Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ

Παρουσίαση με θέμα: "Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ
7ο Εξάμηνο Προγράμματος Σπουδών ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ 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 Ο2 σε Καλλιέργειες Κυττάρων Θερμική Καταστροφή Μικροοργανισμών - Αποστείρωση Μηχανισμοί και Ενεργειακές Απαιτήσεις της Ανάδευσης Κλιμάκωση μεγέθους Έλεγχος και Ρύθμιση

3 Ετερογενείς βιοκαταλυτικές αντιδράσεις
Στο τέλος της ενότητας θα πρέπει να γνωρίζετε: 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;

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
Περιορισμός του βιοκαταλύτη σε τεχνητή στερεή φάση Φυσικές μέθοδοι Προσρόφηση Ιοντική σύνδεση Εγκλωβισμός σε πλέγμα Εγκλωβισμός σε μεμβράνες Χημικές μέθοδοι Ομοιοπολική σύνδεση Διαμοριακή σύνδεση

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 3.11x105 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
ΚΙΝΗΣΗ ΜΕ ΜΟΡΙΑΚΗ ΔΙΑΧΥΣΗ ΑΝΑΔΕΥΣΗ Οριακό στρώμα υγρής ή αέριας φάσης ΕΞΩ-ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΔΙΑΧΥΣΗ (σε σειρά) ΕΣΩ-ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΔΙΑΧΥΣΗ (παράλληλα) ΠΟΡΩΔΕΣ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΠΡΟΪΟΝ Υγρή ή αέρια φάση Στερεός βιοκαταλύτης

9 Τυπική κατανομή συγκέντρωσης σε σφαιρικό βιοκαταλύτη
Οριακό στρώμα Κύριος όγκος υγρού (καλά αναδευόμενος) Συγκέντρωση υποστρώματος, CA R CAb CAs ● Απόσταση CAmin εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας εσωσωματιδιακή μεταφορά μάζας

10 Φαινόμενα μεταφοράς & ταχύτητα αντίδρασης
Φαινόμενη ταχύτητα αντίδρασης, rA,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
Παράμετροι για τον προσδιορισμό της έντασης του φαινομένου Φαινόμενο μέτρο για την εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας (observable modulus for external mass transfer, Ω) Εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας (external effectiveness factor, ne) Αριθμός Damkohler (μ ή Da)

12 Φαινόμενο μέτρο για την εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας
ΝΑ= kL α ( CAb – CAs ) Σταθερή κατάσταση Φαινόμενο μέτρο για την εξωσωματιδιακή μεταφορά μάζας (observable modulus for external mass transfer, Ω)

13 Εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας
(external effectiveness factor, ne) ταχύτητα εάν CA=CAb σε κάθε σημείο του καταλύτη ταχύτητα εάν CA=CAs σε κάθε σημείο του καταλύτη Κινητική αντίδρασης Ταχύτητα αντίδρασης (rA) Εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας Πρώτης τάξης k1 CA Μηδενικής τάξης k0 Michaelis-Menten

14 εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας
Ακινητοποιημένο ένζυμο που ακολουθεί κινητική Michaelis Menten ] [ εξωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας = f αριθμός Damkohler , β = CAb / Km

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 Ο2 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 Ο2. Γίνονται οι ακόλουθες παραδοχές: το υγρό μέσο έχει παρόμοια πυκνότητα και ιξώδες με αυτές του νερού o συντελεστής διάχυσης του Ο2 στο υγρό μέσο είναι1.8 x 10-9 m2 s-1

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

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

18 φ = f ( Vp, Sx, DAe, CAs, κινητικές σταθερές)
Εσωτερικός παράγοντας αποτελεσματικότητας (internal effectiveness factor ni) φαινόμενη ταχύτητα αντίδρασης ταχύτητα εάν CA=CAs σε κάθε σημείο του καταλύτη Μέτρο του Thiele (φ) φ = f ( Vp, Sx, DAe, CAs, κινητικές σταθερές)

19 Προσδιορισμός ni 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 ni με βάση την τιμή του φ και το αντίστοιχο διάγραμμα

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

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 cm3 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 10-6 cm2 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 10-3 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 επιφάνεια 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 (DAe) του διαχεόμενου συστατικού στο μέσο Μείωση του μεγέθους του βιοκαταλύτη

24 Γενικοί κανόνες για ετερογενείς βιοκαταλυτικές διεργασίες
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

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