAPORODÁSI GÖRBE X [g/dm3] V. IV. • LAG-FÁZIS • GYORSULÓ SZAPORODÁS • EXPONENCIÁLIS-FÁZIS • LASSULÓ SZAPORODÁS • ÁLLANDÓSULT FÁZIS III. I. II. t

15. SZAPORODÁSI SEBESSÉGI GÖRBE • dy/dt = 0 • dx/dt > 0 • dx/dt =  . X • dx/dt > 0 • dx/dt = 0 dx dt III. IV. dx/dt x II. V. x I.

16. lgx t GENERÁCIÓS IDŐ: tg  x2 7 2x1

17. A SZAPORODÁSI SEBESSÉG SZUBSZTRÁTFÜGGÉSE [MONOD]  MAX  = MAX KS S SK

18. ÖSSZEFÜGGÉS A FELHASZNÁLT SZUBSZTRÁT ÉS A KÉPZŐDÖTT SEJTTÖMEG KÖZÖTT KÉPZŐDÖTT SEJTTÖMEG x HOZAMKONSTANS x s s FOGYOTT SZUBSZTRÁT

19. SZAKASZOS FERMENTÁCIÓ X S P P ds dt dx dt dP dt S t

20. TERMÉKKÉPZÉSI KINETIKA (LUEDEKING-PIRET)  > 0 Elsődleges metabolitok (aminosav, alkohol > 0 Másodlagos metabolitok (antibiotikumok)  > 0 és  > 0 Tejsav A szubsztrát teljes hasznosítása:

21. SZUBSZTRÁTFELHASZNÁLÁS • Sejttömeg • Energiatermelés Növekedéssel kapcsolatos Fenntartással kapcsolatos

22. OXIGÉNIGÉNY I. • Légzési sebesség • Fajlasog légzési sebesség

23. OXIGÉNIGÉNY 2. Qmax K02 C CKr Beépülés Energiaterm. a növ.-hez Energiatermelés a ferm.tartáshoz

24. A GLÜKÓZ ÉS OXIGÉNIGÉNY ÖSSZEHASONLÍTÁSA(Saccharomyces cerevisiae)

25. OXIGÉNABSZORPCIÓ . . O2 KL: folyadékoldali tömegátadási tényező [cm s-1] A: fajlagos anyagátadási felület [cm3/cm3] Kla: folyadékoldali oxigénabszorpciós együttható [s-1] C C* KLa. . c* OTR [kgO2/m3h] t t

26. OXIGÉNELLÁTÁS OTR = Kla . (c* - c) Atm. Nyomáson c*  0,25 m M = 8 mg/dm3 OTRmax = 0,25 . KL . a mmol/L-h KL . a tartomány: 70-900 h-1 OTRmax: 18-225 mMl-1 0,6-4 g/lh Sejtszaporodás: max. 7-8 g/lh Energiaigény: 1,3 kW/m3 20-40 mMl-1h-1 oxigénbevitel kevert tankban

27. BIOREAKTOROK Mechanikai keverés nélkül Csőreaktor Léglift (Lefrancois) Csepegtető test Gázinjektoros Huck.reaktor Merülősugaras

28. BIOREAKTOR 2. Mechanikai keveréssel Kevert tankreaktor Önfelszívó keverős (Vogelbusch, Frings) Keverős reaktor

29. A FERMENTORT ELHAGYÓ TERMÉKEK KONCENTRÁCIÓI [g/dm3]

30. FELDOLGOZÁSI MÓDSZEREK A BIOTECHNOLÓGIÁBAN Szilárd anyag Szűrés Sejttömeg eltávolítás (penész, élesztő) dobszűrőn, szűrőpréssel Ülepítés Gravitációs, centrifugális Flotálás gázbefúvással hab-képzés „lefölözés” Elektrokinetika a szuilárd anyag az elektródra csapódik le  pépes Oldott anyag Extrakció A terméket egy másik oldószerrel vonják ki Membrános eljárások A termék membránon diffuncál át. Esetleg eltkrosztatikus vagy ioncserés. Desztilláció illékony termékekhez

31. MEMBRÁN TECHNIKÁK Reverz ozmózis Ultraszűrés Mikroszűrés 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 [m] Retenát P2 P1 Permeátum

32. ULTRASZŰRÉS 1. Koncentrálás 2. Diafiltrálás 3. Tisztítás

33. HAZAI SZENNYVIZEK ÁTLAGOS OXIGÉNIGÉNYE

34. SZENNYVÍZTISZTÍTÁSI ELJÁRÁSOK CSOPORTOSÍTÁSA • RENDŰ TISZTÍTÁS Durva mechanikai szennyeződések eltávolítása Rácsok, szűrők, aprítószűrők, homokfogók, ülepítők, hidrociklonok, ívsziták, zsírfogók • RENDŰ TISZTÍTÁS  Kolloid-diszperz anyagok eltávolítása Koagulálás, flokulálás, flotáció (adalékanyagok)  Oldott szervesanyag eltávolítása Biológiai szennyvíztisztítás Levegőztetés (medence, csepegtető test, árok) III. RENDŰ TISZTÍTÁS  Maradék, oldott anyagok eltávolítása Ioncsere, molekulaszita, adszorpció, reverz ozmózis, elektrolitikus oxidáció  Eutrofizáció megakadályozása P-eltávolítás: Ca-, Al- és Fe-sók NO3- eltávolítás: denitrifikáló baktériumok  Csírátlanítás: Cl2, ózon  Lebegőanyag eltávolítás: homokszűrő, mikroszűrő ISZAPKEZELÉS

35. SZENNYVÍZTISZTÍTÁS ÁLTALÁNOS TECHNOLÓGIAI VÁZLATA 1. Mechanikai előkészítés, 2. Előülepítő, 3. Levegőztető medence, 4. Utóülepítő, 5. Anaerob rothasztó, 6. Fázisszétválasztó, 7. Gáztartály, 8. Kettős tüzelésű motorral hajtott generátor, 9. Légkompresszor.

36. ANAEROB METÁNOS ERJEDÉS SÉMÁJA Fehérjék, poliszaharidok, zsírok Hidrolitikus baktériumok Aminosavak, cukrok, zsírsavak Savképző baktériumok Rövid zsírsavak, H2, CO2, NH3, H2S Hidrogéntermelő acetátképző baktériumok Acetát. H2 CO2 Matanogén baktériumok CH4, CO2

37. SZULFÁTREDUKÁLÓ BAKTÉRIUMOK SZEREPE A METÁNOS ERJEDÉSBEN SZUBSZTRÁT Szulfátredukáló baktériumok Acidogén baktériumok H+ CO2, H2, NH3 sejt szerves savak Sejt szerves H2S savak Acetogén és metanogén baktériumok sejt CH4 + CO2 H2S gábló hatása a metánképzésre 200 mg/l oldható S-tartalom felett!

38. ANAEROB RENDSZEREK Anaerob kontakt eljárás L = 10-50 kgKOI/m3d L = 5-15 kgKOI%m2d Iszapágyas reaktor Anaerob rögzített ágyas szűrő reaktor

39. REKOMBINÁNS GÉNTECHNIKA VÁZLATA

40. MONOKLÓN ELLENANYAG TERMELÉSI HIBRIDÓMÁVAL

41. A BIOMASSZA TERMELÉS ÉS HASZNOSÍTÁS ÖSSZEFÜGGÉSEI mezőgazdasági és erdőterületek melléktermék, hulladék erdőgazdálkodás meliorizáció talajerő visszapótlás 1. mg. növénytermelés Melléktermék feldolgozás, hasznosítás talajtápanyag ellátás 2. állattenyésztés biogáz előállítás takarmány takarmány előállítás 3. élelmiszeripar energia tüzeléssel trágya élelmiszer Ipari hasznosítás Ipari feldolgozás, ipari nyersanyag energia

42. SEJTTÖMEG ELŐÁLLÍTÁS SŰTŐÉLESZTŐ (Saccharomyces cerevisiae) Melaszból kiindulva Tátáplálásos technika Intenzív levegőztetés Présélesztő 30% szárazanyag Szárított élesztő 92% szárazanyag TAKARMÁNYÉLESZTŐ Sörgyártásnál képződő élesztő Szulfitlúgból Candida utilis Szeszgyártásál képződő élesztőtömeg Tejsavból Kluíveromyces marxianus K. lactis. K. fragilis

43. A CELLULÓZ BIOMASSZA KONVERZIÓJA I. II. III. KEMÉNYÍTŐ CUKOR FEHÉRJE LIPID CELLULÓZ HEMICELLULÓZ LIGNIN KEMÉNYÍTŐ CUKOR FEHÉRJE LIPID CELLULÓZ LIGNININ HEMICELLULÓZ H2O CO2 ÉLELMISZER TAKARMÁNY >60% 100%

44. CELLULÓZ ENZIMES BONTÁSA Amorf területek Kristályos területek Endo--glükanáz Cx-glükanáz az amorf területeket bontja Cellobiohidroláz C1-enzim Cellobióz felszabadítás a kristályos területről Cx + C1 C1 + Cx enzimek tovább bontanak -glükozidáz Glükóz

45. CELLULÓZLEBONTÁS C1 + Cx -hlükozidáz Kristályos Glükóz Biológiai C1 + Cx -hlükozidáz Fizikai Finom-kristály Glükóz Natív Kémiai Cx -hlükozidáz Amorf Glükóz C1 : 1,4 -glukán cellobiohidroláz Cx : 1,4 -glukán glukánhidrolázh

46. CELLULÓZ ALAPON TÖRTÉNŐ SEJTTÖMEG ELŐÁLLÍTÁS • KÉMIAI (SVAS VAGY LÚGOS) HIDROLÍZIS GLÜKÓZZÁ és SCP termelés a glükózon • ENZIMES HÍDROLIZIS GLÜKÓZZÁ és SCP termelés a glükózon Trichoderma viride (legaktivabb enzimkomplex Myrothecium verrucaria • MIKROBIÁLIS HIDROLIZIS és a termék egyidejű hasznosítása másik mikrobával: Trichoderma viride + Candida utilis • KÖZVETLEN MIKROBIÁLIS HIDROLIZIS ÉS HASZNOSÍTÁS Cellulomonas törzsek

47. AZ ICI METANOL ALAPÚ SCP TECHNOLÓGIÁJA (Methylophilus methylotrophus) FERMENTLÉ 226 t/h 3% = 6M8 t/ha sza. SEJTELVÁLASZTÁS SJETSZUSZPENZIÓ 57 t/h 12% = 6,8 th/ha sza. VÍZTELENÍTÉS MOSÁS (CENTRIFUGA) MOSÓVÍZ 30 t/h víz 31 t/h 22%=6,8 t/ha sza. Sejtmentes Fermentlé 170 t/h Híg lé + Mosóvíz 56 t/h SZÁRÍTÓ PORLEVÁLASZTÓ 31 t/h víz SZENNYVÍZ STERILEZÉS TERMÉK HULLADÉK 12 t/h Sz.a. = 6,7 t/h Nedv. = 0,3 t/h RECIRKULÁCIÓ

48. ICI PRESSURE CYÍCLE REACTORMetanol alapú SCP előállításhoz (Methylomonas sp.)

49. LEVÉL – FEHÉRJE FELDOLGOZÁSVepex: Vegetable Protein Extract ZÖLD NÖVÉNY DARÁLÁS PRÉSELÉS KOAGULÁLÁS TISZTÍTÁS SZEPARÁLÁS SZÁRÍTÁS FERMENTÁCIÓ ÉLESZTŐ SZEPARÁLÁS PORLASZTVA SZÁRÍTÁS PELLTIZÁLÁS BEPÁRLÁS ÉLESZTŐ FEHÉRJE ROSTANYAG

50. A SZABADEGYHÁZAI KOMPLEX KUKORICAÜZEM TERMELÉSI SÉMÁJA (HFCS: High Fructose Corn Syrup) FŐ ÜZEM MELLÉKÜÖZEMEK EGÉSZ/TELJES KUKORICASZEMEK TÖRT SZEMEK KUKORIA ELLÁTÁS ÉS ELŐTISZTÍTÁS KEMÉNYÍTŐÜZEM TÁROLÁS ÉS ELŐKÉSZÍTÉS NEDVES GLUTÉN ÁZTATÓ VÍZ BEPÁRLÓÜZEM NEDVES CSÍRA TISZTA KEMÉNYÍTŐ ROSTOK ÁZTATÓ SAVKÉSZÍTMÉNY NYERS KEMÉNYÍTŐ + ROSTOK BEPÁRLÁSI MARADÉK ALKOHOLÜZEM CUKORÜZEM TAKARMÁNY SZÁRÍTÓ GLUTÉN ÜZEM CSÍRA VÍZKEZELÉS SZÚRŐPOGÁCSA SZENNYVÍZKEZELÉS KAZÁNHÁZ CEFRE HŰTŐTORONY DESZTILLÁCIÓ ALKOHOLMENTESCEFRE TECHNIKAIALKOHOL KOZMAOLAJ HFCS RAKTÁROZÁS ÉS SZÁLLÍTÁS GLUTÉN CSÍRA ELSŐOSZTÁLYÚALKOHOL TAKARMÁNYTERMÉK