Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ 7ο Εξάμηνο Προγράμματος Σπουδών ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2008.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ 7ο Εξάμηνο Προγράμματος Σπουδών ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2008."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ 7ο Εξάμηνο Προγράμματος Σπουδών ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2008

2 Αντικείμενο Βιοχημικής Μηχανικής –Ενζυμικές Δράσεις –Κυτταρική Ανάπτυξη και Παραγωγή Μεταβολικών Προϊόντων –Συστήματα βιοαντιδραστήρων –Ετερογενείς Αντιδράσεις και Βιοτεχνολογικές Διεργασίες –Κρίσιμες παράμετροι σε βιοδιεργασίες  Μεταφορά Μάζας - Μεταφορά Ο 2 σε Καλλιέργειες Κυττάρων  Θερμική Καταστροφή Μικροοργανισμών - Αποστείρωση  Μηχανισμοί και Ενεργειακές Απαιτήσεις της Ανάδευσης –Κλιμάκωση μεγέθους –Έλεγχος και Ρύθμιση

3 Ετερογενείς βιοκαταλυτικές αντιδράσεις –Τι είναι η εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας; –Πώς υπολογίζονται ο εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας, ο αριθμός Dahmokoler, και το φαινόμενο μέτρο για εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας; –Τι είναι η εσωσωματιδιακή μεταφορά μάζας; –Πώς υπολογίζονται ο εσωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας, το μέτρο του Thiele και ο αριθμός Biot; –Με ποια κριτήρια μπορούμε να αποφανθούμε σχετικά με την ένταση των περιοριστικών φαινομένων λόγω μεταφοράς μάζας; –Με ποιο τρόπο είναι δυνατή η αντιμετώπιση περιοριστικών φαινομένων λόγω μεταφοράς μάζας; Στο τέλος της ενότητας θα πρέπει να γνωρίζετε:

4 Ετερογενείς βιοκαταλυτικές αντιδράσεις Συνδέονται με την παρουσία καταλυτών σε στερεή φάση Αντιδράσεις στις οποίες παρατηρείται βαθμίδωση συγκέντρωσης ή θερμοκρασίας Βιοκαταλύτες στερεής φάσης Κύτταρα που αυθόρμητα σχηματίζουν συσσωματώματα ή προσκολλούνται σε στερεές επιφάνειες Ένζυμα ή κύτταρα τα οποία συνδέονται με τη στερεή φάση με τη χρησιμοποίηση κάποιας από τις γνωστές τεχνικές ακινητοποίησης

5 Τι είναι η ακινητοποίηση βιοκαταλυτών –Προσρόφηση –Ιοντική σύνδεση –Εγκλωβισμός σε πλέγμα –Εγκλωβισμός σε μεμβράνες Φυσικές μέθοδοι –Ομοιοπολική σύνδεση –Διαμοριακή σύνδεση Χημικές μέθοδοι Περιορισμός του βιοκαταλύτη σε τεχνητή στερεή φάση

6 Τα υπέρ και τα κατά της ακινητοποίησης βιοκαταλυτών –Δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης –Ευκολότερη ανάκτηση προϊόντων –Δυνατότητα συστημάτων συνεχούς λειτουργίας –Αύξηση σταθερότητας Πλεονεκτήματα –Απώλεια δραστικότητας –Περιορισμοί λόγω διάχυσης Μειονεκτήματα

7 Πρόβλημα Ινβερτάση ακινητοποιείται σε σφαιρίδια αγαρόζης διαμέτρου 8 mm σε συγκέντρωση kg πρωτεϊνης m -3 γέλης. Τα σφαιρίδια χρησιμοποιούνται για την πλήρωση στήλης, απ΄ όπου διέρχεται διάλυμα σακχαρόζης με συγκέντρωση 3.2x10 -3 kg m -3. Η δράση του ενζύμου ακολουθεί κινητική πρώτης τάξης με σταθερά 3.11x10 5 s -1 kg -1 πρωτεϊνης. Ποια η φαινόμενη ταχύτητα της αντίδρασης (ανηγμένη κατ΄ όγκο); Ποια η φαινόμενη ταχύτητα της αντίδρασης αν χρησιμοποιηθούν 100 σφαιρίδια;

8 Βιοκατάλυση σε στερεή φάση Υγρή ή αέρια φάση Στερεός βιοκαταλύτης ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΚΙΝΗΣΗ ΜΕ ΜΟΡΙΑΚΗ ΔΙΑΧΥΣΗΑΝΑΔΕΥΣΗ ΕΣΩ- ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΔΙΑΧΥΣΗ (παράλληλα) Οριακό στρώμα υγρής ή αέριας φάσης ΕΞΩ- ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΔΙΑΧΥΣΗ (σε σειρά) ΠΟΡΩΔΕΣ ΠΡΟΪΟΝ

9 Τυπική κατανομή συγκέντρωσης σε σφαιρικό βιοκαταλύτη Οριακό στρώμα Κύριος όγκος υγρού (καλά αναδευόμενος) Συγκέντρωση υποστρώματος, C A RR C Ab C As ● ●● ● Απόσταση C A min εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας εσωσωματιδιακή μεταφορά μάζας

10 Φαινόμενα μεταφοράς & ταχύτητα αντίδρασης Φαινόμενη ταχύτητα αντίδρασης, r A,obs Αλληλεπίδραση ρυθμού μεταφοράς & ταχύτητας αντίδρασης Ανάλυση ετερογενών βιοκαταλυτικών αντιδράσεων  Επίδραση ρυθμού μεταφοράς & ταχύτητας αντίδρασης στη φαινόμενη ταχύτητα αντίδρασης  Σχετική βαρύτητα εσωσωματιδιακής & εξωσωματιδιακής μεταφοράς μάζας

11 Εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας Αριθμός Damkohler (μ ή Da) Εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας (external effectiveness factor, n e ) Παράμετροι για τον προσδιορισμό της έντασης του φαινομένου Φαινόμενο μέτρο για την εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας (observable modulus for external mass transfer, Ω)

12 Φαινόμενο μέτρο για την εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας Ν Α = k L α ( C Ab – C As ) Σταθερή κατάσταση Φαινόμενο μέτρο για την εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας (observable modulus for external mass transfer, Ω)

13 Εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας ταχύτητα εάν C A =C Ab σε κάθε σημείο του καταλύτη ταχύτητα εάν C A =C As σε κάθε σημείο του καταλύτη Michaelis-Menten k0k0 Μηδενικής τάξης k 1 C A Πρώτης τάξης Εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας Ταχύτητα αντίδρασης (r A ) Κινητική αντίδρασης Εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας (external effectiveness factor, n e )

14 εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας αριθμός Damkohler Ακινητοποιημένο ένζυμο που ακολουθεί κινητική Michaelis Menten β = C Ab / K m = f [ ],

15 Πρόβλημα Η οξειδάση από φυτικά κύτταρα Papaver somniferum ακινητοποιείται πάνω στην επιφάνεια μικροφορέων που έχουν σφαιρικό σχήμα με διάμετρο 1.5 mm. Το ακινητοποιημένο ένζυμο χρησιμοποιείται για την υδροξυλίωση κοδεϊνης σε πιλοτικό βιοαντιδραστήρα σταθερής κλίνης, διαμέτρου 5 cm με ανακυκλοφορία υγρού μέσου όπου η ροή είναι ίση με 1 lt min -1. Όταν η συγκέντρωση Ο 2 στον κύριο όγκο της υγρής φάσης είναι 8 mg ml -1, ο ρυθμός κατανάλωσης του οξυγόνου είναι 0,28 mg h -1 cm -3 του βιοκαταλύτη. Να βρεθεί κατά πόσο η εξωσωματιδιακή διάχυση επηρεάζει το ρυθμό κατανάλωσης του Ο 2. Γίνονται οι ακόλουθες παραδοχές: το υγρό μέσο έχει παρόμοια πυκνότητα και ιξώδες με αυτές του νερού o συντελεστής διάχυσης του Ο 2 στο υγρό μέσο είναι1.8 x m 2 s -1

16 Αντιμετώπιση φαινομένων εξωσωματιδιακής μεταφοράς μάζας Μείωση του μεγέθους του βιοκαταλύτη Αύξηση του συντελεστή μεταφοράς μάζας (k L ) (π.χ. ταχύτητα ανάδευσης) Αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος στον κύριο όγκο του ρευστού που περιβάλλει το βιοκαταλύτη (C Ab )

17 Εσωσωματιδιακή μεταφορά μάζας Εσωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας (internal effectiveness factor, n i ) Παράμετροι για τον προσδιορισμό της έντασης του φαινομένου Mέτρο του Thiele και Φαινόμενο μέτρο του Thiele (Φ) Αριθμός Biot (Bi)

18 Εσωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας (internal effectiveness factor n i ) ταχύτητα εάν C A =C As σε κάθε σημείο του καταλύτη φαινόμενη ταχύτητα αντίδρασης φ = f ( V p, S x, D Ae, C As, κινητικές σταθερές) Μέτρο του Thiele (φ)

19 Εξίσωση υπολογισμού του Μέτρου του Thiele (φ) με βάση την κινητική της αντίδρασης και το σχήμα του βιοκαταλύτη Π.χ. για σφαιρικό βιοκαταλύτη με κινητική πρώτης τάξης: Προσδιορισμός του n i με βάση την τιμή του φ και το αντίστοιχο διάγραμμα Προσδιορισμός n i

20 Κριτήρια του Weisz Εάν Φ<0.3 τότε n i ≈1 και οι περιορισμοί λόγω εσωσωματιδιακής μεταφοράς μάζας είναι αμελητέοι Εάν Φ>3 τότε το n i είναι πολύ μικρότερο του 1 και οι περιορισμοί λόγω εσωσωματιδιακής μεταφοράς μάζας είναι σημαντικοί Φαινόμενο μέτρο Thiele ( observable Thiele modulus, Φ)

21 Πρόβλημα Ινβερτάση από κύτταρα ζύμης ακινητοποιείται σε ρητίνη ανταλλαγής ιόντων με μέση διάμετρο σωματιδίων ίση με 1 mm. Η ποσότητα του ενζύμου στα σωματίδια προσδιορίζεται με μέτρηση της πρωτεϊνης σε 0.05 kg m -3. Ένας αριθμός σωματιδίων που αντιστοιχούν σε όγκο 20 cm 3 χρησιμοποιούνται για την πλήρωση μικρού αντιδραστήρα σταθερής κλίνης, από τον οποίο περνούν 75 ml διαλύματος σακχαρόζης με συγκέντρωση 16 mM. Σε δεύτερο βιοαντιδραστήρα που περιέχει τον ίδιο όγκο διαλύματος σακχαρόζης προστίθεται ποσότητα ελεύθερου ενζύμου αντίστοιχη με αυτήν που περιέχεται στο σύνολο των σωματιδίων του πρώτου βιοαντιδραστήρα. Ο συντελεστής διάχυσης της σακχαρόζης στα σωματίδια της ρητίνης είναι 2 x cm 2 s -1. Γίνεται η παραδοχή ότι οι κινητικές σταθερές του ενζύμου είναι ίδιες τόσο στην ελεύθερη όσο και στην ακινητοποιημένη μορφή: Km = 8.8 mM και αριθμός μετατροπής (turnover number) = 2.4 x moles γλυκόζης (g ενζύμου) -1 s -1. α. Ποια η ταχύτητα της αντίδρασης του ελεύθερου ενζύμου; β. Ποια η ταχύτητα της αντίδρασης του ακινητοποιημένου ενζύμου;

22 Μέτρο του Thiele για ακινητοποιημένο ένζυμο Κινητική Μichaelis-Menten Γενική μορφή Σφαιρικό σχήμα Επίπεδη επιφάνει α Κινητική πρώτης τάξης Γενική μορφή Σφαιρικό σχήμα Επίπεδη επιφάνεια Κινητική μηδενικής τάξης Γενική μορφή Σφαιρικό σχήμα Επίπεδη επιφάνεια

23 Αντιμετώπιση φαινομένων εσωσωματιδιακής μεταφοράς μάζας Αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος στην επιφάνεια του βιοκαταλύτη Αύξηση του συντελεστή διάχυσης (D Ae ) του διαχεόμενου συστατικού στο μέσο Μείωση του μεγέθους του βιοκαταλύτη

24 Σπουδαιότητα των περιοριστικών φαινομένων λόγω της διάχυσης οξυγόνου Σχέση μεταξύ των περιοριστικών φαινομένων εξωσωματιδιακής και εσωσωματιδιακής μεταφοράς μάζας Συνθήκες λειτουργίας αντιδραστήρων με βιοκαταλύτες Επίδραση της παρουσίας προϊόντων Γενικοί κανόνες για ετερογενείς βιοκαταλυτικές διεργασίες

25 ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ – ΕΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΒΙΟΚΑΤΑΛΥΣΗ Στην περίπτωση κατά την οποία δεν είναι γνωστή η κινητική της αντίδρασης, η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την ένταση των φαινομένων λόγω εσωσωματιδιακής διάχυσης σε στερεό βιοκαταλύτη γίνεται α. μέσω υπολογισμού του Μέτρου του Thiele β. μέσω υπολογισμού του Φαινόμενου μέτρου του Thiele γ. μέσω υπολογισμού του αδιάστατου αριθμού Damkohler δ. τίποτε από τα προηγούμενα Περιορισμός της έντασης των φαινομένων λόγω εξωσωματιδιακής διάχυσης σε στερεό βιοκαταλύτη γίνεται με α. με μείωση του μεγέθους του βιοκαταλύτη β. με αύξηση του συντελεστή μεταφοράς μάζας γ. με αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος στον κύριο όγκο του υγρού που περιβάλλει τον καταλύτη δ. συνδυασμό των ενεργειών που αναφέρονται παραπάνω

26 Back Up


Κατέβασμα ppt "ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ 7ο Εξάμηνο Προγράμματος Σπουδών ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2008."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google