BIOMÉRNÖKI M ŰVELETEK ÉS BIOMÉRNÖKI M ŰVELETEK ÉS FOLYAMATOK I.FOLYAMATOK I.

II. előadásII. előadás

A bioipari technológiák áttekintése és A bioipari technológiák áttekintése és történetetörténete

FERMENTÁCIÓFERMENTÁCIÓ

•• („(„ ferverefervere”, „erjedni” ”, „erjedni” -- latin)latin)•• A A biokémiábanbiokémiábanolyan energianyerő anaerob olyan energianyerő anaerob

folyamat, melyben az elektron folyamat, melyben az elektron donordonor illetve az illetve az elektron elektron akceptorakceptor egyaránt szerves molekula.egyaránt szerves molekula.elektron elektron akceptorakceptor egyaránt szerves molekula.egyaránt szerves molekula.

•• A A biomérnöki technológiábanbiomérnöki technológiábanminden olyan (aerob minden olyan (aerob vagy anaerob) folyamat, melyben sejtek vagy anaerob) folyamat, melyben sejtek (mikroorganizmusok) valamilyen terméket (mikroorganizmusok) valamilyen terméket állítanak elő.állítanak elő.

FERMENTÁCIÓS TECHNOLÓGIAFERMENTÁCIÓS TECHNOLÓGIA

•• Azon (biológiai, kémiai, műszaki, vegyipari) Azon (biológiai, kémiai, műszaki, vegyipari) ismeretek összessége, melyeknek birtokában egy ismeretek összessége, melyeknek birtokában egy adott gyártási folyamat (mikro)biológiai műveleteit adott gyártási folyamat (mikro)biológiai műveleteit optimálisan meg lehet tervezni, illetve el lehet optimálisan meg lehet tervezni, illetve el lehet optimálisan meg lehet tervezni, illetve el lehet optimálisan meg lehet tervezni, illetve el lehet végezni.végezni.

•• Egyidős az emberiséggel (ókori Egyiptom, Egyidős az emberiséggel (ókori Egyiptom, Mezopotámia, Kína, Izráel, görögök, sumérok, stb.)Mezopotámia, Kína, Izráel, görögök, sumérok, stb.)

FERMENTÁCIÓS FOLYAMATFERMENTÁCIÓS FOLYAMAT

szubsztrátumok

SEJT

termékek

szén-dioxid

Intracelluláris biokémiai szubsztrátumok

biomassza

termékekbiokémiai reakciók

KEVERÉS

FERMENTOR KEVERŐ TENGELY

KEVERT TANKREAKTORKEVERT TANKREAKTOR

LEVEGŐZTETÉS

KEVERŐ

FERMENTLÉ

SŰRÍTETTLEVEGŐ

FERMENTOROKFERMENTOROK

ÓKORÓKOR

Alapvetően élelmiszer jellegű Alapvetően élelmiszer jellegű termékek (ételek, italok)termékek (ételek, italok)

ÓKORÓKOR

•• And NOAH began to be a husbandman, and he And NOAH began to be a husbandman, and he planted wineyard, and he drank of wine, and was planted wineyard, and he drank of wine, and was drunken, and he was uncovered within his tent drunken, and he was uncovered within his tent (Genesis, 9)(Genesis, 9)(Genesis, 9)(Genesis, 9)

•• És NOÉ megházasodott és szőlőt ültetett, és ivék a És NOÉ megházasodott és szőlőt ültetett, és ivék a borból, és lerészegedék, és meztelen vala sátrának borból, és lerészegedék, és meztelen vala sátrának közepén (Genesis, 9)közepén (Genesis, 9)

BORÁSZATBORÁSZAT

•• Legalább 8.000 éves múltLegalább 8.000 éves múlt•• ÓkorÓkor : : MezopotámiaMezopotámia–– szőlőtermesztés; szőlőtermesztés; Ősi EgyiptomŐsi Egyiptom –– első első

borkultúra; borkultúra; ÓszövetségÓszövetség–– Noé részegsége; Noé részegsége; Ősi görögökŐsi görögök––Dionüszosz; Dionüszosz; Római BirodalomRómai Birodalom –– a köznép italává is válik; a köznép italává is válik; ízesített borok!!! ízesített borok!!! ������ízesített borok!!! ízesített borok!!! ������

•• KözépkorKözépkor: szerzeteses, kolostorok szerepe. Szárazabb borok : szerzeteses, kolostorok szerepe. Szárazabb borok elterjedése. Angol borimport kezdete.elterjedése. Angol borimport kezdete.

•• XVIIXVII--XVIII. szXVIII. sz .: visszaesés (tiszta ivóvíz elterjedése).: visszaesés (tiszta ivóvíz elterjedése)•• XIX. szXIX. sz. pezsgő ‘feltalálása’, portói, bordeaux. pezsgő ‘feltalálása’, portói, bordeaux--i, burgundi i, burgundi

borok; USA színre lép; Filoxéraborok; USA színre lép; Filoxéra--járványjárvány•• XX. sz.XX. sz.magas műszaki tartalmú technológiák megjelenésemagas műszaki tartalmú technológiák megjelenése

SÖRGYÁRTÁSSÖRGYÁRTÁS

•• Ősi technológiaŐsi technológia(sumér írások; az emberiség (sumér írások; az emberiség legrégibb írásos emlékei közé tartozik!)legrégibb írásos emlékei közé tartozik!)

•• Alapvető összetevőkAlapvető összetevők: : VíZVíZ, valamint, valamint

MALÁTA, ÉLESZT Ő KOMLÓ

SÖRFŐZÉS ÉS SÖRÁLDOZAT NIN-HARRA ISTENN ŐNEK

SÖRGYÁRTÁSSÖRGYÁRTÁS

KÖZÉPKORKÖZÉPKOR --ÚJKORÚJKOR

•• Sörfőzdék megjelenéseSörfőzdék megjelenése•• a reaktortest a reaktortest agyagbőlagyagből készülkészül•• a reaktortest a reaktortest fábólfából készülkészül•• a reaktortest a reaktortest rézbőlrézből készülkészül

1000 éves sör- / chika-főzde az Andokban

•• a reaktortest a reaktortest rézbőlrézből készülkészül•• egyszerű hőcserélőkegyszerű hőcserélők•• hőmérőkhőmérők

SÖRGYÁRTÁSSÖRGYÁRTÁS

•• Alapvető sörfajták:Alapvető sörfajták:–– Felsőerjesztésű sörFelsőerjesztésű sör (ale): az élesztő 15 (ale): az élesztő 15 –– 20 Celsius fok 20 Celsius fok

között erjeszt. Angliaközött erjeszt. Anglia–– Alsóerjesztésű sörAlsóerjesztésű sör (lager): az élesztő 10 Celsius fok körül (lager): az élesztő 10 Celsius fok körül

erjeszt (természetes szelekció erjeszt (természetes szelekció ––barlangokban tárolás barlangokban tárolás ––erjeszt (természetes szelekció erjeszt (természetes szelekció ––barlangokban tárolás barlangokban tárolás ––Lagern!), majd a sört fagypont körül kondicionálják Lagern!), majd a sört fagypont körül kondicionálják (hűtőgépek kifejlesztése!). Csehország (Pilsen), (hűtőgépek kifejlesztése!). Csehország (Pilsen), Németország, Belgium; leggyakoribb.Németország, Belgium; leggyakoribb.

–– Lambikus sörLambikus sör: Belgium Payottenland tartománya. : Belgium Payottenland tartománya. Természetes (vad) élesztőpopulációval erjesztenek, mely a Természetes (vad) élesztőpopulációval erjesztenek, mely a Zenne folyóban él.Zenne folyóban él.

–– Kevert sörök:Kevert sörök: ale és lager keverékeiale és lager keverékei

MIKROSZKÓPMIKROSZKÓP

•• JanssenJanssen: első kétlencsés mikroszkóp : első kétlencsés mikroszkóp (1590; 30 x nagyítás)(1590; 30 x nagyítás)

•• HookeHooke (1665)(1665)•• LeeuwenhoekLeeuwenhoek(1676; 200 x nagyítás)(1676; 200 x nagyítás)•• LeeuwenhoekLeeuwenhoek(1676; 200 x nagyítás)(1676; 200 x nagyítás)

MIKROSZKÓPMIKROSZKÓP

Antonio van Leeuwenhoek(1632-1723)

XIX. SZÁZADXIX. SZÁZAD

•• A sörA sör--, bor, bor--, ecet, ecet--, tejsavgyártás ‘tudományos , tejsavgyártás ‘tudományos igényű” megközelítéseigényű” megközelítése

•• Technológiai fejlesztések (Technológiai fejlesztések (acetátoracetátor, , kalandriakalandria , , steril levegő)steril levegő)

•• Mikroorganizmusok szerepének felismeréseMikroorganizmusok szerepének felismerése•• CagniardCagniard--LatourLatour , , SchwannSchwann, , KützingKützing (1837), (1837),

TraubeTraube (1858)(1858) LiebigLiebig, , BerseliusBerselius, Wöhler, Wöhler•• PasteurPasteur(1866)(1866)

élesztő + cukor � CO2 + etanol

KALANDRIAKALANDRIA

1900 1900 –– II. VILÁGHÁBORÚII. VILÁGHÁBORÚ

•• glicerolglicerol--, citromsav, citromsav--, aceton, aceton--, butanolgyártás, butanolgyártás

•• Fleming, WeizmannFleming, Weizmann•• Clostridium acetobutylicumClostridium acetobutylicum(kordit alapanyag)(kordit alapanyag)•• A bioreaktor sterilitásaA bioreaktor sterilitása•• A fermentációk léptéknövelése; inokulumA fermentációk léptéknövelése; inokulum

•• Ráadagolásos (fedRáadagolásos (fed--batch) fermentációkbatch) fermentációk•• A penicillin történeteA penicillin története

A PENICILLIN STORYA PENICILLIN STORY

Penicillin GPenicillin G

Penicillium chrysogenumPenicillium chrysogenum

II. VILÁGHÁBORÚ II. VILÁGHÁBORÚ -- NAPJAINKIGNAPJAINKIG

•• Egyéb antibiotikumokEgyéb antibiotikumok•• Aminosavak, enzimekAminosavak, enzimek•• SzteroidokSzteroidok•• Vitaminok (pl. BVitaminok (pl. B 1212))•• Törzsfejlesztő programokTörzsfejlesztő programok•• Törzsfejlesztő programokTörzsfejlesztő programok•• SingleSingle--Cell Protein (SCP)Cell Protein (SCP)•• Sterilezhető bioreaktorokSterilezhető bioreaktorok•• Oxigénigényes fermentációkOxigénigényes fermentációk•• Kísérleti üzemek elterjedéseKísérleti üzemek elterjedése•• FolyamatszabályozásFolyamatszabályozás

‘NEW BIOTECHNOLOGY’‘NEW BIOTECHNOLOGY’

•• Rekombináns DNS technológia alkalmazásaRekombináns DNS technológia alkalmazása

•• E. coliE. coli alkalmazása inzulin előállítására alkalmazása inzulin előállítására (1978)(1978)

•• Magasabbrendű eukarióta Magasabbrendű eukarióta •• Magasabbrendű eukarióta Magasabbrendű eukarióta sejtek fermentációjasejtek fermentációja

•• Genomika, proteomika, Genomika, proteomika, metabolomikametabolomika

•• A fermentációs technológia A fermentációs technológia jelentősége változatlanjelentősége változatlan

‘NEW BIOTECHNOLOGY’‘NEW BIOTECHNOLOGY’

A HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETEA HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETE

Technológia / termékTechnológia / termék ÉvÉv Helyszín Helyszín

habzóbor 1720 Szentgyörgy

ecet 1787 Pozsony

Növényolaj termelés 1790 Pest

Brandy 1804 Újlak

Répacukor előállítás 1808 Ercsi

Pezsgő 1825 Pozsony

Sörgyár 1844 Budapest

Élesztőgyár 1853 Budapest

Szalámi 1862 Budapest

A HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETEA HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETE

Technológia / termékTechnológia / termék ÉvÉv Helyszín Helyszín

Konzervgyár 1872 Rohonc

Szövetkezeti tejüzem 1882 Szombathely

Keményítőgyár 1887 Fűzfő

Tejsav 1923 Budapest

Aceton / butanol 1924 Budapest

Alkaloid (morfin) 1927 Tiszavasvári

Glicerin 1941 Kisperkáta

Penicillin 1946 Budapest

Neomycin, oxytetraciklin 1951 Debrecen

A HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETEA HAZAI BIOIPAROK TÖRTÉNETE

Technológia / termékTechnológia / termék ÉvÉv Helyszín Helyszín

Tobramycin 1952 Debrecen

B12 vitamin 1953 Budapest

Enzimes sörfőzés 1969 Sopron

Ipari alkohol 1971 Szabadegyháza

A BIOIPAR CÉLJAIA BIOIPAR CÉLJAI--LEHET ŐSÉGEILEHETŐSÉGEI

•• Sejttömeg termelésSejttömeg termelés(pékélesztő, SCP)(pékélesztő, SCP)

•• Sejtkomponensek előállításaSejtkomponensek előállítása (enzimek, (enzimek, nukleinsavak, poliszacharidok)nukleinsavak, poliszacharidok)

•• Metabolit termelésMetabolit termelés•• Metabolit termelésMetabolit termelés•• PrimerPrimer : etanol, tejsav, aminosav, karbonsav, stb.: etanol, tejsav, aminosav, karbonsav, stb.•• SzekunderSzekunder: antibiotikumok, vitaminok, : antibiotikumok, vitaminok,

gyulladáscsökkentők, növekedésgyulladáscsökkentők, növekedés--serkentők, stb.serkentők, stb.

•• KonverzióKonverzió

BIOIPARI ENZIMEKBIOIPARI ENZIMEK

EnzimEnzim Iparág Iparág Felhasználás Felhasználás Amiláz Malom- és pékipar Tészta viszkozitásának

csökkentése

Proteáz Sör-és malomipar Gabonaszemek aprítása

Pektináz, hemicelluláz Kávégyártás Pektin, hemicelluláz tartalom csökkentése

Invertáz Cukorgyártás Szacharóz hasítása

Amiloglükozidáz Cukorgyártás Keményítő glükózzá alakítása

Glükóz izomeráz Cukorgyártás Glükóztartalom fruktózzá alakítása

Kataláz Tejipar H2O2 (sterilezési maradvány) eltávolítása

Laktáz Tejipar Laktóz hasítása

Glükóz oxidáz Szörpök Oxigén eltávolítása

BIOIPARI KONVERZIÓKBIOIPARI KONVERZIÓK

•• A A mikroorganizmusmikroorganizmus enzimrendszere segítségével enzimrendszere segítségével lejátszódó lejátszódó kémiai reakciókkémiai reakciók (dehidrogénezés, oxidáció, (dehidrogénezés, oxidáció, hidroxilezés, kondenzáció, dekarboxilezés, aminálás, hidroxilezés, kondenzáció, dekarboxilezés, aminálás, deaminálás, stb.) eredményeként a kiindulási deaminálás, stb.) eredményeként a kiindulási anyaghoz szerkezetileg hasonló, de annál anyaghoz szerkezetileg hasonló, de annál értékesebbértékesebb(drágább) anyagot kapunk.(drágább) anyagot kapunk.(drágább) anyagot kapunk.(drágább) anyagot kapunk.

•• A kémiai átalakítással szembeni előnyei:A kémiai átalakítással szembeni előnyei:•• Nem igényel drága, környezetkímélő katalizátorokatNem igényel drága, környezetkímélő katalizátorokat•• Semleges pHSemleges pH--n, alacsony hőmérsékleten játszódnak len, alacsony hőmérsékleten játszódnak le•• Specifikusak (kevés melléktermék)Specifikusak (kevés melléktermék)•• sztereospecificitássztereospecificitás