FERM -- Chapter 4: Media voor Industriele Fermentaties Flashcards
Wat is de hoofdvereiste voor een medium over het algemeen?
Moet alle nutritionele benodigdheden van de micro-organismen bevatten om de synthese van het doelproduct te bekomen:
- doel = cellen/primaire metabolieten dan moet het medium componenten bevatten voor optimale celgroei
- doel = secundaire metabolieten dan moet men eerst zorgen dat de cellen tot de stationaire fase geraken, terwijl men toch optimale condities behoudt om de metabolieten te produceren.
Wat zijn de basisbenodigdheden voor alle micro-organismen?
Water Energiebron(nen) Koolstof Stikstof Mineralen/ [vitaminen -- soms] [zuurstof -- indien aeroob]
Wat is het verschil tussen lab- en industriele schaal?
In het lab kan men zuivere verbindingen gebruiken omdat dit op kleine schaal is.
I.v.m. o.a. afval, aankoopprijs, …
is dit op industriele schaal vaak niet haalbaar (hetzij economisch, hetzij i.v.m. het milieu, …)
De voorkeur gaat op grote schaal naar goedkope alternatieven.
Wat zijn de vereisten voor een medium op industriele (= grote) schaal?
- maximum opbrengst:
- > hvh product (Y_p/x)
- > hvh biomassa per gram substraat (Y_x/s)
- Maximale concentratie van P of X produceren
- Maximum rate toelaten (dP/dt of dX/dt)
- Minimum opbrengst aan ongewenste producten
- bron van nutrienten moet consistent zijn. Dit wil zeggen gemakkelijk verkrijgbaar het hele jaar door, de kwaliteit mag niet te hard verschillen. Bij voorkeur ook nog niet te duur.
- Minimum aan obstakels (problemen) bij het voorbereiden of steriliseren
- Minimum aan problemen bij andere processen (zoals het toevoegen van zuurstof, roeren, extractie, …)
- Niet gevaarlijk/non-toxic
- Makkelijk transport
Wat wordt er vaak gebruikt in de praktijk en waarom?
ongedefinieerde complexe natuurlijke materialen omdat ze zo goedkoop zijn en soms als afval van andere processen beschouwd worden.
Dit kunnen C-bronnen zijn zoals melasse, granen, zetmeel, sucrose, …
Of stikstofbronnen zoals slachtafval (proteinen), maar ook ammoniumzouten, urea, nitraten, bepaalde fermentatie-afvalproducten, …
Wat is het nadeel van de in-praktijk-gebruikte media?
Omdat ze zo complex zijn kunnen we de opbrengst niet altijd even goed voorspellen.
- Het kan ook voor problemen zorgen bij het opzuiveren of
- Kan ook zorgen voor problemen bij afvalwaterbehandeling
Wat zijn gedefinieerde media? Zijn er scenario’s op industriele schaal waar men deze toepast?
(Meestal) dure zuivere substraten
Dit zal enkel gebruikt worden als blijkt dat men kosten op een andere manier kan reduceren.
bv. Als men de zuivere component gebruikt, die 3x zo duur is als het alternatief maar hierdoor gaat het opzuiveren wel sneller, en is dit bovendien nog eens 3x zo goedkoop. Als we de uitgespaarde tijd erbij rekenen als geld dan komen we goedkoper vanaf met het duurdere zuivere spul.
Wat is er naast de prijs nog belangrijk?
De reactor die je al hebt of nog moet kopen en indirect de kosten hiermee gepaard gaande.
Beschrijf een typisch medium
- C
- N
- P
- S
- minder belangrijke elementen en spoorelementen
- vitaminen (soms)
- O2 indien aeroob
- soms O2 in het begin terwijl het main proces wel anaeroob gebeurt (zoals bij bier)
- pH controle (bv buffer, of zuur om pH te doen dalen, base om te doen dalen)
- anti-schuim producten
- Soms zijn precursoren of inhibitoren nodig
Wat moet men eerst doen om een medium samen te stellen?
De vergelijking voor de groei:
Requirements en opgenomen energie –> gevormde producten en vrijgekomen energie
Liefst kwantitatief maar dit is in de praktijk zeer moeilijk
Waarmee moet men rekening houden bij het bepalen?
- elementaire samenstelling
(gemiddelde c4H7O2N)
(of beter: specifiek voor het organisme) - of er nood is aan spoorelementen en welke (bv. Zn, Fe, …)
- of er nood is aan groeifactoren zoals vitaminen, aminozuren, …
- hoeveel C er nodig is voor de productie (gebaseerd op Y_s/x = dX/dS [gram opbrengst per gram C-bron])
- Of en hoeveel O2 er nodig is. Kunnen we berekenen maar berekende waarde betekent niet dat het zeker zal gebeuren in de praktijk want er kunnen andere factoren een rol spelen.
Waarom is water zo belangrijk in veel fermentatieprocessen?
- zeer geschikt voor polaire anorganische oplossingen te maken
- gebruikt voor opwarmen en afkoelen
- gebruikt voor schoonmaken en spoelen
- herbruikbaarheid
- kan verrijkt worden met spoorelementen en/of mineralen om deze aan het medium toe te voegen
- Bepaalde eigenschappen: polariteit en pH
Wat zijn de meeste industriele microorganismen een wat betekent dat?
Chemo-organotroof. Dit betekent dat ze organische koolstofverbindingen als energiebron gebruiken. De C-bron is hier elektrondonor.
Dit in tegenstelling tot fototrofen die licht omzetten in energie
Extra: Er zijn ook nog chemolithotrofen die anorgansiche verbindingen als energiebron hebben. Deze kunnen H2 en O2 omvormen tot H2O en hier energie uit halen.
Geef enkele voorbeelden van koolstofbronnen.
- Koolhydraten
- zetmeel
- siropen
- mout
- melasse (bevat sucrose)
- melkwei (bevat lactose)
- corn steep liquor
- soyaboon meel
- afval van papierpulp
- lignocellulose
- … - Oliën en Vetten
- KWS en derivaten
Wat is Corn steep liquor?
Een bijproduct na zetmeelextractie uit mais
Wat zijn de eigenschappen van olien en vetten als C-bron?
- Bevatten vetzuren
- kosten ongeveer gelijk met die van koolhydraten
- anti-schuim eigenschappen
Wat zijn de eigenschappen van KWS/Derivaten als C-bron?
- olien en natuurgassen (en derivaten ervan)
vb methaan -> methanol - n-alkanen: deze bevatten 3x meer energie dan suiker en 2x meer C’s
- kosten ongeveer gelijk met koolhydraten
Maar -> uitputbare bron en slecht voor milieu
Welke factoren hebben invloed op de keuze van C-bron? + geef oplossing indien probleem
- probleem: suikers die snel omgezet kunnen worden zorgt vaak voor lage productie van secundaire metabolieten -> gebruik van tragere suikers of genetische modificatie van het organisme.
- invloed op de opbrengst
- prijs + beschikbaarheid
- consistentie
- zuiverheid -> bv. metaalionen verwijderen om eventuele complexvorming te voorkomen. (Dit is het geval bij het maken van citroenzuur omdat het complexen vormt)
- methode voor mediumvoorbereiding en sterilisatie. -> bv. suikers reageren bij hoge temperatuur met proteinen ter vorming van bruine/zwarte verbindingen = maillard-reactie (Dit is wat zorgt voor bruinen van voedsel bij het bakken)
- viscositeit
- locale wetten
- …
Geef enkele voorbeelden van N-bronnen
- Anorganische bronnen
- Ammoniak
- Ammoniumzouten
- Nitraten - Organische bronnen
- Zuivere aminozuren, deze zijn wel erg duur
- aminozuren als deel van een complexe organische N-bron zoals CSL of gist extract
- peptonen (stoffen die ontstaan bij afbraak van proteinen) -> meestal te duur
- proteinen
- Urea
In welke 2 groepen kunnen we nutrienten opdelen?
macro-elementen:
- C O N H P S en K, Na, Ca, Mg, Fe
Deze zijn in relatief grote hoeveelheden nodig
micro-elementen:
- Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu, Cl en andere metalen en halogeniden. Deze zijn in kleinere hoeveelheden aanwezig als spoorelementen en onzuiverheden
Waarvoor dienen chelerende agentia?
Sterilisatie (verwarmen kan leiden tot vormen van metaalfosfaten die zullen neerslaan)
chelerend agentia vormen een soort complex rond de mineralen (ionen) dat oplosbaar is in water
vb. EDTA -> Ca-EDTA
Wat zijn groeifactoren?
verbindingen nodig voor de groei
Geef enkele voorbeelden van groeifactoren (bouwblokken)
vitamines (= cofactoren voor enzymen) -> kan aangemaakt worden door het organisme (in veel bacterien is dit het geval). In schimmels en gisten moet het toegevoegd worden.
aminozuren (opbouw van proteinen)
purines en pyrimidines (bouwblokken van xNA)
andere: vetzuren, sterolen, …
Wat is nutrient recycling en waarvoor dient het? Geef een voor- en nadeel van nutrient recycling
- kosten verminderen
- > minder nutrienten nodig voor volgende batch(es) (+)
- > accumulatie van toxische metabolieten (-)
Waarom worden buffers gebruikt?
Voor controle van de pH
Wat zijn precursoren?
Een stof die direct wordt omgezet in een product
Voorbeeld: fenylazijnzuur voor de productie van penicilline G
Wat zijn metabolische regelaars?
Verbindingen die productie van metabolieten regelen door middel van accumulatie van een intermediate product.
- inhibitoren: Bepaalde verbindingen zullen de productie van een product verhinderen (deels of volledig) door zich bv. op het enzym dat hiervoor dient te zetten.
- inducers: substraten die aanwezig moeten zijn voor de synthese van een bepaald enzym dat we nodig hebben voor productie van ons doelproduct
Geef een voorbeeld van een precursor, inhibitor en inducer
- fenylazijnzuur wordt gebruikt voor vorming van penicilline G (het vergroot de opbrengst hiervan) -> Om andere penicillines te bevorderen zijn andere precursoren nodig zoals fenoxyazijnzuur voor penicilline V.
(zie andere op slides hierboven) - Bepaalde gisten produceren glycerol en alcohol uit suiker. Door een inhibitor toe te voegen (NaHSO3) die de enzymen of verbindingen voor ethanolproductie inhibieert zal er meer gebruikt kunnen worden voor de productie van glycerol.
- Bepaalde enzymen (inducable enzymen) zullen enkel gevormd worden indien er substraat of substraat-analogen aanwezig zijn. alfa amylase wordt aangemaakt indien er zetmeel of maltose aanwezig is
De tegenhanger is constitutive enzymen: deze zijn altijd aanwezig
Onder welke vormen wordt zuurstof toegevoegd en wat zijn mogelijke problemen die voor kunnen komen?
- In de vorm van lucht (+- 21% O2) dat eerst gesteriliseerd wordt door een filter
- in de vorm van zuivere O2 wanneer veel O2 nodig is
- > snelle metabolismen zoals bij dat van glucose kan de O2 snel opgeraken
- > bij hoge viscositeit zal het moeilijk zijn om lucht doorheen het medium te krijgen
- > anti-schuimmiddelen halveren de transfer rate van gasbel naar vloeistof
Waardoor ontstaat schuim?
(gedenatureerde) proteinen op het lucht-vloeistof grensvlak
Waarom is schuim een nadeel?
- kan te hoog opkomen en in de filters terecht komen
- schuim neemt redelijk veel plaats in
Wat zijn oplossingen tegen het schuim?
- modificatie van het medium
- schuim weghalen (mechanisch)
- anti-schuim producten die de oppervlaktespanning verlagen
