Lab Revision Flashcards
Άμεσοι τρόποι υπολογισμού βιομάζας
- Απευθείας υπολογισμός του βάρους της μικροβιακής βιομάζας και έκφραση των αποτελεσμάτων σε μονάδες συγκέντρωσης g/L
- Απευθείας μέτρηση του αριθμού των κυττάρων και έκφραση του αποτελέσματος ως κυτταρικός αριθμός ανά μονάδα όγκου cells/L
Έμμεσοι τρόποι υπολογισμού βιομάζας
- Μέτρηση οπτικής πυκνότητας
- Μέτρηση του pH
- Εξάντληση κάποιου θρεπτικού
Αρχή λειτουργείας Φασματοφωτόμετρου
Βασίζεται στο γεγονός ότι το φως απορροφάται απο μη διαυγή υλικά, κατά αυξανόμενο βαθμό ανάλογα με την θολότητα των υλικών
Μέρη Φασματοφωτόμετρου
- Πηγή φωτός
- Διαθλαστής της φωτεινής δέσμης
- Ανιχνευτής
Φάσεις κλειστού συστήματος
1.Φάση καθυστέρησης
2.Φάση εκθετικής ανάπτυξης (επιτάχυνση, επιβράδυνση)
3.Στάσιμη φάση
4.Φάση θανάτου
Φάση καθυστέρησης
Όταν ο μικροοργανισμός εισέρχεται σε ένα νέο θρεπτικό μέσο, συνήθως δεν παρατηρείται άμεση έναρξη της ανάπτυξής του. Τα κύτταρα συνθέτουν καινούργια συστατικά και προσαρμόζουν τον ενζυμικό τους μηχανισμό
Φάση εκθετικής ανάπτυξης
Στη φάση αυτή οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με το μέγιστο δυνατό ρυθμό που τους επιτρέπει το γενετικό τους δυναμικό, το είδος του μέσου καλλιέργειας και οι συνθήκες επώασης. Ο ρυθμός ανάπτυξης είναι σταθερός καθ’ όλη τη διάρκεια της φάσης γιατί τα κύτταρα διαιρούνται ανά τακτά χρονικά διαστήματα
Στάσιμη φάση
Η αύξηση της μικροβιακής βιομάζας κάποια στιγμή σταματά. Η φάση αυτή συνήθως αρχίζει όταν ο μικροβιακός πληθυσμός φτάσει στο επίπεδο των 10^9
κύτταρα/ml για τα βακτήρια και 10^6 κύτταρα/ml για τα φύκη και τους μύκητες. Οι μ/οί εισέρχονται σε αυτήν την φάση λόγω:
1.Κατανάλωσης υποστρώματος
2.Ανεπάρκεια οξυγόνου (αερόβιοι)
3.Συσσώρευση μεταβολιτών που δρουν με τοξικό τρόπο άμεσα ή έμμεσα
Φάση θανάτου
Η πλήρης εξάντληση των θρεπτικών ή η μεγάλη συσσώρευση τοξικών ουσιών οδηγεί τελικά στο σταδιακό θάνατο των μικροβιακών κυττάρων.
Ειδικός ρυθμός ανάπτυξης
Ο ειδικός ρυθμός ανάπτυξης εκφράζει την αύξηση μικροβιακής βιομάζας ανά μονάδα μικροβιακής βιομάζας
μ=(dx/dt)*(1/X) όπου Χ η βιομάζα
Ο ειδικός ρυθμός ανάπτυξης δεν παραμένει σταθερός καθ’ όλη τη διάρκεια της μικροβιακής ανάπτυξης αλλά μεταβάλλεται εξαρτώμενος από τις συνθήκες.
Φάση καθυστέρησης μ=0
Επιτάχυνση μ= +αυξανόμενος
Εκθετική Φάση μ=μmax
Επιβράδυνση μ=+μειούμενος
Στάσιμη φάση μ=0
Φάση θανάτου μ=-
μmax
Κατά τη διάρκεια όμως της φάσης εκθετικής ανάπτυξης ο ειδικός ρυθμός ανάπτυξης παραμένει σταθερός και μάλιστα έχει τη μέγιστη δυνατή τιμή. Η συγκεκριμένη αυτή τιμή καλείται μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης
lnX=lnX0+μmax*t
μmax=εφω=(lnX-lnX0)/dt
Μέθοδος προσδιορισμού των ολικών αιωρούμενων στερεών TSS
Άμεσος προσδιορισμός βιομάζας. Συγκεκριμένος όγκος της καλλιέργειας διηθείται υπό κενό μέσω προζυγισμένου φίλτρου ώστε η βιομάζα να μείνει πάνω στο φίλτρο. Το φίλτρο ξηραίνεται στους 105 Βαθμούς έως να σταθεροποιηθεί το βάρος του.
Ολικά αιωρούμενα στερεά (mg/L)=[1000*(α-β)]/όγκο δείγματος (L)
όπου α το βάρος του φίλτρου με το υπόλειμμα μετά (mg) και β το βάρος του φίλτρου (mg)
Ετερότροφοι οργανισμοί
Ετερότροφοι ονομάζονται οι μικροοργανισμοί που χρειάζονται κάποια οργανική πηγή άνθρακα για την σύνθεση των κυτταρικών τους δομών, όπως είναι π.χ. τα σάκχαρα, ενώ επίσης χρησιμοποιούν οργανικά μόρια ως πηγές ενέργειας.
Περιοριστικό υπόστρωμα: συνήθως οργανική πηγή άνθρακα
Αυτότροφοι οργανισμοί
Αυτότροφοι ονομάζονται οι μικροοργανισμοί που έχουν την ικανότητα να αφομοιώσουν το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας, που είναι μια ανόργανη πηγή άνθρακα, ανάγοντας το σε γλυκόζη μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης. Χρησιμοποιούν δηλαδή ως πηγή ενέργειας την ηλιακή ακτινοβολία.
Περιοριστικό υπόστρωμα: Ανόργανη ή οργανική πηγή αζώτου
Περιοριστικό υπόστρωμα
Η χημική ουσία η οποία είναι κυρίαρχη για την στήριξη της μικροβιακής ανάπτυξης και χωρίς αυτήν η παιρεταίρω αύξηση της μικροβιακής βιομάζας σταματά.
Απόδοση
Y(X/S)=(Xf-X0)/(S0-Sf)
Συγκέντρωση περιοριστικού υποστρώματος
Si=S0-(1/Y)(Xi-X0)
Μέγιστος ρυθμός κατανάλωσης (εκθετική φάση)
q(s)=(ΔS/Δt)max*(1/Χ)
Ποιά είναι η κύρια βιομηχανική χρήση της ζύμωσης στερεάς κατάστησης; Οι μύκητες που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο τι παράγουν και που χρησιμοποιούνται;
Ευρέως διαδεδομένη βιομηχανικά για την παραγωγή ενζύμων.
Aspergillus awamori -> αμυλολυτικά ένζυμα
Aspergillus oryzae -> πρωτεολυτικά ένζυμα
Τα ένζυμα που παράγονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την υδρόλυση πρωτεϊνών και αμύλου σε διάφορα τρόφιμα
Ζύμωση στερεής κατάστασης του μύκητα Aspergillus oryzae
Το βέλτιστο ποσοστό υγρασίας του υποστρώματος για την ανάπτυξη του μύκητα είναι ~65% w/w.
Ζύμωση στερεής κατάστασης του μύκητα Aspergillus awamori
Η χρήση του μύκητα Aspergillus awamori γίνεται για παραγωγή κυρίως αμυλολυτικών ενζύμων (α-αμυλάσες, β-αμυλάσες, γλυκοαμυλάσες) και λιγότερο πρωτεασών. Γι’αυτό το λόγο είναι καταλληλότερος για την υδρόλυση του αμυλικού περιεχομένου των τροφίμων.
Τι είναι η βακτηριακή κυτταρίνη
Η κυτταρίνη είναι το πιο άφθονο βιοπολυμερές στη γη. Αποτελεί το κύριο συστατικό της φυτικής βιομάζας και μπορεί να παραχθεί μέσω μικροβιακής ζύμωσης ως εξωκυτταρικό πολυμερές (βακτηριακή κυτταρίνη). Η BC είναι ένα γραμμικό πολυμερές που αποτελείται από μόρια D-γλυκόζης συνδεδεμένα με β(1→4) γλυκοζιτικούς δεσμούς
Εφαρμογές βακτηριακής κυτταρίνης
1.πρώτη ύλη για την παραγωγή του nata-de-coco, ένα γηγενές επιδόρπιο που παράγεται στις Φιλιππίνες.
2.Λόγω της υφής και περιεκτικότητάς της σε ίνες, έχει χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο πλούσιο σε διαιτητικές ίνες σε πολλά προϊόντα τροφίμων
3.Ως φίλτρο μεμβράνης σε ηχεία και ακουστικά
4. Ως επίδεσμος σε περιπτώσεις σοβαρών τραυμάτων και εγκαυμάτων τρίτου βαθμού
Σχέση και σύγκριση βακτηριακής κυτταρίνης και φυτικής
Ο μοριακός τύπος της BC και της PC είναι ο ίδιος (C6H10O5)n αλλά αυτά τα δύο είδη κυτταρίνης διαφέρουν ως προς τις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες.
1. Η βακτηριακή προτιμάται έναντι της φυτικής, λόγω του υψηλότερου βαθμού πολυμερισμού και δείκτη κρυσταλλικότητας, της υψηλότερης αντοχής σε δυνάμεις εφελκυσμού και της μεγαλύτερης ικανότητα συγκράτησης νερού.
2. Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά της BC είναι η χημική καθαρότητα της που την διακρίνει από την φυτική, η οποία συνδέεται με ημικυτταρίνες και λιγνίνη, η απομάκρυνση των οποίων είναι δύσκολη.
3. Τα ινίδια βακτηριακής κυτταρίνης είναι περίπου 100 φορές λεπτότερα από εκείνα της PC καθιστώντας το ένα εξαιρετικά πορώδες υλικό, το οποίο επιτρέπει τη μεταφορά αντιβιοτικών ή άλλων φαρμάκων εντός του τραύματος ενώ ταυτόχρονα χρησιμεύει ως φυσικό εμπόδιο σε εξωτερικές μολύνσεις.
Μ/οί για την παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης
Τα πιο αποδοτικά μικροβιακά στελέχη για την παραγωγή της μικροβιακής κυτταρίνης είναι βακτήρια που παράγουν οξικό οξύ, όπως το βακτήριο Acetobacter xylinum
Προϋποθέσεις για ακινητοποίηση κυττάρων (βιομηχανική κλίμακα)
a) Οι φορείς να βρίσκονται σε αφθονία και να έχουν μικρό κόστος
b) Να παρέχουν υψηλή λειτουργική σταθερότητα
c) Να υπάρξει δυνατότητα συντήρησης τους, τις περιόδους που δεν υπάρχει παραγωγή
d) Να είναι κατάλληλοι για παραγωγή τροφίμων
e) Να υπάρξει σχεδιασμός νέων τύπων αντιδραστήρων, ώστε για παράδειγμα να είναι εύκολος ο χειρισμός (γέμισμα-άδειασμα), ή ώστε να αποφεύγονται οι υψηλές πιέσεις στον πυθμένα του αντιδραστήρα
f) Να έχει προβλεφθεί τρόπος αποστείρωσης του φορέα, σε περίπτωση επιμολύνσεων κατά τη διάρκεια της παραγωγής
Συνθήκες Βιοαντιδραστήρα
Ροή, θερμοκρασία, πίεση, pH. Οι συνθήκες αυτές εξαρτώνται από το προϊόν που θέλουμε να παράξουμε και τα χαρακτηριστικά που θέλουμε να έχει
Ροή (mL/d)
Ρυθμίζεται από την αντλία. Επιλέγεται τέτοια ώστε το προϊόν να είναι πλήρως ζυμωμένο.
Σάκχαρο αρχικό-τελικό (g/L)
Μπορεί να μετρηθεί με μπωμόμετρο (1o Be ~ 17g
σακχάρου). Κανονικά μετριέται με HPLC.
Συγκέντρωση αιθανόλης (%v/v)
Κανονικά μετριέται με HPLC ή GC. Επειδή όμως
υπάρχει αντιστοιχία με τους βαθμούς oBe (π.χ. αν ζυμωθούν 12 oBe = 12%v/v αιθανόλη, αν μείνουν αζύμωτα 1.7 oBe από αρχικό 12oBe έχουμε 12-1.7 = 10.3 %v/v αιθανόλη) μπορεί έμμεσα να υπολογιστεί.
Παραγωγικότητα αιθανόλης (g/L/d)
Ρυθμός διάχυσης*Συγκέντρωση αιθανόλης (g/L)
Συγκέντρωση αιθανόλης -> από τύπο πυκνότητας και *1000
Ρυθμός διάχυσης (1/d)
Υπολογίζεται διαιρώντας τη ροή με τον υγρό όγκο του
αντιδραστήρα.
Συντελεστής απόδοσης παραγωγής αιθανόλης
Υπολογίζεται ως ο λόγος των g
παραγόμενης αιθανόλης / g καταναλισκόμενου σακχάρου κατά τη ζύμωση.
% Μετατροπή
Υπολογίζεται από τη σχέση:
(αρχικό σάκχαρο – τελικό σάκχαρο) x 100 / αρχικό σάκχαρο
Τι είναι χημειοστάτης, ποια η βασική παράμετρος;
Ο χημειοστάτης είναι στην ουσία ένας ανοικτός
βιοαντιδραστήρας υπό την έννοια ότι σε αυτόν πραγματοποιείται συνεχώς εισροή θρεπτικού μέσου και ταυτόχρονη εκροή μείγματος καλλιέργειας με τον ίδιο ρυθμό.
Βασική λειτουργική παράμετρος των χημειοστατών είναι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (Hydraulic Retention Time, HRT) του θρεπτικού μέσου, ο οποίος εκφράζει το χρονικό διάστημα που χρειάζεται για να υπάρξει πλήρης αντικατάσταση του όγκου της καλλιέργειας που βρίσκεται μέσα στον βιοαντιδραστήρα από φρέσκο θρεπτικό μέσο
Ποιές είναι οι τεχνικές ακινητοποίσης (ονομαστικά)
- Προσκόλληση ή προσρόφηση σε επιφάνεια
- Ακινητοποίηση με εγκλωβισμό
- Δημιουργία συσσωματωμάτων
- Μηχανική συγκράτηση
Σε ποιά τεχνική ακινητοποίησης ανήκει η ακινητοποίηση με αλγινικά; Ποιός είναι ο μηχανισμός χάρη στον οποίο επιτυγχάνεται η ακινητοποίηση μ/ών σε αλγινικά;
Ανήκει στην Μηχανική συγκράτηση, δηλαδή υπάρχει περιορισμός των κυττάρων σε συγκεκριμένο χώρο. Τα άλατα του πολυσακχαρίτη (αλγινικό οξύ) ανάλογα με το συνδεδεμένο κατιόν, μπορεί να είναι είτε διαλυτά είτε αδιάλυτα στο νερό. Χάρη σε αυτήν την ιδιότητα τα αλγινικά, όταν προσδεθούν με πολυσθενή κατιόντα ζελατινοποιούνται. Η πηκτή που σχηματίζεται είναι σταθερή σε Τ 0-100 βαθμούς και θεωρείται σταθερό υπόστρωμα για την πραγματοποίηση ζυμώσεων.
Πλεονεκτήματα της χρήσης ακινητοποιημένων αντί ελεύθερων κυττάρων
- Υψηλότερη συγκέντρωση κυττάρων εντός του βιοαντιδραστήρα που σημαίνει υψηλότερες ταχύτητες ζύμωσης-παραγωγής προϊόντων, υψηλότερες αποδόσεις, μικρότερους βιοαντιδραστήρες και κόστος
- Μικρότερη πιθανότητα επιμόλυνσης, λόγω υψηλής συγκέντρωσης κυττάρων
- Είναι πιο προστατευμένα από τα ελεύθερα, λόγω της προστασίας του εκάστοτε φορέα
- Προστατεύουν τους μ/ούς κατά τη διοδό τους στο γαστρεντερικό σύστημα
- Ευνοούν την ανάπτυξη προϊόντων με ξεχωριστά χαρακτηριστικά, λόγω της αντοχής των μ/ών σε ακραίες συνθήκες
- Ο βιοκαταλύτης μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί, άρα μείωση του κόστους παραγωγής
- Το προϊόν είναι απαλλαγμένο από ελεύθερα κύτταρα
- Είναι δυνατή η μείωση του χρόνου ωρίμανσης των κυττάρων, άρα και του κόστους.
- Σε συνεχείς διεργασίες επιτυγχάνονται υψηλές παραγωγικότητες (χρήση υψηλών ροών)
Προσκόλληση ή προσρόφηση σε επιφάνεια
Η ακινητοποίηση των μ/ών πραγματοποιείται συνήθως με ανάμιξη των κυττάρων με το φορέα ακινητοποίησης
Ακινητοποίηση με εγκλωβισμό
Τα κύτταρα είναι ελεύθερα αλλά ταυτόχρονα περιορισμένα εντός μιας πηκτής ή διαφραγμάτων και δεν μπορούν να εξέλθουν. Τα θρεπτικά και το προϊόν μπορούν να διαπεράσουν την πηκτή
Δημιουργία συσσωματωμάτων
Δεν απαιτεί τη χρήση φορέα ακινητοποίησης. Οφείλεται στην ικανότητα των κυττάρων να προσκολλούνται, σχηματίζοντας μεγάλους όγκους.
Μηχανική συγκράτηση
Περιορισμός των κυττάρων σε συγκεκριμένους χώρους. Χρησιμοποιούνται διαφράγματα-φίλτρα που διαθέτουν μικροπόρους
